牽引變電所主變過(guò)負(fù)荷分析及對(duì)策

■ 王榮利

牽引變電所變壓器是電氣化鐵路的重要供電設(shè)備，牽引變壓器的工作狀態(tài)直接影響到電氣化鐵路的運(yùn)輸能力。變壓器容量太大，會(huì)增加鐵路運(yùn)輸成本；變壓器容量太小，會(huì)影響鐵路運(yùn)輸能力。最大限度地利用牽引變壓器殘值，將帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

朔黃鐵路運(yùn)量逐年遞增，在運(yùn)輸組織上采取了增加列車密度、提高列車運(yùn)行速度、增加列車編組、開(kāi)行萬(wàn)噸列車等措施，這就對(duì)牽引變壓器帶來(lái)了很大的負(fù)荷壓力，牽引變電所過(guò)負(fù)荷越來(lái)越多，給安全供電帶來(lái)了較大隱患。

1 變壓器壽命與過(guò)負(fù)荷的關(guān)系

變壓器過(guò)負(fù)荷引起變壓器各部分溫度升高、絕緣老化、使用壽命降低，直至損壞。變壓器運(yùn)行時(shí)，其繞組和鐵芯中的電能損耗都將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使變壓器的溫度升高。這些熱量由繞組和鐵芯內(nèi)部以傳熱方式傳至導(dǎo)體或鐵芯表面， 再以對(duì)流方式傳至變壓器油中。變壓器的絕緣老化，主要是因?yàn)闇囟?、濕度、氧氣和油中劣化產(chǎn)物的影響，高溫是老化的直接原因。運(yùn)行中絕緣的工作溫度愈高，化學(xué)反應(yīng)（主要是氧化作用）進(jìn)行得愈快，引起機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度喪失得越快， 即絕緣的老化速度愈大，變壓器的使用年限也愈短。在短時(shí)嚴(yán)重過(guò)負(fù)荷時(shí)，由于繞組時(shí)間常數(shù)較小，溫度上升較快，溫升相對(duì)較高；但對(duì)于變壓器油，由于時(shí)間常數(shù)較大，溫度變化較慢。當(dāng)熱點(diǎn)溫度升高，突然超過(guò)臨界值時(shí)，在絕緣紙中可能產(chǎn)生氣泡，使變壓器整體絕緣降低，可見(jiàn)運(yùn)行溫度對(duì)變壓器壽命起著決定性的作用。油浸式變壓器繞組匝絕緣用的電纜紙，溫度為80～140 ℃時(shí)，其壽命L與溫度的關(guān)系，可用蒙特辛格（Montsinger）公式表示：

式中，θ0為保證變壓器絕緣正常壽命的繞組熱點(diǎn)溫度，θ0=98 ℃；θh為實(shí)際的繞組熱點(diǎn)溫度（℃）；Ln為θh=θ0條件下的變壓器絕緣正常壽命。

主變壓器長(zhǎng)期在過(guò)負(fù)荷情況下運(yùn)行，除考慮對(duì)主變壓器自身的危害外，還應(yīng)考慮套管、引線、隔離開(kāi)關(guān)、電流互感器等設(shè)備的過(guò)負(fù)荷能力及過(guò)電流能力。因此必須對(duì)變壓器的過(guò)負(fù)荷倍數(shù)進(jìn)行限制。

2 朔黃鐵路概況

（1）鐵路等級(jí)：國(guó)家Ⅰ級(jí)電氣化鐵路。

（2）正線數(shù)目：雙線。

（3）限制坡度：上行4‰，下行12‰。

（4）最小曲線半徑：400 m。

（5）牽引種類：電力機(jī)車。

從表2可以看出：在知識(shí)導(dǎo)入和體驗(yàn)上，浙教版以數(shù)學(xué)問(wèn)題直接進(jìn)入，但缺少知識(shí)體驗(yàn)過(guò)程，而美GMH版沒(méi)有知識(shí)導(dǎo)入，是讓學(xué)生在解決瓷磚問(wèn)題的過(guò)程中，通過(guò)平方運(yùn)算思考平方根與平方數(shù)的關(guān)系，從而引入開(kāi)平方和平方根.在知識(shí)應(yīng)用上，浙教版先以例1幫助學(xué)生鞏固開(kāi)平方和平方根的概念以及開(kāi)平方與平方的互逆關(guān)系，再以例2強(qiáng)化學(xué)生對(duì)平方根、算術(shù)平方根、負(fù)平方根的區(qū)別(見(jiàn)圖3)；而美GMH版則直接以例題來(lái)介紹正負(fù)平方根和平方根，以及平方根在解方程中的應(yīng)用(見(jiàn)圖4).相比之下，浙教版的例題安排更合理，有利于學(xué)生對(duì)不同知識(shí)點(diǎn)的區(qū)分.另外，兩版教材均以文字、符號(hào)來(lái)表征平方根的概念，且都沒(méi)有知識(shí)拓展.

（6）機(jī)車類型：SS4型機(jī)車、大功率交流機(jī)車、DF4B型機(jī)車。

（7）到發(fā)線有效長(zhǎng)：2 800 m、1 800 m或1 050 m。

（8）閉塞類型：自動(dòng)閉塞。

（9）聯(lián)鎖方式：計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、電氣集中聯(lián)鎖。

（10）列車編組：普通貨物列車C64：66輛；萬(wàn)噸貨物列車C70；116輛；C80：116輛。

（11）牽引質(zhì)量：普通貨物列車6 000 t；萬(wàn)噸貨物列車11 600 t。

（12）列車間隔：技術(shù)站普通貨物列車追蹤間隔時(shí)間為9 min；萬(wàn)噸列車追蹤間隔時(shí)間為12 min。中間站根據(jù)設(shè)備情況按黃燈開(kāi)車掌握列車追蹤間隔時(shí)間。

（13）列車運(yùn)行速度：不同區(qū)段的列車運(yùn)行速度見(jiàn)表1。

（14）機(jī)車類型、牽引重量：具體的機(jī)車類型和牽引重量見(jiàn)表2。

3 過(guò)負(fù)荷分析

3.1 過(guò)負(fù)荷概況分析

2013年1—3月，朔黃鐵路15個(gè)變電所共發(fā)生過(guò)負(fù)荷675次，過(guò)負(fù)荷主要集中在龍宮變電所227次、肅寧北變電所263次、滄州西變電所80次、狼坨子變電所28次。2013年1—3月的過(guò)負(fù)荷參數(shù)（平均值）見(jiàn)表3。

（1）過(guò)負(fù)荷跳閘分析。2012年1月—2013年4月，龍宮變電所由于過(guò)負(fù)荷Ⅱ段動(dòng)作造成跳閘共4次。2012年12月11日04：01龍宮變電所2#主變C相過(guò)負(fù)荷Ⅱ段跳閘，主變一次跳閘電流：A：133.14 A；B：363.42 A；C：260.04 A。龍宮—寧武西上行車次：S4052、S694；龍宮—寧武西下行車次：S4063、S631；龍宮—北大牛上行車次：S2070、S884、S 6 3 2；龍宮—北大牛下行車次：S2005、S963、S2163。龍宮變電所供電范圍內(nèi)共有列車10列，其中萬(wàn)噸列車5列，共計(jì)15臺(tái)機(jī)車取流。由于車流密度大，機(jī)車追蹤時(shí)間短，萬(wàn)噸機(jī)車多造成龍宮變電所過(guò)負(fù)荷Ⅱ段跳閘。

（2）典型過(guò)負(fù)荷分析。龍宮變電所的過(guò)負(fù)荷時(shí)間都非常長(zhǎng)，超過(guò)50 min的有9次，2013年前3個(gè)月中過(guò)負(fù)荷時(shí)間最長(zhǎng)的是2013年3月17日08：06的4500S，主變一次電流A：222.5 A；B：350.2 A；C：200.5 A，A相過(guò)負(fù)荷倍數(shù)為1.53倍，整個(gè)供電范圍內(nèi)共有列車11列，其中萬(wàn)噸列車4列（上行1列，下行3列），由于上行重車在該區(qū)段是下坡道，牽引負(fù)荷相對(duì)較小，主要是下行長(zhǎng)大上坡道取流大，下行12‰的坡道就在龍宮變電所的供電臂范圍內(nèi)。

3.2 過(guò)負(fù)荷原因分析

表1 列車運(yùn)行速度

表2 機(jī)車類型和牽引重量

表3 2013年1—3月過(guò)負(fù)荷參數(shù)（平均值）

（1）列車的載重量增大。隨著運(yùn)量的增加，朔黃鐵路牽引重量由原來(lái)的全部小列5 676 t增長(zhǎng)到現(xiàn)在部分萬(wàn)噸列11 352 t（C64車型）、10 788 t（C70車型）和11 600 t（C80車型），由于列車取流加大，造成牽引變電所主變壓器過(guò)負(fù)荷次數(shù)增加。

（2）列車通過(guò)對(duì)數(shù)增加。朔黃鐵路由原來(lái)的每天130多對(duì)小列增加到現(xiàn)在的160多對(duì)小列和萬(wàn)噸列混跑，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的列車對(duì)數(shù)增多，牽引力加大，牽引變電所輸出的電流增大，造成主變壓器過(guò)負(fù)荷次數(shù)增加。

（3）線路坡度大。朔黃鐵路線路特點(diǎn)是由西部山區(qū)逐步過(guò)渡到東部平原，東部平原的坡度很小，長(zhǎng)大坡道主要集中在原平南—神池南，平均坡度為6‰左右，最大上坡道為12‰左右。線路的夾角大，坡道長(zhǎng)，列車牽引分力和水平分力越大，列車取流越大，造成主變壓器過(guò)負(fù)荷次數(shù)增加。

4 采取的對(duì)策

（1）增大牽引變壓器的容量。通過(guò)增大牽引變壓器的容量，并采用V/X接線方式的牽引變壓器。一臺(tái)額定容量一定的這種牽引變壓器其負(fù)載能力可提高一個(gè)容量級(jí)，過(guò)載能力可提高約25%，可節(jié)省容量20%～22%，可以節(jié)省電氣化鐵路的基建投資和運(yùn)營(yíng)成本。在減少基本電費(fèi)方面，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益尤為顯著。隨著列車牽引重量和列車密度的雙增加，更換大容量、利用率更高的V/X接線方式的變壓器已提上日程，公司有關(guān)部門正在積極與地方電業(yè)局聯(lián)系外部電源改造及主變壓器增容的事宜，目前這種“小馬拉大車”的情況馬上就能改觀。

（2）均衡運(yùn)輸。減少列車集中啟動(dòng)、集中加速，盡量做到上、下行均衡運(yùn)輸。目前過(guò)負(fù)荷情況最嚴(yán)重的就是龍宮變電所，在主變壓器增容之前，按主變壓器1.8倍額定容量來(lái)計(jì)算，需要對(duì)龍宮變電所供電臂內(nèi)的車流密度進(jìn)行限制，結(jié)合現(xiàn)有運(yùn)行圖要求，運(yùn)行前方為萬(wàn)噸列車追蹤最小間隔控制在12 min，運(yùn)行前方為普列列車追蹤最小間隔控制在9 min，同時(shí)采取2列萬(wàn)噸列車中間加開(kāi)1列普通列車，3列萬(wàn)噸列車不連發(fā)等措施，控制同一供電臂上的列車對(duì)數(shù)，減少牽引變壓器的過(guò)負(fù)荷。

（3）加強(qiáng)設(shè)備檢修。加強(qiáng)設(shè)備檢修，提高設(shè)備檢修水平，保證一臺(tái)牽引變壓器過(guò)負(fù)荷跳閘后，另一臺(tái)牽引變壓器能及時(shí)投入，縮短全所停電時(shí)間，減少對(duì)鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)的影響。日常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)定期投切主備供牽引變壓器，使2臺(tái)變壓器能均衡使用。

（4）兩臺(tái)變壓器并列運(yùn)行。該方案在目前的情況下，完全可以滿足運(yùn)行需要，但是否經(jīng)濟(jì)，則必須考慮變壓器的實(shí)際損耗和基本電費(fèi)之間存在的矛盾。如果變壓器自身?yè)p耗產(chǎn)生的費(fèi)用大于基本電費(fèi)，則可以采用。

5 結(jié)論

目前變壓器雖然存在過(guò)負(fù)荷，但仍然可以滿足運(yùn)量需求，除龍宮變電所需要加強(qiáng)監(jiān)視測(cè)量及限制車流密度外，其他各所可以滿足運(yùn)行需要。變壓器的過(guò)負(fù)荷是一種不正常的運(yùn)行模式，但如果合理利用，對(duì)提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有顯著效果。況且，隨著運(yùn)量的增長(zhǎng)，在每次增容改造前都會(huì)遇到階段性過(guò)負(fù)荷問(wèn)題，因此對(duì)變壓器安全運(yùn)行的監(jiān)視尤為重要，建議對(duì)增容后的變壓器增加絕緣在線監(jiān)測(cè)、變壓器繞組溫度監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目，在有效的監(jiān)測(cè)措施下，變壓器的過(guò)負(fù)荷能力得到充分發(fā)揮，可最大程度地節(jié)約基本電費(fèi)。

[1] 楊乃成，李喆，馮國(guó)新. 牽引變壓器過(guò)負(fù)荷原因及對(duì)策[J]. 鐵道技術(shù)監(jiān)督，2012(1)

[2] 朔黃鐵路2013年運(yùn)行圖技術(shù)資料[G]

[3] 朔黃鐵路過(guò)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)[G]

[4] GB/T 15164—1994 油侵式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則[S]