高速铁路牵引供电系统的供电可靠性评估方法曹琛

高速铁路牵引供电系统的供电可靠性评估方法曹琛

曹琛

济南局集团公司青岛供电段山东青岛266071

摘要：随着我国铁路电气化的稳步推进及高速铁路的跨越式发展，接触网成为铁路运输保障设备的重要组成部分，但由于点多面广和设备复杂，接触网同时也成为其中一个薄弱环节，一旦发生接触网故障，牵引机车无法运行，将给铁路的运输秩序带来严重干扰，影响人民群众的安全出行及大额物资的顺利转运。所以，接触网的安全稳定运行，也成为铁路交通领域关系国计民生的重要一环。基于目前高速铁路牵引供电设备设施运行及管理现状，引入全寿命周期成本理论并创建模型，分析了影响高速铁路牵引供电设备全寿命周期成本的主要因素，提出应用全寿命周期成本理论进行牵引供电设备设施管理的对策建议。

关键词：供电系统；方案比选；可靠性

引言

随着时代的发展和人民生活水平提高，国家及民众对于铁路交通越来越重视，各地区各类型的高速铁路不断兴建，高速铁路的建设成为近年来建筑行业的热点。现代高速铁路人流量非常大，并且全天24小时无间断运营。设备昂贵，功能复杂，可靠性要求高，所以不允许出现电气事故，否则可能对人身安全造成危害，同时也会使电力设备受到损坏，造成大量经济损失。因高速铁路牵引的电气设备种类及结构的复杂性和特殊性，以及大型铁路交通设备的不断创新和精细化，高速铁路电气设计的要求也越来越高。高速铁路电气设计的可靠性和安全性是近年来电气设计行业关注的重点，提高其供配电可靠性的同时，保证其经济性将具有十分重要的应用价值和研究意义。

1主要牵引供电制式

电气化铁路采用单相交流牵引供电，但是各国的牵引供电制式有所不同。德国等中、北欧国家因历史原因采用16.7Hz单相交流供电制式，法国、英国等国家电网电压等级高、短路容量大，采用单相变压器为铁路供电，而日本受某些地区薄弱电网影响采用Scott平衡变压器为铁路供电。我国电气化铁路采用单相工频交流牵引供电方式[6]，受地区电网特点影响，变压器接线形式多样。

2供电方案及可靠性分析

2.1供电方案设计思路

本项目拟从铁路220/35/10kV牵引变电站两段不同10kV母线段引来4路10kV电源（编号分别为A、B、C、D），其中A、C进线引自同一段母线，B、D进线引自另一段母线。一般常规的供电方案，由开闭所引出电源供电线路，在负荷侧设置变配电所，经过变配电所降压然后向用电设备供电。目前新型的供电方式有直配供电，即从电厂直接以发电机电压向用户供电的变电站则称为直配变电站。开闭所，其作用是把变电站送来的一路电源，通过在“开闭所”里设置的多台开关柜，把电输送到需要用电的若干个区域或不同的建筑物里，电压不变。变配电所是电力网中的线路连接点，是用以变换电压、交换功率和汇集、分配电能的设施。它主要由主变压器、配电装置及测量、控制系统等构成，是电网的重要组成部分和电能传输的重要环节，对保证电网安全、经济运行具有举足轻重的作用。

2.2供电方案的可靠性分析

通过以上设计的供电方案，根据各方案的区别，在分析各供电方案的优点和缺点时，总结需要考虑以下几个因素。1）供电电源进线集中，供电电源及设备种类一一配对会更方便计量，更容易管理。相反供电电源不集中，多供电电源对多种类设备交叉供电会导致计量和管理的不方便，需要采取其他措施计量管理，目前已经有比较好的网络监测系统可以统一监控管理。2）配电级数多会导致供配电系统更加复杂，供配电系统的可靠性会降低，同时不利于日后系统的扩展及开关的选择。配电级数少可靠性得到了提高，供配电系统覆盖的范围也会增大，所以一旦发生故障则影响范围更大，要求很高的供电可靠性。3）供电电源回路供电负荷不均匀会导致负荷较大的回路对设备及材料的要求更高，老化损坏速度更快，同时供电负荷不均匀还会导致电能损耗增大，需要尽量避免。4）10kV电压等级的设备造价较高，体积较大，同时10kV配电需要高压电缆，费用较高，且可能含有辐射影响。

3供电可靠性对策

3.1牵引供电设备基础数据库的建立与完善

对设备寿命周期费用进行预估应尽可能准确地根据现有资料和信息，并掌握第一手完备的全寿命周期成本信息。以设备选型和论证为出发点，对各阶段设备服役性的评估应尽量依据详细的记录并经过慎重考评。对原始数据进行比对、分析，建立高速铁路牵引供电设备设施全寿命周期各阶段的衔接，优化牵引供电设备管理过程，形成完备、统一的设备台账和数据系统。建立完备、准确的基础数据库是进行HSRT-LCC管理的前置条件。

3.2“绿色”牵引供电系统技术

随着电力电子技术的不断进步，制约电气化铁路发展的电分相问题和电能质量问题将得到很好的解决。我国乃至世界新能源发展迅速，铁路作为电能的消耗大户也应顺应这一潮流，提高新能源在铁路供电中的占比，不仅包括动力用电，还应包括牵引供电。德国等欧洲国家相继提出提高铁路新能源用电占比，德国甚至提出至2050年，德国列车将完全采用新能源供电，实现电气化铁路零碳排放。电气化铁路再生制动能量利用率低，降低电气化铁路碳排放需将再生制动能量利用和新能源结合。再生制动能量通过储能系统对牵引供电削峰填谷，将列车制动能量存储用于列车加速工况下使用，降低牵引供电系统安装容量。

3.3创建高速铁路牵引供电设备信息管理系统

由于牵引供电系统的全寿命管理涉及复杂的计算模型，并非简单的数字加减，同一设备的故障形式多样，运营维护成本计算也越来越繁杂，需要创建科学合理的运维信息管理评价体系，该系统可利用大数据分析对高速铁路牵引供电设备的原始数据进行管理及统计分析，可大大降低设备成本核算的工作量和人工费用。随着设备的日益精益化管理，对设备的各项性能指标分析的需求越来越大，以信息化方式管理牵引供电设备是必然趋势。

3.4不断开创运维新模式，完善基础数据库

在HSRT-LCC中，设备的后期运营维护管理费用占比较大，部分设备的运行和维护成本甚至占全寿命周期成本的一半以上，因此有必要创新研究高速铁路牵引供电系统运维新模式。应用以可靠性为中心的维护机制，可大大降低维护阶段的LCC。与此同时，可在每一过程建立基础数据采集系统，通过每笔支出获得准确、反应现场实际应用的第一手资料，并提供科学、合理的计算依据和评价标准。

结语

对于高速铁路牵引供电系统的管理、计量和其他操作简单但很繁琐且复杂，需要消耗大量人力等的问题在当今自动化系统发展迅速的时代，已经可以由自动化系统解决，所以供电系统设计的首要义务就是能够具有更高的供电可靠性，其次，需要考虑的是建设成本等问题。高速铁路牵引供电设备全寿命周期管理是一项复杂、全面、有意义的工作。运用全寿命周期管理理念和方式对高速铁路牵引供电设备进行统筹规划及管理将是未来发展的方向。

参考文献：

[1]李群湛.论新一代牵引供电系统及其关键技术[J].西南交通大学学报，2014，49（5）：559-568.

[2]周福林.同相供电系统结构与控制策略研究[D].西南交通大学，2012.

[3]何常红，吴广宁，张雪原，等.世界高速电气化铁道电能质量现状及治理措施[J].电气化铁道，2008（1）：1-5.

[4]赵强，张润宝，薛玉霞，等.牵引变电所换相连接方式研究[J].电气化铁道，2010（2）：28-31.

[5]仲川滋.欧洲与日本高速铁路的发展动向[J].大功率变流技术，2000（3）：1-6.

[6]李群湛，贺建闽.牵引供电系统分析[M].成都：西南交通大学出版社，2007.