電氣化鐵路牽引供電容量?jī)?yōu)化的研究

文穩(wěn)利

（中鐵十七局集團(tuán)電氣化工程有限公司，山西太原030000）

0 引言

近年來(lái)，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷加快的同時(shí)，對(duì)于鐵路運(yùn)力的需求在不斷提高，特別是在電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)方面，要求明顯提升。當(dāng)前，已經(jīng)投入運(yùn)行的電氣化鐵路在初期的運(yùn)量普遍偏低，暴露出來(lái)的問(wèn)題頗多。對(duì)此，技術(shù)人員要加強(qiáng)關(guān)注，將重點(diǎn)放在容量問(wèn)題方面，深入剖析和研究，不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，促進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)而從整體的角度上提升效益。

1 電氣化鐵路牽引供電容量?jī)?yōu)化的必要性

1.1 電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)概述

在鐵路系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，牽引供電系統(tǒng)是其中極為重要的部分，可以確保系統(tǒng)能力得到充分發(fā)揮。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用期間，為鐵路列車(chē)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供保障，為列車(chē)提供質(zhì)量更高且更加穩(wěn)定的電能。與一般的線路所存在的問(wèn)題區(qū)別很大，因?yàn)殡姎饣F路中電力牽引系統(tǒng)所需要的牽引功率要比常規(guī)大許多，因此對(duì)電力水平也有很高的要求，弓網(wǎng)作用關(guān)系的煩瑣性明顯。所以，這種特點(diǎn)的出現(xiàn)，使得對(duì)其牽引供電系統(tǒng)的供電能力提出了更高要求，電力穩(wěn)定性也較強(qiáng)，只有在各種條件下均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，輸送給列車(chē)的電力才會(huì)安全而有效。同時(shí)，鐵路的牽引系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)階段，對(duì)功率要求較大、諧波含量低等特征也比較明顯[1]。

1.2 牽引供電系統(tǒng)構(gòu)成

鐵路大多應(yīng)用的是電力機(jī)車(chē)牽引，需要的功率比較大，速度極快，要想保證電能充足，需要有專(zhuān)門(mén)的外部設(shè)備作保障。而針對(duì)牽引供電而言，具體是指在電氣化鐵路上由動(dòng)力系統(tǒng)向輸電網(wǎng)絡(luò)接引供電，經(jīng)過(guò)降壓轉(zhuǎn)換后，將電能直接輸送給為電力機(jī)車(chē)供電的電力網(wǎng)絡(luò)。在當(dāng)前鐵路運(yùn)行階段，應(yīng)用的牽引供電系統(tǒng)實(shí)際可以分成兩個(gè)方面，一方面為牽引變電所，另一方面為牽引網(wǎng)。其中，牽引變電所發(fā)揮的經(jīng)濟(jì)價(jià)值極大，可轉(zhuǎn)換為電力，也可以對(duì)電能?chē)?yán)格控制。在實(shí)際的工作中，對(duì)電力系統(tǒng)所供給的電能合理變化，以保證能夠適應(yīng)電力牽引系統(tǒng)及其供電方案所要求的電能，以便真正意義上實(shí)現(xiàn)三相交流一次供電和單相電力牽引系統(tǒng)共同變化的目標(biāo)。在轉(zhuǎn)變過(guò)程中，牽引變壓器屬于至關(guān)重要的部件。而對(duì)牽引網(wǎng)來(lái)說(shuō)，能使電力機(jī)車(chē)直接送電的工作已經(jīng)完成。而對(duì)于牽引網(wǎng)而言，能將電力機(jī)車(chē)送電的工作順利完成。通常情況下，在鐵路沿線，建立的牽引變電所很多，數(shù)量能達(dá)到上千個(gè)，可以將110kV、220kV 的電壓借助先進(jìn)的技術(shù)手段，合理轉(zhuǎn)變?yōu)?7.5kV、2×27.5kV 的電壓，之后再經(jīng)過(guò)牽引網(wǎng)，順利將電力機(jī)車(chē)供電過(guò)程全部完成。由于供電方式存在的差異性很顯著，所以在牽引網(wǎng)內(nèi)部，還囊括了很多輔助設(shè)施[2]。

1.3 鐵路牽引變電所主變壓器接線

所謂的牽引變壓器，是牽引系統(tǒng)供電中非常重要的裝置之一，起到的影響較大，其形式的選用與牽引供電能力和工程投資等有直接關(guān)系。如果所選用牽引變壓器與接線形式之間存在的差異過(guò)多，會(huì)造成整個(gè)供電系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行速度不平衡的狀況。其中，牽引變壓器是整個(gè)牽引變電所中的重點(diǎn)裝置，一般有兩個(gè)，一主一備，定期倒換運(yùn)行。由于技術(shù)水平的不斷提升，我國(guó)在高速鐵路方面的投入也越來(lái)越多，從各個(gè)方面進(jìn)行了規(guī)劃，整體的速度更快，密度也明顯上升，有效提升了牽引供電主變壓器和外部電源能力，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。就目前來(lái)看，電氣化鐵路應(yīng)用的牽引變壓器接線形式類(lèi)型非常多，依照我國(guó)規(guī)劃的鐵路現(xiàn)狀可以看出，純單相接線這種設(shè)計(jì)手段的使用比較常見(jiàn)。如果電源容量不大，可以對(duì)Vx 接線方式高效利用[3]。

一是純單相接線牽引變壓器。經(jīng)分析可知，單相變壓器能夠向負(fù)載供給較大電壓，而且與額定電流保持一致。與常見(jiàn)的設(shè)備不同，這種變壓器并沒(méi)有對(duì)電力產(chǎn)生太大的消耗，具有容量利用效率較高、能量消耗低、構(gòu)造簡(jiǎn)易、設(shè)備投資較少、占地面積小、運(yùn)營(yíng)維修簡(jiǎn)單、可以合理使用列車(chē)的再生制動(dòng)力系統(tǒng)等特點(diǎn)，展現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)非常多。同時(shí)，在一般條件下，使用純單相接線牽引變壓器較使用其他接地形式牽引變壓器降低一半的接觸網(wǎng)電分相量，可更好的與鐵路的高速運(yùn)動(dòng)相匹配，因此其在鐵路上也獲得了大范圍應(yīng)用。但因?yàn)槭褂迷摻拥胤绞綄?duì)電力系統(tǒng)的負(fù)序影響較大，所以這種變電所一般只應(yīng)用在供電條件較強(qiáng)的地區(qū)[4]。

二是V 接線牽引變壓器。針對(duì)這一設(shè)備來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用都比較普遍。通過(guò)對(duì)V 接線牽引變壓器的研究，確定了接線牽引變壓器在實(shí)際應(yīng)用期間，次邊繞組電流與供電臂電流相同，容量能滿足既定要求，并且其供電容量也可以得以充分利用。為使接頭牽引變壓器可以更好地適應(yīng)鐵路的技術(shù)條件，將它運(yùn)用在2×27.5kV 的AT 系統(tǒng)中，可以將變電所內(nèi)的自耦變壓器全部省略，對(duì)二次側(cè)中點(diǎn)抽出式單相接線牽引變壓器進(jìn)行使用，效率更高，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性有很大幫助。

1.4 電氣化鐵路牽引供電容量?jī)?yōu)化的必要性

現(xiàn)階段，在對(duì)電氣化鐵路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要可以體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面為近期規(guī)劃，另一方面為遠(yuǎn)期規(guī)劃。在此過(guò)程中，因?yàn)闋恳到y(tǒng)是其中不能缺少的關(guān)鍵設(shè)備，所以必須以遠(yuǎn)期規(guī)劃為基礎(chǔ)，科學(xué)而合理地實(shí)施總體設(shè)計(jì)，最好達(dá)到設(shè)計(jì)一次便可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，從而使得鐵路的可持續(xù)發(fā)展要求能得以實(shí)現(xiàn)。在具體的鐵路系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)階段，其所需要的運(yùn)輸能力對(duì)牽引電力容量也會(huì)形成不同程度的影響。然而，不論是在近期計(jì)劃或遠(yuǎn)期規(guī)劃中，在實(shí)際的運(yùn)輸環(huán)節(jié)上，均有著較大區(qū)別。經(jīng)分析，近期的需求一般很小，但遠(yuǎn)期卻有著非常大的需求。

同時(shí)，由于區(qū)域的不同，經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在的差異也非常顯著，最終導(dǎo)致運(yùn)輸需求出現(xiàn)了很大的不確定性。這一情況的存在，給牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大難度，也讓設(shè)計(jì)面臨了較大挑戰(zhàn)，一旦某個(gè)環(huán)節(jié)沒(méi)有注意到，很有可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)缺乏實(shí)效性。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，若將近期運(yùn)行作為設(shè)計(jì)的依據(jù)，極易出現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)不能平穩(wěn)運(yùn)行的問(wèn)題。故而，設(shè)計(jì)人員在組織開(kāi)展電氣化鐵路牽引供電容量設(shè)計(jì)期間，必須提高重視程度，從不同角度分析和考慮，采取先進(jìn)的方式方法，加大優(yōu)化設(shè)計(jì)力度。就目前來(lái)看，已經(jīng)投入運(yùn)行的電氣化鐵路，在初期階段，運(yùn)量普遍偏低，供電能力的利用率相對(duì)較低，最終導(dǎo)致大量資源被浪費(fèi)。對(duì)此，需要將實(shí)際現(xiàn)狀作為核心，制訂靈活性更強(qiáng)的牽引供電運(yùn)行方案，在確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性以及可靠性的前提下，最大限度地節(jié)約運(yùn)行成本，以便牽引供電容量利用率能整體提升[5]。

2 電氣化鐵路牽引供電容量?jī)?yōu)化方案

當(dāng)前，針對(duì)已經(jīng)開(kāi)通的高速鐵路，在運(yùn)行的初期階段，運(yùn)量整體偏小，根本不能達(dá)到設(shè)計(jì)的發(fā)車(chē)密度，最終導(dǎo)致電氣化鐵路牽引供電能力的利用率偏低，隨之而來(lái)的便是牽引供電資源出現(xiàn)了過(guò)剩問(wèn)題，甚至還要面臨巨額運(yùn)行費(fèi)用的支出問(wèn)題，造成的后果極大，對(duì)牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的持續(xù)提升非常不利。故而，相關(guān)技術(shù)人員在研究期間，必須將電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀作為基礎(chǔ)，借助相對(duì)科學(xué)的方式，對(duì)牽引供電容量進(jìn)行不斷優(yōu)化，并有針對(duì)性地制定優(yōu)化措施。

一是將系統(tǒng)運(yùn)行的具體情況作為依托，停止部分變電所，然后讓鄰近的變電所提供電能，借助減少變電所數(shù)量的方式來(lái)對(duì)電能的利用率進(jìn)行提升，保證能從根源規(guī)避資源浪費(fèi)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)資源利用最大化。

二是在綜合現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，采取更改接線的方式，改變以往的線路，讓其從Vx 轉(zhuǎn)變?yōu)镮i，確保單相變壓器數(shù)量能合理減少，進(jìn)而達(dá)到對(duì)供電容量全面節(jié)約的目標(biāo)。

3 電氣化鐵路牽引供電容量?jī)?yōu)化方案的可行性分析

為了能到達(dá)到電氣化鐵路牽引供電容量全面優(yōu)化和改進(jìn)的目的，在實(shí)際的工作階段，相關(guān)人員應(yīng)該以制訂的優(yōu)化方案為基礎(chǔ)，對(duì)其可行性進(jìn)行綜合對(duì)比研究。在對(duì)方案進(jìn)行可行性分析環(huán)節(jié)，對(duì)牽引供電系統(tǒng)的供電指標(biāo)精準(zhǔn)計(jì)算，同時(shí)將計(jì)算的結(jié)果作為依據(jù)，借助合理的手段，對(duì)全并聯(lián)AT 供電系統(tǒng)的仿真模型加以構(gòu)建，將涉及到的內(nèi)容都涵蓋其中，注入外部電源、牽引變壓器、牽引網(wǎng)等，確保仿真模型的作用能充分凸顯出來(lái)。同時(shí)，在Matlab/Simulink 仿真平臺(tái)中，技術(shù)人員可以對(duì)模型科學(xué)建立，準(zhǔn)確地分析牽引網(wǎng)電壓水平，合理地展開(kāi)計(jì)算和研究，然后結(jié)合所獲得的數(shù)據(jù)信息，及時(shí)對(duì)三相電壓不平衡度實(shí)施校驗(yàn)工作。

在進(jìn)行三相電壓不平衡度校驗(yàn)期間，應(yīng)該從兩個(gè)方面展開(kāi)，一方面，分析全并聯(lián)AT 供電系統(tǒng)的阻抗特性，掌握實(shí)際情況，并將電氣化鐵路牽引供電容量?jī)?yōu)化方案一的牽引網(wǎng)抗阻能力比方案二弱的特點(diǎn)作為依據(jù)，合理地開(kāi)展工作。另一方面，在供電系統(tǒng)的運(yùn)行階段，對(duì)其牽引網(wǎng)電壓水平仿真進(jìn)行深入分析。通過(guò)對(duì)電氣化鐵路牽引供電容量?jī)?yōu)化方案二的研究可以明確，雖然將接線由Vx 轉(zhuǎn)變?yōu)镮i，但依然能獲得2×27.5kVAT 供電的支持，并且線路在運(yùn)行過(guò)程中，電壓一直處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

在電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行期間，通過(guò)對(duì)變壓器溫升和壽命損失情況的進(jìn)一步計(jì)算可以明確，在對(duì)電氣化鐵路牽引供電容量?jī)?yōu)化方案一和方案二進(jìn)行對(duì)比之后，具體可以體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，對(duì)部分牽引變電所采取停運(yùn)措施，在這種情況下，變壓器溫升和壽命損失會(huì)出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)的現(xiàn)象，但不會(huì)達(dá)到限值。一般情況下，溫升的最高溫度能達(dá)到140℃，壽命損失限值具體是24h，與供電容量?jī)?yōu)化的要求能達(dá)到一致。由此可見(jiàn)，方案二具有很強(qiáng)的可行性。而為了能將電氣化鐵路牽引供電容量?jī)?yōu)化方案的效果和價(jià)值充分發(fā)揮出來(lái)，相關(guān)人員在實(shí)際處理期間，應(yīng)該對(duì)變壓器溫升、壽命損失以及供電系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行之間的關(guān)聯(lián)性處理好，保證系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行期間，整個(gè)過(guò)程能更加高效且安全，減少問(wèn)題的出現(xiàn)。同時(shí)，在對(duì)電氣化鐵路牽引供電容量進(jìn)行優(yōu)化期間，為增強(qiáng)優(yōu)化的有效性，將接線改為Vx，此時(shí)，牽引變壓器溫升能達(dá)到接近140℃的限值，即便如此，壽命損失依舊與既定的限值距離很遠(yuǎn)，因此可以達(dá)到實(shí)際運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)件和需求。通過(guò)深入地分析和研究，制訂的優(yōu)化方案有很高的可行性。但需要明確的是：在對(duì)電氣化鐵路牽引供電容量?jī)?yōu)化方案二的選擇和利用過(guò)程中，相關(guān)人員必須多加留意，對(duì)變壓器壽命損失利用率的各種干擾因素充分研究，并在掌握具體情況的基礎(chǔ)上，對(duì)方案進(jìn)一步改進(jìn)，進(jìn)而增強(qiáng)方案的可行性。

4 電氣化鐵路牽引供電容量?jī)?yōu)化方案的應(yīng)用結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)對(duì)電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化方案一和方案二的分析可以確定，兩者均存在著一定的可行性，并且兩種方案均能適應(yīng)供電系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化的實(shí)際需要。

一方面，各技術(shù)指標(biāo)均能與我國(guó)既定的經(jīng)濟(jì)條件與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)相吻合，可以為電氣化鐵路列車(chē)的高效且穩(wěn)定運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

另一方面，通過(guò)對(duì)電能容量的提高與創(chuàng)新，以達(dá)到對(duì)線路建設(shè)所投入成本全面節(jié)約的目標(biāo)，并有效地對(duì)能源無(wú)意義耗費(fèi)問(wèn)題進(jìn)行了規(guī)避，盡可能地與發(fā)達(dá)國(guó)家有關(guān)節(jié)能降耗方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定保持一致，從而真正做到了綜合經(jīng)濟(jì)效益最佳的目標(biāo)，并借此為中國(guó)鐵路建設(shè)事業(yè)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程的有效推動(dòng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

牽引變壓器溫升受到的干擾因素比較多，其中最為明顯的便是牽引負(fù)荷大小的影響。如果牽引變壓器的繞組溫度達(dá)到一定限度，對(duì)變壓器產(chǎn)生的干擾極大，會(huì)導(dǎo)致變壓器壽命縮短，而一旦變壓器壽命損失，隨著溫度的不斷升高，暴露出來(lái)的問(wèn)題也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。但是，通過(guò)對(duì)優(yōu)化方案的實(shí)施和利用，雖然牽引變壓器繞組溫度、壽命損失也會(huì)跟隨牽引負(fù)荷的增加而增長(zhǎng)，但始終不會(huì)超過(guò)既定的限值，能有效促進(jìn)牽引變壓器壽命損失利用率的提升，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)容量利用率穩(wěn)定提高的目標(biāo)。因此，從溫升和壽命損失的層面考量，制訂的優(yōu)化方案十分可行。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的新時(shí)期下，對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)男枨笠裁黠@增大，在這種背景下，對(duì)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用也提出了新的要求。因此，在鐵路建設(shè)中，電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)作為不可缺少的關(guān)鍵部分，必須加強(qiáng)重視，除了要對(duì)其負(fù)載能力予以提升之外，也要盡快解決當(dāng)前存在的容量過(guò)剩問(wèn)題，保證系統(tǒng)供電能力充分利用的同時(shí)，資源還不會(huì)出現(xiàn)浪費(fèi)，切實(shí)達(dá)到電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行效益最大化目的。