鐵路牽引變電所主變壓器增容改造的技術(shù)分析及思考

胡志洪 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司計(jì)劃統(tǒng)計(jì)部

1 項(xiàng)目前期研究

1.1 徐州北牽引變電所是徐州鐵路樞紐重要的行車設(shè)備

徐州北牽引變電所主要向徐州鐵路樞紐地區(qū)內(nèi)京滬線上下行客貨車正線、隴海線上下行客貨車正線、鄭徐高鐵的徐州至大湖聯(lián)絡(luò)線及徐州站、徐州北編組站、機(jī)務(wù)段開行的電力機(jī)車、高鐵動車組實(shí)施牽引供電。徐州北牽引變電所設(shè)置獨(dú)立饋線分別向徐州客開閉所和徐州北開閉所供電。

徐州北牽引變電所是徐州鐵路樞紐牽引供電的心臟，一旦它中斷供電，將中斷國家的京滬、隴海兩大鐵路干線開行電力機(jī)車，嚴(yán)重影響鄭徐高鐵動車組的開行秩序，給國家經(jīng)濟(jì)和社會旅客的出行將帶來不可估量的影響。徐州鐵路樞紐作為集團(tuán)公司的北大門，徐州北牽引變電所就是這座大門上安裝的核心部件，它的安全可靠運(yùn)行對全國鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)秩序?qū)a(chǎn)生重大意義。

1.2 徐州北牽引變電所的運(yùn)行現(xiàn)狀

徐州北牽引變電所于2006年7月1日正式投運(yùn)，單臺主變壓器容量為31.5 MVA（平衡變壓器），高壓側(cè)額定電壓為110 kV。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步，徐州鐵路樞紐內(nèi)客貨運(yùn)運(yùn)量的不斷增長，既有電力機(jī)車更新?lián)Q代成和諧型HXD大功率交直交電力機(jī)車，鐵路列車運(yùn)行圖中圖定列車對數(shù)及其電力機(jī)車的牽引質(zhì)量均較大地超過原供電容量設(shè)計(jì)。自2011年開始，徐州牽引變電所主變壓器過負(fù)荷運(yùn)行的報(bào)警次數(shù)越來越多，主變壓器過負(fù)荷I段告警頻繁發(fā)生并呈不斷上升趨勢。截止2015年7月31日，徐州牽引變電所主變壓器過負(fù)荷I段告警共計(jì)發(fā)生326次（見表1）。另外，自2011年5月份以來，為滿足完成重載貨物列車的電力牽引任務(wù)，徐州鐵路樞紐內(nèi)開行的和諧型HXD型大功率交直交電力機(jī)車臺數(shù)的不斷增多，徐州樞紐地區(qū)頻繁出現(xiàn)牽引網(wǎng)網(wǎng)壓波動現(xiàn)象，截止2015年7月，據(jù)統(tǒng)計(jì)，網(wǎng)壓波動現(xiàn)象共計(jì)發(fā)生891次。

表1 2011年～2016年徐州北牽引變電所主變壓器過負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

1.3 徐州北牽引變電所主變壓器運(yùn)行存在的問題及后果

徐州北牽引變電所主變壓器長期超設(shè)計(jì)負(fù)荷運(yùn)行，主變壓器時(shí)常伴隨出現(xiàn)異常聲音、過負(fù)荷I段告警，導(dǎo)致接觸網(wǎng)供電可靠性降低，部分供電單元甚至發(fā)生接觸網(wǎng)故障跳閘，樞紐內(nèi)接觸網(wǎng)出現(xiàn)大面積停電現(xiàn)象，無法完成樞紐內(nèi)電力機(jī)車的牽引和整備作業(yè)；另外，徐州樞紐地區(qū)頻繁出現(xiàn)牽引網(wǎng)網(wǎng)壓波動，網(wǎng)壓波動造成電力機(jī)車牽引供電單元閉鎖而無法正常開行。上述徐州北牽引變電所運(yùn)行存在的問題，將嚴(yán)重影響徐州樞紐鐵路運(yùn)輸秩序，致使鐵路運(yùn)能顯著降低；同時(shí)，大大提高了電力機(jī)車、動車組和牽引供電系統(tǒng)設(shè)備的故障率，給鐵路生產(chǎn)帶來了較大的安全隱患。

1.4 主變壓器過負(fù)荷與牽引網(wǎng)網(wǎng)壓波動的研究分析與初期治理

（1）研究分析。從2013年起，集團(tuán)公司供電、機(jī)務(wù)、計(jì)統(tǒng)部共同研究、聯(lián)合制定方案，先后組織鐵科院、西南交通大學(xué)等院校開展了徐州鐵路樞紐電壓波動與抑制技術(shù)的研究、測試，對主變壓器過負(fù)荷報(bào)警與牽引網(wǎng)網(wǎng)壓波動現(xiàn)象實(shí)施針對性的測試和仿真計(jì)算等處理，逐步掌握網(wǎng)壓波動低頻振蕩情況下的牽引供電系統(tǒng)與電力機(jī)車的電壓、電流與功率分布情況，通過分析牽引網(wǎng)電壓振蕩起因，為制定治理振蕩措施提供數(shù)據(jù)支持。大家對各類技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致地分析，認(rèn)為：網(wǎng)壓異常波動現(xiàn)象是由于供電系統(tǒng)阻抗與和諧型HXD大功率交直交電力機(jī)車阻抗不匹配所引起的，減小供電系統(tǒng)阻抗或者增大電力機(jī)車等效阻抗均能抑制網(wǎng)壓波動，因此，可從電力機(jī)車和牽引網(wǎng)阻抗兩方面入手來有效抑制網(wǎng)壓的異常波動。

（2）網(wǎng)壓波動初期治理。一是通過增大電力機(jī)車等效阻抗為手段，該方法相對易操作，集團(tuán)公司于2013年多次組織HXD2B電力機(jī)車主機(jī)廠人員到現(xiàn)場調(diào)試參數(shù)、升級調(diào)整機(jī)車控制系統(tǒng)，使得網(wǎng)壓波動從2014年的593次下降到2015年的102次，但仍無法徹底解決該現(xiàn)象，說明調(diào)節(jié)電力機(jī)車控制系統(tǒng)的的技術(shù)參數(shù)有一定的局限性，特別是在供電系統(tǒng)復(fù)雜、機(jī)車型號繁雜的徐州鐵路樞紐，將無法根治該類問題。二是通過減小供電系統(tǒng)阻抗為手段，2014年集團(tuán)公司先后多次組織設(shè)備管理單位、設(shè)計(jì)院開展現(xiàn)場聯(lián)合調(diào)查和技術(shù)測試，通過調(diào)整牽引變電所主變壓器檔位、合并樞紐內(nèi)供電單元、投切電容補(bǔ)償裝置等多種措施，但治理效果并不理想。

1.5 綜合分析與下一步治理方案。

上述通過增大機(jī)車等效阻抗的手段因有一定的局限性，不能徹底解決網(wǎng)壓波動問題；而調(diào)整牽引變電所主變壓器的分接開關(guān)、減小供電線阻抗等措施對降低供電牽引網(wǎng)回路阻抗的效果也不明顯。為此，在減小牽引網(wǎng)等效阻抗方面，需重新考慮新的方法，通過對供電系統(tǒng)各類技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行精密的計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，經(jīng)過技術(shù)參數(shù)的比對分析和論證，大家認(rèn)為：采取增大徐州鐵路樞紐的供電系統(tǒng)短路容量、加大牽引變壓器安裝容量的方案，可顯著減小變壓器阻抗，將大大降低供電系統(tǒng)阻抗。該方案既可有效解決徐州樞紐網(wǎng)壓波動而產(chǎn)生振蕩的問題；又可增大主變壓器的供電容量，避免主變壓器實(shí)施超負(fù)荷運(yùn)行，提高供電可靠性。雖然該方案的經(jīng)濟(jì)成本短時(shí)較高，但在技術(shù)上是具備可操作性的、實(shí)施效果是顯著的。

2 項(xiàng)目的立項(xiàng)與實(shí)施

2.1 項(xiàng)目的審批立項(xiàng)與投資

徐州樞紐作為集團(tuán)公司的北大門，在全年完成鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)任務(wù)的指標(biāo)上有著舉足輕重的作用。為確保徐州樞紐運(yùn)輸安全和供電可靠，及時(shí)消除行車設(shè)備安全隱患，進(jìn)一步提高運(yùn)輸能力，經(jīng)集團(tuán)公司充分論證、研究項(xiàng)目實(shí)施的必要性后，按照技術(shù)改造項(xiàng)目決策程序?qū)π熘荼睜恳冸娝鶎?shí)施增容改造項(xiàng)目進(jìn)行審批立項(xiàng)。項(xiàng)目立項(xiàng)后，集團(tuán)公司批復(fù)項(xiàng)目工程投資估算為982萬元，項(xiàng)目竣工決算為772.87萬元，工程實(shí)施中投資節(jié)省209.13萬元，主要原因是設(shè)備及工程費(fèi)用的中標(biāo)價(jià)格低于前期預(yù)算價(jià)格。

2.1 項(xiàng)目的實(shí)施

（1）項(xiàng)目主要工程量包括：牽引變電所2臺既有平衡牽引變壓器的供電容量由31.5 MVA增容至50 MVA，主變壓器低壓側(cè)電流互感器、主變壓器回流扁鋼同步實(shí)施增容，接地網(wǎng)進(jìn)行局部（同回流有關(guān)）增容、補(bǔ)強(qiáng)，更換高壓室母排、支持絕緣子，更換室外高壓場地軟母線和引下線，更換室外端子箱和回流電纜等。

（2）項(xiàng)目工程于2017年3月18日開工，2017年6月20日竣工，是集團(tuán)公司首個(gè)僅采用電纜過渡供電而實(shí)現(xiàn)樞紐牽引變電所供電設(shè)備大面積技術(shù)改造的建設(shè)項(xiàng)目。牽引變電所主變壓器實(shí)施擴(kuò)容改造后，供電容量增大了1.59倍，能滿足徐州樞紐內(nèi)電力機(jī)車、高鐵動車組日益增長的運(yùn)行負(fù)荷需求；同時(shí)，對新投運(yùn)的主變壓器重新測算分析供電牽引網(wǎng)等效阻抗，供電系統(tǒng)等效阻抗可直接降低20%以上，同步再降低變壓器的短路電壓百分?jǐn)?shù)（Ud%），由現(xiàn)在10.54%降低到8%內(nèi)，可進(jìn)一步降低供電系統(tǒng)阻抗12%以上，由此可見，這次改造對降低牽引網(wǎng)等效阻抗的效果非常明顯。

3 項(xiàng)目實(shí)施后的安全效益、經(jīng)濟(jì)效益

3.1 安全效益

2017年7月，上海局集團(tuán)公司再次組織鐵科院、西南交大學(xué)電氣工程學(xué)院在徐州樞紐徐州北牽引變電所、徐州北開閉所、徐州機(jī)務(wù)段進(jìn)行了牽引網(wǎng)低頻網(wǎng)壓波動相關(guān)電氣參數(shù)的測試，但測試儀器未測到低頻網(wǎng)壓波動數(shù)據(jù)和波形。

根據(jù)徐州供電段提供的網(wǎng)壓波動逐年監(jiān)測數(shù)據(jù)，截至2020年5月30日，徐州北牽引變電所每年網(wǎng)壓波動次數(shù)如圖1所示。由圖1中可知，2017年項(xiàng)目投入后，網(wǎng)壓波動現(xiàn)象大為減少，尤其是2018和2019年網(wǎng)壓波動次數(shù)為0。

圖1 徐州北變電所網(wǎng)壓波動統(tǒng)計(jì)

牽引網(wǎng)低頻網(wǎng)壓波動往往會影響電力機(jī)車正常牽引和整備，擾亂運(yùn)輸秩序，造成客、貨列車晚點(diǎn)或無法正常行車。通過對牽引變電所主變壓器增容及重新采用低阻抗變壓器，提高了牽引供電系統(tǒng)的供電能力及對電力機(jī)車的阻抗比，有效解決了樞紐內(nèi)多臺HXD2B等大功率交直交電力機(jī)車靜置升弓同時(shí)取流整備時(shí)引起的低頻網(wǎng)壓波動問題，避免了電力機(jī)車牽引閉鎖現(xiàn)象的發(fā)生，保障了徐州樞紐鐵路運(yùn)輸秩序。另外，網(wǎng)壓波動時(shí)，電力機(jī)車司機(jī)在高溫或嚴(yán)寒環(huán)境下無法升弓取流，無法完成機(jī)車內(nèi)的降溫或取暖以及風(fēng)泵打風(fēng)等整備工序。從運(yùn)輸組織及職工的工作環(huán)境上，項(xiàng)目投運(yùn)后均具有顯著的社會安全價(jià)值。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

通過對徐州北牽引變電所主變壓器進(jìn)行增容改造，有效抑制了牽引網(wǎng)低頻網(wǎng)壓波動，消除了由于網(wǎng)壓波動造成電力機(jī)車牽引供電單元閉鎖而無法正常開車的現(xiàn)象，保障了徐州樞紐鐵路運(yùn)輸秩序，也減少了電力機(jī)車、牽引供電系統(tǒng)設(shè)備的故障率。另外，供電容量增大后可以同步提高運(yùn)輸能力，樞紐內(nèi)可多開行客貨運(yùn)列車對數(shù)。項(xiàng)目投運(yùn)后，從增加運(yùn)能、減少設(shè)備故障帶來生產(chǎn)成本上進(jìn)行初步測算、分析，上述增收、節(jié)支所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，每年至少可達(dá)1 200萬元/年。對于徐州北牽引變電所主變壓器增容改造時(shí)所投資的772.87萬元，不但在項(xiàng)目投運(yùn)1年內(nèi)集團(tuán)公司能夠收回成本，而且該項(xiàng)目每年還能顯著產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

4 項(xiàng)目投運(yùn)后的思考與投資意義分析

徐州北牽引變電所主變壓器增容改造項(xiàng)目投運(yùn)若干年后，集團(tuán)公司認(rèn)真組織開展項(xiàng)目后評價(jià)追蹤分析，通過對照項(xiàng)目可行性研究報(bào)告及審批文件的主要內(nèi)容，與項(xiàng)目建成后所達(dá)到的實(shí)際效果進(jìn)行對比分析，經(jīng)研究確認(rèn)，本次改造大大地補(bǔ)強(qiáng)了徐州鐵路樞紐的供電能力，提高了供電設(shè)備可靠性，極大地改善了制約鐵路運(yùn)能發(fā)展的瓶頸指標(biāo)，有效地提升了鐵路運(yùn)量，保障了樞紐內(nèi)電力機(jī)車、高鐵動車組的運(yùn)行安全。

該項(xiàng)目不僅已完成審批立項(xiàng)時(shí)所取得的預(yù)定目標(biāo)，而且還在完成徐州鐵路樞紐運(yùn)輸組織生產(chǎn)任務(wù)及改善職工的工作環(huán)境方面帶來了顯著的社會安全和經(jīng)濟(jì)效益?？偨Y(jié)項(xiàng)目在立項(xiàng)和實(shí)施過程，通過開展充分的前期研究和技術(shù)分析，是非常有必要的，既能快速有效解決現(xiàn)場生產(chǎn)的問題和安全隱患，又能及時(shí)收回投資成本、持續(xù)收獲項(xiàng)目投運(yùn)后的投資效益，從而證明，安排該項(xiàng)目的投資是科學(xué)合理的。

同時(shí)，通過及時(shí)總結(jié)該項(xiàng)目的立項(xiàng)研究、實(shí)施過程中的投資經(jīng)驗(yàn)，既為鐵路重大技改造項(xiàng)目的投資分析積累了寶貴財(cái)富，又有利于集團(tuán)公司進(jìn)一步加強(qiáng)和改進(jìn)技術(shù)改造項(xiàng)目的立項(xiàng)管理，不斷提高了技術(shù)改造投資決策管理水平。

5 結(jié)束語

針對供電系統(tǒng)復(fù)雜、電力機(jī)車型號繁雜的鐵路樞紐，遇到發(fā)生牽引變電所過負(fù)荷報(bào)警和網(wǎng)壓波動等故障時(shí)，實(shí)施牽引變電所主壓器增容改造是一項(xiàng)值得分析和考慮的投資方案，對補(bǔ)強(qiáng)供電能力短板、提高運(yùn)輸能力、消除行車設(shè)備安全隱患具有很好的借鑒意義。同時(shí)，通過及時(shí)總結(jié)實(shí)施、運(yùn)行該類設(shè)備的技術(shù)改造經(jīng)驗(yàn)，可進(jìn)一步優(yōu)化相關(guān)專業(yè)類設(shè)備實(shí)施技術(shù)改造的投資立項(xiàng)方法，在不斷完善投資決策水平方面有很好的參考價(jià)值。