电气化铁路牵引供电容量优化研究董腾飞

电气化铁路牵引供电容量优化研究董腾飞

董腾飞

（中铁十二局集团电气化工程有限公司河南郑州300308）

摘要：随着经济社会的发展，我国铁路建设不断加快，对牵引供电系统提出了更高的要求。当前来说，已投入运行的电气化铁路在初期的运量普遍不高，系统供电能力未得到充分的利用，也就造成了资源上的极大浪费。因此，相关技术人员应对电气化铁路牵引供电容量优化问题展开深入的分析，保证系统运行安全稳定的同时，尽可能的减少投资成本，实现效益的最大化。

关键词：电气化；铁路牵引；供电容量优化

引言：随着国民经济的快速发展，对铁路运输的需求不断增大，随之推动了我国铁路建设事业的迅速发展。同时，也对相关技术的研发提出了更高的要求。电气化铁路牵引供电系统作为重要的铁路设施，一方面提供了很强的负载能力，保证了列车的可靠运行，但另一方面也存在着容量过剩问题，系统供电能力未得到充分的利用，也就造成了资源上的很大浪费。本文对电气化铁路牵引供电容量优化问题进行了深入的探讨，提出了合理的优化方案，并进行了可行性分析，两个方案的实施都能够保证系统运行的安全稳定，确保铁路牵引供电系统运行效益的最大化。

1.电气化铁路牵引供电容量优化的意义

牵引供电系统，主要用于为列车运行提供稳定、可靠的电能，以满足列车的用电需要。其主要由牵引变电所、牵引网等组成，前者实现了电能的转换与控制，进而为列车运行提供电能支持；后者则主要是实现了电能的安全传输。在当前的铁路系统，有着众多牵引变电所，能够将110kV、220kV的电压通过相应的技术变换为27.5kV、2×27.5kV的电压，并利用牵引网，对列车进行供电。电气化铁路牵引负荷具有以下特点：（1）随机波动性。由于受到行驶过程中不同路况的影响，牵引负荷会发生一定的波动，从而对供电容量的利用率造成影响。（2）非线性。列车对电能的获取属于非线性，会形成电压波动，对供电容量也就有了不同的需求。目前，电气化铁路的设计多分为近期及远期规划。牵引供电系统作为重要的基础设备，一般要按远期运行规划做到一次设计到位，以满足铁路未来发展的需要。铁路系统所要求的输送能力对牵引供电容量有着很大的影响。但是，远、近期的运输需要存在很大差别，近期需求往往较小，远期需求往往较大。再加上不同地域在经济发展方面的影响，造成了运输需求的不确定性，也就给牵引供电系统的设计带来了很大的挑战。如果依照近期运行需要来设计，则很可能在极短的时间内出现运能不足的问题。因此，对电气化铁路牵引供电容量进行优化设计就变得尤为重要。

2.电气化铁路牵引供电方式分析

2.1牵引供电方式

由于高速铁路牵引负荷大，对牵引网供电能力要求高，期望分相和分段点数量少。目前，世界各国的高速电气化铁路均普遍采用直供带回流线的供电方式和供电式。其中，日本和法国主要采用供电方式，而德国和意大利主要采用带回流线的直接供电方式，在西班牙两种方式均有应用。相比于带回流线的直接供电方式，供电方式具有供电能力高、牵引变电所供电距离长、分相点少、防干扰效果好等优势，能更好地满足机车快速、安全的运行要求。

2.2电源电压等级

牵引变电所是电力系统和电气化铁路牵引网的联接，高速铁路的负载重，速度快，需要的牵引功率大，机车电流大，可靠性要求高，为保证满足其运行需要，所以国内外高速铁路牵引变电所均选用了较高等级的电源电压，设两回独立可靠的电源供电，互为热备用。如日本高速铁路采用供电电压、法国为、西班牙新线甚至采用电压等级；个别采用或的则要求系统有较大的系统短路容量，充分与高速铁路的高可靠性相匹配。鉴于我国高速铁路大功率动车组的高速行车需要和国家电网的发展，我国高速铁路均优先采用电源电压。

2.3牵引变压器接线型式

牵引变压器作为牵引变电所的核心部分，很大程度上决定了牵引供电系统的供电质量，通常设置一主一备台，定期倒换。各国在主变压器接线形式的选择上差别较大，日本多采用斯科特接线和变形伍德桥接线的三相一两相平衡变压器，结构比较复杂，设备安装及维修费用也较大。法国、德国、意大利和西班牙则主要采用单相变压器，法国部分也采用接线，变电所结构简单，易于维护。我国近些年来新建的高速铁路普遍采用两台单相变压器通过外部连结组合而构成的接线牵引变压器，结构相对简单、容量利用率高。牵引变压器的容量根据线路负荷条件而定，对高速铁路一般可达或，按照远期设计，容量甚至会超过。例如京沪高铁全线牵引变压器安装容量：初期，近期，远期日本新干线供电方式的变电所容量在法国东南线供电系统牵引变压器容量均为韩国新清州牵引变电所的变压器近期安装容量为备用。高速铁路牵引供电系统需要按照远期线路能力一次规划建设到位，基本上选用大容量的牵引变压器，但开通初期牵引负荷水平通常较低，达不到设计的行车密度，导致供电设备容量没能得到充分利用，实际运行负荷不能与牵引变压器容量很好地相匹配。

3.电气化铁路牵引负荷特性

3.1随机波动性

机车行驶过程中通常涉及多种运行工况，再加上运行中司机操作、不同路况等因素的影响，使牵引负荷随机波动。牵引负荷基波即时（有效）电流大幅度剧烈波动是牵引负荷过程最大的特点，并且此种波动发生的时间具有随机性、变化频繁。电力机车是移动的负载且运行工况多变，其取流不断变化，甚至某些时刻变化幅度很大。负荷的波动不但会引起牵引网供电电压的波动，还会导致主变压器低负载率运行，降低牵引供电设备的容量利用率。例如，据统计全路牵引变压器容量利用率平均约为，最低仅为5%[1]。

3.2非线性

目前我国采用的电力机车主要有交直（整流）型和交直交型电力机车（动车组）。前者牵引电机所用的直流电是由一个非线性过程得到的，故相应地称牵引负荷为非线性负荷。交直型电力机车的主要特点是功率因数低（网侧一般在左右）、谐波含量大（三次谐波电流分量占以上），成为影响电力系统经济与安全可靠运行的不良因素。后者交直交机车釆用频率、幅值都可控的交流电源，该类机车谐波含量小（三次谐波电流分量小于，且功率因数高（网侧的功率因数接近，但其负序电流及有功冲击负载引起的电压波动问题仍然存在。

3.3不对称性和单相独立性

目前牵引供电系统运行方式主要由牵引变压器接线方式决定。除纯单相接线外，都是两相（异相）供电，相对三相电力系统而言，牵引负荷具有不对称性。因此牵引负荷将在电力系统中造成三相不平衡，对电力系统的正常运行产生不良影响。其次，在正常运行时，分别位于牵引变电所两条馈线上的机车，取流过程中由于相互影响造成的电压损失是很小的，故通常可认为牵引变电所单个供电臂的取流具有单相独立性。

4.电气化铁路牵引供电容量优化方案

通过上述分析，在铁路建设的早期阶段，铁路里程相对有限，对牵引供电容量的需求不是很大，会导致一定程度的过剩问题，影响到牵引供电系统运行的经济性。因此，有关技术人员需要进一步提出牵引供电容量的优化方案。第一种：考虑将一部分变电所暂停运行，由临近的变电所提供电能，从而通过减少变电所数量来提升电能的利用率。第二种：更改接线，由传统的Vx转变为Ii，可以减少单相变压器数量，从而节省供电容量[2]。

5.对方案的可行性分析

5.1全并联牵引供电系统仿真模型

高速电气化铁路（含客运专线）的牵引负荷为型动车组，与普速铁路列车相比，牵引机车功率大、接触网电流大以及整个供电设备规模等均要加大。速度快、高峰时段行车密度大，需要大容量供电的有效供电方式。目前世界高速铁路供电方式主要为日本模式和法国模式。京沪高速铁路釆用变电所出口不设馈线的全并联供电系统。全并联供电方式是在复线供电方式的基础上，将上、下行供电网的接触网、钢轨和负馈线在变电所出口处及所都进行了并联而形成的一种供电方式。牵引供电系统主要包括牵引变电所以及牵引网。文章在仿真环境中结合京沪高速铁路的相关参数，建立全并联复线牵引供电系统中牵引变电所、自稱变压器、牵引网等各个模块的仿真模型，依照优化方案对全并联供电系统进行改造，研究牵引网电压水平。

5.2牵引变压器仿真模型

目前，接线牵引变压器己成为我国高速铁路牵引变压器的首选，在京津、郑西客运专线中均有应用。京沪高铁牵引变电所中的牵引变压器亦采用三相结线型式，由两台等容的二次侧中点抽出式单相变压器通过外部连结组合而构成结线牵引变压器，每座牵引变电所共设四台单相牵引变压器[3]。

5.3可行性分析

为实现电气化铁路牵引供电容量的优化，要对提出的优化方案进行可行性分析。该过程需要对供电指标进行计算分析，通过构建全并联AT供电系统的仿真模型，包括外部电源、牵引变压器、牵引网等，基于Matlab/Simulink仿真平台来建立模型，对相应的供电指标进行计算，并对某些数据进行校验。首先，需要进行的是阻抗特性分析，结果表明，方案一的牵引网抗阻能力低于方案二；其次，对牵引网电压水平进行仿真分析，结果表明，方案二中，尽管将接线更改为Ii，但仍然能够顺利实现2×27.5kVAT供电的支持，且运行稳定。对变压器温升和寿命损失情况进行对比分析如下：首先，我们将一部分牵引变电所暂停运行，变压器温升和寿命损失有所升高，但并未达到限值（一般来说，温升的限值为140℃，寿命损失的限值为24小时），可以满足供电容量优化的需要，该方案具有一定的可行性。要想进一步发挥该方案的优势，技术人员要在有效控制变压器温升、寿命损失的同时，尽量实现供电容量的优化。其次，将接线更改为Ii后，变压器温升尽管已接近140℃，但寿命损失远未达到限值，同样可以满足安全运行的需要，该方案同样具有可行性。不过，要特别注意的一点是，如果选择方案二进行优化，应着重考虑到变压器寿命损失的有关限制因素[4]。

5.4结果分析

通过对方案一、方案二的可行性分析可知，两个方案都能够满足供电容量优化的需要。一方面，相关的技术指标均符合国家给定的规范标准，能够确保铁路列车的安全运行。另一方面，通过对供电容量的优化，都能减少铁路建设的投资成本，既避免了电能的无意义浪费，符合国家节能降耗的要求，又实现了综合效益的最大化，能够推动我国铁路建设事业的迅速发展。

结论：

简而言之，近年来，我国铁路事业取得了跨越式的发展，铁路里程不断增加，运行质量不断提高，同时也对相关技术提出了更高的要求。当前，电气化铁路牵引供电系统的应用，有着很强的负载能力，但容量过剩现象却一直存在，造成一定的资源浪费，因此对供电容量优化问题进行探讨是极为必要的。本文就电气化铁路牵引供电容量优化问题展开研究[5]。

参考文献：

[1]陈宏伟，江全元.电气化铁路牵引变电所位置及安装容量优化设计[J].电力系统及其自动化学报，2016，28（11）：104-110.

[2]罗培，陈跃辉，罗隆福，等.铁路电能质量控制系统容量优化设计[J].电工技术学报，2018，31（8）：181-188.

[3]王雅婷.同相牵引供电系统牵引变压器容量优化设计[J].铁道机车车辆，2017，37（3）：64-66.

[4]楚振宇，吴命利，张劲，等三相接线和单相接线牵引变压器的组合应用铁道学报，201813（01）：112-116.