電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)電壓水平評估的研究

丁凱軒

中鐵電氣化局集團第一工程有限公司 北京 100070

正文：

前言：整體來看，牽引網(wǎng)電壓水平與機車牽引力以及運行速度息息相關(guān)，決定著整個鐵道區(qū)段的運輸和通行能力。在實際設(shè)計過程中，相關(guān)工作人員需要對其中的牽引供電能力進行充分考慮，并將其中的牽引供電系統(tǒng)電壓損失數(shù)量計算出來。另外，在牽引網(wǎng)電壓水平研究過程中，容易受到很多因素的影響，如電力系統(tǒng)運行方式等等，這也讓整個系統(tǒng)設(shè)計和評估變得十分復(fù)雜。

1.電氣化鐵路供電系統(tǒng)電壓損失計算方法

1.1 牽引網(wǎng)阻抗計算數(shù)學(xué)模型

在該模型設(shè)計過程中，主要是將整個計算過程等效到一個m×m的復(fù)矩陣計算上，其中，m代表牽引網(wǎng)之中包含的平行導(dǎo)線數(shù)量。由于多導(dǎo)線模型的應(yīng)用，能夠?qū)恳W(wǎng)空間部分特征展示出來，最終建立起導(dǎo)線空間分布情況對整個牽引網(wǎng)影響的對地矩陣。如果相關(guān)研究人員能夠?qū)⒁粭l線路上的接觸線和承力索合進行合并，那么等值導(dǎo)線的作用也會被徹底激發(fā)出來，與此同時，兩條鋼軌也會進一步受到影響，同樣也會合并成等值導(dǎo)線，并在保護線的作用下合并成一條R線。如果將自耦變壓器中的漏抗現(xiàn)象忽略不計，則接觸線與正饋導(dǎo)線的型號并不會出現(xiàn)太大差異，在懸掛方式上也會展示出對稱性特點，當(dāng)機車始終處于接觸網(wǎng)末端時，牽引網(wǎng)的電壓損失也最為嚴(yán)重。

1.2 牽引網(wǎng)電壓損失計算

用I表示電流，Z表示阻抗，L表示電線長度，當(dāng)電流I通過電力線路之后，模型和電壓向量均會出現(xiàn)改變。在此過程中，會形成一定的角度，該角度用θ表示，一般來說，θ一般不會超過5°。所以說，在計算過程中，可以將具體U產(chǎn)生的投影記做△U，計算公式如下：

為了方便分析和研究，下面以30km長供電臂末端的電壓損失為研究對象。一般來說，當(dāng)機車的牽引功率相同時，如果機車功率因數(shù)較低，則工程值與實際值之間的差距也會進一步縮小。后續(xù)，隨著功率因素的提升，這種差距也會越來越大。高速鐵路的功率因數(shù)與1相接近，所以該中計算方式并不適合在高速鐵路牽引電壓損失計算之中得到應(yīng)用，為了提升計算的準(zhǔn)確性，應(yīng)該以電壓將模擬計算方法的應(yīng)用為主[1]。

1.3 電氣化鐵路電力系統(tǒng)的電壓損失

電力系統(tǒng)電壓損失因素有很多，而且還會受到電力系統(tǒng)運行方式以及牽引負(fù)荷的影響。相關(guān)規(guī)定內(nèi)容明確指出，如果在35kV及以上供電電壓使用過程中，正負(fù)值之和不能超過標(biāo)準(zhǔn)電壓的10%。如果電壓上下偏差出現(xiàn)同號狀態(tài)時，應(yīng)該以偏差絕對值為主要的衡量依據(jù)，具體表示形式如下：

2.牽引供電系統(tǒng)電壓水平與負(fù)荷特征仿真

2.1 基本數(shù)據(jù)

首先是牽引負(fù)荷，站在普通鐵路列車角度來說，其單車負(fù)荷數(shù)值為6400kW，高鐵的單車負(fù)荷為13200kW。其次是牽引變壓器的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，SN的數(shù)值為31.5MVA,Ud=13%。如果供電臂處于最大列車數(shù)量，整個供電臂長度將會達到30km，普通機車以及高速機車速度分別是100km/h和300km/h，在此過程中，也會涉及到很多最小追蹤間隔數(shù)據(jù)，為了避免計算失誤，人們可以將具體數(shù)值明確，即6min和3min，通過一系列計算之后，供電臂的最大列車數(shù)量分別是4列和3列。如果供電臂處于列車的最前端時，所產(chǎn)生的電壓損失也會被算作牽牽引變壓器所在。

2.2 牽引網(wǎng)電壓水平與負(fù)荷特征仿真

在高速鐵路單車負(fù)荷研究過程中，需要將具體的電力鐵路直接供電形式展示出來，最終通過不同的數(shù)值結(jié)果對其中牽引網(wǎng)末端的電壓損失進行合理比較。從最終的比較結(jié)果中可以看出，如果牽引功率與功率因數(shù)相同，直接供電方式便會之中的電壓損失結(jié)果也最高，如果利用AT供電方式，則牽引網(wǎng)的電壓損失最小。但DN和AT兩種供電方式下的牽引網(wǎng)電壓損失情況差距并不大，而且在AT供電方式應(yīng)用過程中，向?qū)?yīng)的投資數(shù)量也較大，為了避免相關(guān)企業(yè)出現(xiàn)投資量過大問題，可以利用DN供電方式對其進行代替[2]。

2.3 牽引供電系統(tǒng)電壓水平與負(fù)荷特征

為了便于計算，在本研究過程中可以假設(shè)牽引網(wǎng)雙邊功率及功率因數(shù)相同，如果列車在此過程中按照最大功率運行，并按照最小追蹤間隔發(fā)車，此時的供電臂列車數(shù)量也最大。整體來看，牽引網(wǎng)最大電壓損失情況存在一定的不同性，當(dāng)高速鐵路的功率因數(shù)接近于1時，所產(chǎn)生的負(fù)荷也較大，直接壓損也十分嚴(yán)重。從具體的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可以看出，如果整個系統(tǒng)出現(xiàn)一定的短路容量，則會對整個牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，但整個系統(tǒng)的短路容量提升十分有限，人們可以通過牽引變壓器安裝容量，讓電壓損失數(shù)量進一步降低，但該過程也會產(chǎn)生較高的電費數(shù)額。站在電氣鐵路牽引角度來說，對最終的牽引供電電壓系統(tǒng)影響最大的便是牽引網(wǎng)電壓損失。因此，在后續(xù)工作過程中，人們需要對AT等供電方式進行選擇和應(yīng)用。

總結(jié)：綜上所述，如果采用電壓降模式對整個牽引供電系統(tǒng)電壓水平進行評估，能夠提升整個分析工作的準(zhǔn)確性。另外，人們還可以通過具體的仿真和對比，將三種供電方式下的牽引網(wǎng)電壓損失展示出來，并以AT等供電方式的應(yīng)用為主，有效提升電氣化鐵路供電過程中的電壓質(zhì)量，為評估方式的合理選擇創(chuàng)造有利條件。