電氣化鐵路機(jī)車牽引傳動(dòng)供電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許向陽

（中鐵十一局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，湖北 武漢 430074）

1 我國電氣化鐵路以及相關(guān)系統(tǒng)的綜述

我國安全電氣化鐵路的安全系統(tǒng)牽引行動(dòng)供電安全系統(tǒng)之所以出現(xiàn)，主要部分是因?yàn)榘踩姎饣F路所產(chǎn)生需要的安全牽引電能太大，而對(duì)于我國的安全電氣化鐵路本身卻完全沒有什么辦法，能夠承載這些相關(guān)安全電能所產(chǎn)生特殊牽引電流中的能量。所以我國安全電氣化鐵路安全牽引行動(dòng)供電安全系統(tǒng)，主要部分是通過我國鐵路安全牽引變電所如圖1 所示，以及安全鐵路牽引變電網(wǎng)這兩個(gè)部分共同連接組成的。其中我國鐵路安全牽引變電所基本要求是依據(jù)真實(shí)鐵路用電量的需求情況來進(jìn)行轉(zhuǎn)變牽引電力，通常我們利用的鐵路牽引變電所主要部分是由開閉所、分區(qū)亭、電氣化鐵路牽引行動(dòng)變電器以及相關(guān)的鐵路牽引行動(dòng)變電安全監(jiān)測儀器所共同連接構(gòu)成。而我們?nèi)粘Ｊ褂玫蔫F路牽引變電網(wǎng)，主要部分是把鐵路牽引變電所中所有需要轉(zhuǎn)換的牽引電力安全信號(hào)，供應(yīng)連接到其所對(duì)應(yīng)的牽引行動(dòng)式發(fā)電機(jī)和制動(dòng)車上，牽引變電網(wǎng)主要部分是由牽引電壓控制接觸網(wǎng)、正和負(fù)反饋牽引電線、軌道供電回路和其他相關(guān)的牽引回流供電線路共同連接構(gòu)成[1]。

圖1 牽引變電所

2 牽引供電系統(tǒng)供電方式概述

從目前情況來看，世界廣大范圍內(nèi)的我國高速鐵路供電建設(shè)已經(jīng)初步取得了十分可觀的發(fā)展成效，高速鐵路建設(shè)中的高速牽引系統(tǒng)供電管理系統(tǒng)也已經(jīng)成為目前人們非常關(guān)注和開展研究的一項(xiàng)重點(diǎn)技術(shù)內(nèi)容。這種高速牽引系統(tǒng)供電管理系統(tǒng)一般我們可以分成兩個(gè)大部分應(yīng)用來進(jìn)行分析，分別是移動(dòng)變電站和移動(dòng)接觸網(wǎng)，二者共同維護(hù)配合、共同維護(hù)運(yùn)行，這才能有效確保高速牽引系統(tǒng)供電的正常順利進(jìn)行。然而高速變電所系統(tǒng)作為高速牽引電網(wǎng)供電控制系統(tǒng)的一個(gè)核心組成部分，其主要負(fù)責(zé)是將牽引電網(wǎng)系統(tǒng)中的三相交流高壓電轉(zhuǎn)變成用于高速鐵路正常運(yùn)行所產(chǎn)生需要的剩余電能，并且對(duì)其進(jìn)行三相降壓直流供電。另外，變電站還需要將電能轉(zhuǎn)換過程完成的剩余電能輸送到鐵路接觸網(wǎng)中，確保牽引電力機(jī)車系統(tǒng)能夠從中充分調(diào)用剩余電能用以維持正常鐵路運(yùn)行。同時(shí)為了有效地地確保高速機(jī)車車輛電能服務(wù)運(yùn)行穩(wěn)定調(diào)用的安全性和穩(wěn)定性，我們還必須對(duì)高速機(jī)車電能接觸網(wǎng)的車輛電能服務(wù)運(yùn)行調(diào)用原理控制進(jìn)行一些深入性的研究，其基本原理我們可以明確地被稱作接觸電網(wǎng)，它是高速機(jī)車車輛電能服務(wù)運(yùn)行調(diào)用輸送的重要交通橋梁和電能連接重要媒介。

不難看出，接觸式電網(wǎng)本身如果能夠同時(shí)運(yùn)行承受電和輸送機(jī)車電能的多少，將來也一定會(huì)直接影響電動(dòng)機(jī)車到高速鐵路電力機(jī)車的車輛電能服務(wù)運(yùn)行穩(wěn)定調(diào)用情況。因此我們必須需要深入研究，如何采取一套安全相應(yīng)的電能管理控制方法，才可以有效保證高速機(jī)車電能接觸網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行供電，以及同時(shí)承載對(duì)機(jī)車電能的運(yùn)行調(diào)用管理能力，保證電力機(jī)車控制接觸網(wǎng)的正常工作運(yùn)行可靠性能。另外，從三相交流電動(dòng)供電系統(tǒng)控制交流電壓的基本設(shè)計(jì)原理角度和從分析結(jié)果來看，中國的交流牽引穩(wěn)定電力機(jī)車控制網(wǎng)絡(luò)，普遍需要使用所采取的調(diào)壓方式，主要是單相50Hz 的三相高壓交流變頻高壓電動(dòng)供電系統(tǒng)控制調(diào)壓方式。電網(wǎng)三相交流高壓輸出的最大控制電流電壓控制輸出電壓通常為220kV 或者110kV，而目前用于控制牽引電動(dòng)機(jī)車供電系統(tǒng)控制調(diào)壓系統(tǒng)的三相交流高壓變電所使用，需要通過接收電流檢測器得到的最大電流電壓，這種稱為交流電的高壓電。牽引電力機(jī)車直流供電系統(tǒng)控制降壓系統(tǒng)的工作原理，由于變電站一般會(huì)直接借助直流供電變壓器等直流供電控制設(shè)備，對(duì)牽引機(jī)車直流高壓后的電流源線路進(jìn)行供電整流降壓處理，還將機(jī)車高壓后的電流直接通過線路輸入輸送到電力機(jī)車供電接觸網(wǎng)中。

舉例分析，變電站通常會(huì)為新型電力機(jī)車內(nèi)部牽引傳動(dòng)母線供電設(shè)備，實(shí)際提供額定工作的電壓設(shè)定為25kV，如圖2 所示。因此新型鐵路電力機(jī)車、接觸網(wǎng)等配套機(jī)車供電系統(tǒng)設(shè)備的額定實(shí)際工作電壓也為25kV，但是目前由于我國大部分的鐵路中國境內(nèi)高速鐵路配套機(jī)車供電系統(tǒng)設(shè)備工作電壓都通常設(shè)定是110kV，這就直接導(dǎo)致使得很多電力機(jī)車供電接觸網(wǎng)和配套機(jī)車供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)不夠完善。

圖2 牽引供電系統(tǒng)

3 中國電氣化鐵路機(jī)車牽引傳動(dòng)供電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

3.1 提高牽引變電所可靠性

（1）確保供電設(shè)備的正常整體運(yùn)行質(zhì)量，避免出現(xiàn)過多的技術(shù)故障。必須根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行選擇最合理的故障處理解決方案，比如某些特殊情況下只要是需要定期更換一個(gè)零件，就已經(jīng)可以繼續(xù)維持正常設(shè)備運(yùn)行，就不必對(duì)整個(gè)供電設(shè)備零件進(jìn)行任何更換，只有這樣我們才能更好的有效保障我國高速鐵路上的牽引制動(dòng)供電設(shè)備系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)整體效益。

（2）牽引雙進(jìn)供電方法系統(tǒng)的使用變電所，一般通常情況下只能直接利用雙進(jìn)牽引供電法系統(tǒng)，為整個(gè)牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)提供主要電能。而采用牽引雙進(jìn)供電法的系統(tǒng)，本身一般是不需要具備電力發(fā)電傳輸功能的，其所有的主要電力使用能源都只是來自于一個(gè)國家電網(wǎng)，因此在國家電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性已經(jīng)出現(xiàn)重大問題的時(shí)候，牽引雙進(jìn)供電法的系統(tǒng)必定會(huì)同時(shí)發(fā)生同樣的供電問題[2]。當(dāng)在這種情況下，牽引交流傳動(dòng)電力供電系統(tǒng)控制設(shè)備系統(tǒng)的日常設(shè)備維護(hù)，可能已經(jīng)無法完全有效率的解決這個(gè)重大問題，這無疑已經(jīng)是目前我們必須又一次需要重新認(rèn)真面對(duì)的一個(gè)重大技術(shù)難題，為了有效率的解決這種重大問題，我們同時(shí)還需要盡可能的選擇采取多一個(gè)回路多組牽引交流供電法，也就是說同時(shí)還需要考慮安排多個(gè)回路牽引交流電力供應(yīng)器的來源，以有效率的避免多個(gè)牽引交流傳動(dòng)電力供電系統(tǒng)，控制設(shè)備系統(tǒng)同時(shí)工作發(fā)生嚴(yán)重電路癱瘓。

3.2 提高牽引網(wǎng)可靠性

（1）牽引供電接觸網(wǎng)很大一部分產(chǎn)品結(jié)構(gòu)都可能是直接完全暴露于其在外的，外界的各種天氣變化因素以及外界氣候變化因素很多都可能對(duì)其產(chǎn)品質(zhì)量性能，產(chǎn)生不可忽視的直接影響。因此我們一定要努力保證提高牽引接觸網(wǎng)的額外耐腐蝕性，從提高硬件保護(hù)設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量以及額外抗腐蝕鍍層處理兩個(gè)方面進(jìn)行入手，選擇優(yōu)質(zhì)的牽引電網(wǎng)結(jié)構(gòu)材料、做好額外的鍍層處理，通過鍍層電鍍等多種方式可以提高其對(duì)牽引接觸網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)所適應(yīng)對(duì)各種外界影響的防御能力。

（2）牽引網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是我國電力機(jī)車變電所與電力牽引所等電力機(jī)車之間，互相連接傳遞電并傳輸所用電能的重要交通橋梁，承擔(dān)著十分重要的安全保護(hù)責(zé)任，因此我們必須嚴(yán)格進(jìn)行要求，保證我們組成電力牽引網(wǎng)與電力互聯(lián)網(wǎng)的每一個(gè)重要設(shè)備零件的相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量。在我們需要購進(jìn)特殊不同類型重要零件的同類產(chǎn)品的這時(shí)候，需要及時(shí)進(jìn)行記錄其重要零件安裝生產(chǎn)商的零件批號(hào)和相關(guān)零件安裝生產(chǎn)商，這樣一來在我們遇到可能發(fā)生重要零件質(zhì)量故障的特殊情況的時(shí)候，我們才能夠及時(shí)進(jìn)行追尋和檢查找到其他的零件故障來源，并且我們能夠及時(shí)找到將該零件及時(shí)安裝在工廠的安全責(zé)任管理人員，并對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的零件檢修事故補(bǔ)救和零件善后處理。

3.3 提升電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的安全分析對(duì)策

就目前情況來看，我國電氣化鐵路建設(shè)在初期的運(yùn)量普遍不高，安全供電系統(tǒng)的供電能力也沒有得到更加豐富的利用，這也就形成了建設(shè)資源上的極大浪費(fèi)。所以項(xiàng)目中相關(guān)的技術(shù)操作人員，應(yīng)該對(duì)電氣化鐵路的安全牽引供電容量逐漸優(yōu)化的問題不斷展開深入的分析討論，確保該系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)也盡可能地減少相關(guān)方面的資本投入，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。雖然對(duì)于電氣化鐵路供電牽引操作系統(tǒng)的安全可靠性討論和分析的舉措，以及相關(guān)思路都已經(jīng)逐漸完善和健全，但是鐵路整體的牽引供電系統(tǒng)同樣存在著很大的安全問題和一系列的挑戰(zhàn)，這樣就容易導(dǎo)致電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)不能夠及時(shí)依照預(yù)期討論和分析把電力不斷傳輸?shù)诫娷噭?dòng)力組，進(jìn)一步確保我國電氣化鐵路的安全運(yùn)行日常工作[3]。所以一定要采取有效的措施來提升電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的安全可靠性，進(jìn)一步確保電力動(dòng)車組需要消耗的電量應(yīng)該得到滿足。為了更好地得到我國電氣化鐵路供電牽引系統(tǒng)安全可靠性分析討論的結(jié)果，一定要確保鐵路的牽引變電器以及牽引網(wǎng)的安全設(shè)備的質(zhì)量水平，逐漸降低安全故障的發(fā)生概率，提升鐵路設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，使得我國鐵路牽引供電系統(tǒng)各種部分的零件、元件的安全質(zhì)量超過標(biāo)準(zhǔn)要求，從而可以在最大限度上減少很多不必要的安全故障發(fā)生，進(jìn)一步有效地提升我國電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的安全可靠性能。

3.4 故障診斷

高速電氣化鐵道牽引變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的高壓設(shè)備絕緣在線監(jiān)測模塊，包括對(duì)變電所的變壓器、高壓斷路器、避雷器和電容型設(shè)備的絕緣和工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，并及時(shí)對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行判斷，作出相應(yīng)的處理，以保證鐵路運(yùn)輸?shù)恼＿\(yùn)行。

隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，特別是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，可以采用總線式結(jié)構(gòu)的絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)。各個(gè)在線監(jiān)測模塊就近安裝于設(shè)備附近，具有獨(dú)立的信號(hào)提取、信號(hào)預(yù)處理、刀轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理功能，并通過現(xiàn)場總線與主機(jī)進(jìn)行通信，真正實(shí)現(xiàn)絕緣參數(shù)和工作狀態(tài)的分散式測量。在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)將被送入絕緣診斷系統(tǒng)。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、推理等人工智能技術(shù)，綜合各種離線、在線數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場人員多年寶貴和豐富的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行有效檢測[4]。并借助網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息進(jìn)行傳輸、存儲(chǔ)，及時(shí)地分析處理，給出相應(yīng)的狀態(tài)信息，以利于現(xiàn)場運(yùn)行人員及時(shí)處理，必要時(shí)也可以通過綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的其他模塊做出緊急處理，可以大大的提高整個(gè)牽引供電系統(tǒng)管理水平和自動(dòng)化程度。

4 結(jié)語

總而言之，高速鐵路干線牽引交流供電運(yùn)輸系統(tǒng)的日常維護(hù)和設(shè)備管理工作，直接決定了其系統(tǒng)整體的設(shè)備運(yùn)行服務(wù)效果，也就直接決定了推動(dòng)我國高速鐵路運(yùn)輸事業(yè)持續(xù)發(fā)展的相對(duì)穩(wěn)定性。因此在今后的相關(guān)工作中，我們必須一定要就此類的課題工作進(jìn)行進(jìn)一步的理論研究和經(jīng)驗(yàn)分析，爭取盡快找到最佳的管理措施和解決手段，提高高速牽引供電網(wǎng)和干線變電所的設(shè)備運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量，為推動(dòng)我國高速鐵路運(yùn)輸事業(yè)的持續(xù)進(jìn)步發(fā)展作出貢獻(xiàn)。