電氣化鐵路牽引供電容量優(yōu)化研究

張超

摘要：隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，我國鐵路建設不斷加快，對牽引供電系統(tǒng)提出了更高的要求。當前來說，已投入運行的電氣化鐵路在初期的運量普遍不高，系統(tǒng)供電能力未得到充分的利用，也就造成了資源上的極大浪費。因此，相關技術人員應對電氣化鐵路牽引供電容量優(yōu)化問題展開深入的分析，保證系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定的同時，盡可能的減少投資成本，實現(xiàn)效益的最大化。本文將對電氣化鐵路牽引供電容量優(yōu)進行研究，以供參考。

關鍵詞：電氣化;鐵路牽引;供電容量優(yōu)化

引言

在鐵路的電力牽引供電工程之中，必須建立健全相應的質量控制管理體系，提高鐵路電力牽引工程的質量管理工作成效，為我國鐵路貨物運輸作出應有的貢獻。

1電氣化鐵路和供電方式

電氣化鐵路供電安全問題中，要對供電方式有所了解。接觸網(wǎng)和變電站是鐵路電氣化中最主要的兩部分，牽引供電系統(tǒng)的正常運行需要兩者之間的有效配合。在變電站中有多種的電器零件組成，例如斷路器、變壓器、電流、電壓互感器等，在三相高壓轉變的過程中轉換成電能，而三相高壓從國家電網(wǎng)發(fā)出，這與電力機車的輸入極不吻合，變電站反而與轉變后的電能相吻合，而變電站還具有將電能傳入到另一個系統(tǒng)中的功能，形成新的接觸網(wǎng)。

2電氣化鐵路牽引供電容量優(yōu)化的意義

牽引供電系統(tǒng)，主要用于為列車運行提供穩(wěn)定、可靠的電能，以滿足列車的用電需要。其主要由牽引變電所、牽引網(wǎng)等組成，前者實現(xiàn)了電能的轉換與控制，進而為列車運行提供電能支持;后者則主要是實現(xiàn)了電能的安全傳輸。在當前的鐵路系統(tǒng)，有著眾多牽引變電所，能夠將110kV、220kV的電壓通過相應的技術變換為27.5kV、2×27.5kV的電壓，并利用牽引網(wǎng)，對列車進行供電。電氣化鐵路牽引負荷具有以下特點：（1）隨機波動性。由于受到行駛過程中不同路況的影響，牽引負荷會發(fā)生一定的波動，從而對供電容量的利用率造成影響。（2）非線性。列車對電能的獲取屬于非線性，會形成電壓波動，對供電容量也就有了不同的需求。目前，電氣化鐵路的設計多分為近期及遠期規(guī)劃。牽引供電系統(tǒng)作為重要的基礎設備，一般要按遠期運行規(guī)劃做到一次設計到位，以滿足鐵路未來發(fā)展的需要。鐵路系統(tǒng)所要求的輸送能力對牽引供電容量有著很大的影響。但是，遠、近期的運輸需要存在很大差別，近期需求往往較小，遠期需求往往較大。再加上不同地域在經(jīng)濟發(fā)展方面的影響，造成了運輸需求的不確定性，也就給牽引供電系統(tǒng)的設計帶來了很大的挑戰(zhàn)。如果依照近期運行需要來設計，則很可能在極短的時間內出現(xiàn)運能不足的問題。因此，對電氣化鐵路牽引供電容量進行優(yōu)化設計就變得尤為重要。當前，已投入運行的電氣化鐵路在開始階段的運量普遍不高，供電能力未得到充分的利用，也就造成了資源上的極大浪費。通過提出更加靈活的牽引供電運行方案，希望能夠既保證系統(tǒng)運行的安全可靠，又節(jié)省運行成本，這對提高牽引供電容量利用率具有重要的意義。

3牽引變壓器容量傳統(tǒng)算法

（1）確定牽引變壓器容量計算條件：根據(jù)線路年運輸量、列車牽引定數(shù)等要求確定正常運行所需的列車對數(shù)N;根據(jù)列車在供電臂走行時間、帶電運行時間及平均能耗等計算兩供電臂的平均電流Iav1、Iav2和有效電流Ie1、Ie2。（2）確定牽引變壓器計算容量S計：根據(jù)供電臂平均電流、有效電流與變壓器繞組電流的關系，確定不同接線變壓器的容量計算公式;確定滿足正常列車對數(shù)N所需的變壓器容量S計。（3）確定牽引變壓器校核容量S校：計算滿足列車緊密運行時（對應最大列車對數(shù)Nmax）所需的容量Smax;根據(jù)變壓器的過負荷倍數(shù)k，確定牽引變壓器的校核容量S校（S校=Smax/k）。（4）確定牽引變壓器安裝容量S安：比較計算容量S計與校核容量S校，二者取其大，綜合考慮變壓器的備用方式與變壓器產(chǎn)品規(guī)格等確定安裝容量S安。這種方法計算牽引變壓器容量時，每列車的能耗都按重車考慮，Nmax取最嚴重情況時的列車對數(shù)，確定S安時選擇大于S計或S校的一個容量等級。因此，采用這種傳統(tǒng)算法確定的牽引變壓器容量，不僅能夠滿足最大負荷的供電能力要求，而且一般都會有較大富余量。

4傳統(tǒng)算法存在的不足

上述算法簡捷且能有效保證變壓器供電能力要求，但是存在以下兩點不足。（1）采用的過負荷倍數(shù)k所對應的牽引變壓器負載率遠遠高于其實際負載率，這種情況下，牽引變壓器具有更高的過載能力，可以允許比k更高的過負荷倍數(shù)，傳統(tǒng)算法未考慮這一實際因素。（2）決定變壓器容量是否合適的關鍵是變壓器實際運行時的電流限值、溫度限值與壽命損失是否滿足規(guī)定要求，傳統(tǒng)算法未對這些參數(shù)進行校驗，易使變壓器容量設置偏大。

5電氣化鐵路牽引供電容量優(yōu)化方案

通過上述分析，在鐵路建設的早期階段，鐵路里程相對有限，對牽引供電容量的需求不是很大，會導致一定程度的過剩問題，影響到牽引供電系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。因此，有關技術人員需要進一步提出牽引供電容量的優(yōu)化方案。第一種：考慮將一部分變電所暫停運行，由臨近的變電所提供電能，從而通過減少變電所數(shù)量來提升電能的利用率。第二種：更改接線，由傳統(tǒng)的Vx轉變?yōu)镮i，可以減少單相變壓器數(shù)量，從而節(jié)省供電容量。

6對方案的可行性分析

為實現(xiàn)電氣化鐵路牽引供電容量的優(yōu)化，要對提出的優(yōu)化方案進行可行性分析。該過程需要對供電指標進行計算分析，通過構建全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)的仿真模型，包括外部電源、牽引變壓器、牽引網(wǎng)等，基于Matlab/Simulink仿真平臺來建立模型，對相應的供電指標進行計算，并對某些數(shù)據(jù)進行校驗。首先，需要進行的是阻抗特性分析，結果表明，方案一的牽引網(wǎng)抗阻能力低于方案二;其次，對牽引網(wǎng)電壓水平進行仿真分析，結果表明，方案二中，盡管將接線更改為Ii，但仍然能夠順利實現(xiàn)2×27.5kVAT供電的支持，且運行穩(wěn)定。對變壓器溫升和壽命損失情況進行對比分析如下：首先，我們將一部分牽引變電所暫停運行，變壓器溫升和壽命損失有所升高，但并未達到限值（一般來說，溫升的限值為140℃，壽命損失的限值為24小時），可以滿足供電容量優(yōu)化的需要，該方案具有一定的可行性。要想進一步發(fā)揮該方案的優(yōu)勢，技術人員要在有效控制變壓器溫升、壽命損失的同時，盡量實現(xiàn)供電容量的優(yōu)化。其次，將接線更改為Ii后，變壓器溫升盡管已接近140℃，但壽命損失遠未達到限值，同樣可以滿足安全運行的需要，該方案同樣具有可行性。不過，要特別注意的一點是，如果選擇方案二進行優(yōu)化，應著重考慮到變壓器壽命損失的有關限制因素。

結束語

綜上所述，鐵路電力牽引供電工程施工較為復雜，所以對其質量的管理工作更要予以重視。通過建立專門的質量管理監(jiān)督組織，在整個施工過程中對工程的質量進行有效地質量控制，保證工程的質量，確保鐵路工程建設的順利推進，為鐵路運輸事業(yè)的發(fā)展奠定堅實的基礎、做出應有的貢獻。

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