淺談運輸組織變化對列車能耗及列車電流的影響

項 楊

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淺談運輸組織變化對列車能耗及列車電流的影響

項 楊

結合京廣鐵路北京局管段運輸組織的發(fā)展趨勢，梳理了運輸組織可能發(fā)生的主要變化，通過列車牽引計算，定量分析運輸組織變化對列車能耗及列車電流的影響，為今后列車開行方案的確定和牽引供電能力的適應性研究提供依據(jù)。

牽引供電；運輸組織；列車能耗；列車電流

0 引言

鐵路牽引供電系統(tǒng)為鐵路運輸服務，其供電能力需與鐵路運輸需求相適應。在正式運營的電氣化鐵路中，既有建設標準高的高速、重載鐵路，也有大量建成于20世紀80、90年代，牽引供電系統(tǒng)標準較低的鐵路。近年來，隨著和諧號動車組及大功率和諧電力機車大量投入運行，既有線運輸能力大幅提升，但部分配套的牽引供電系統(tǒng)未及時得到升級改造，供電能力不能滿足運輸需求，制約了運輸能力的發(fā)揮。因此在運輸組織發(fā)生變化后，必須校核牽引供電系統(tǒng)供電能力的適應性，確定供電能力是否與新的運輸需求相匹配。而校核牽引供電能力，必須掌握列車能耗及列車電流的變化情況[1，2]。本文以京廣鐵路北京局管段（以下簡稱京廣線）為例，分析運輸組織的發(fā)展趨勢及運輸組織變化對列車能耗、列車電流的影響。

1 京廣線運輸組織現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.1 運輸組織現(xiàn)狀

現(xiàn)階段京廣線采用客貨混跑的運輸組織模式。根據(jù)2015年鐵路運行圖，京廣線旅客運輸主要為韶山系列、HXD系列電力機車牽引普速旅客列車和動車組（CRH5型），限速160 km/h。普通旅客列車牽引輛數(shù)17～19輛；動車組為重聯(lián)車組，16輛編組。貨物列車主要為貨運班列（運行速度 120 km/h）、普通貨運列車（含摘掛列車，運行速度80 km/h）。貨運班列牽引類型為HXD2B，牽引質量不超過2 500 t；直達、直通、區(qū)段貨運列車牽引主要由HXD2B機車承擔，牽引質量為5 500 t（超軸6 000 t）；摘掛列車牽引類型為DF4，牽引質量4 200 t（超軸4 500 t）。京廣線采用雙線自動閉塞制式，信號機按6 min追蹤間隔布置，貨車追蹤間隔7 min，部分區(qū)段8 min；客車追蹤間隔 6 min。

1.2 運輸組織發(fā)展趨勢

京廣鐵路（北京西—廣州）是貫通我國南北的重要鐵路干線，長期處于“?？蛪贺洝睜顟B(tài)，沿線貨運需求難以得到充分滿足。隨著京廣高鐵（北京西—廣州南）的貫通，京廣通道內逐漸形成既有普速鐵路和高速鐵路的4線格局，旅客運輸將逐步轉移至高速鐵路。至2020年，京廣鐵路將承擔全部貨物運輸及少量客運任務，其長期“?？蛪贺洝边\輸狀態(tài)將得到緩解，運輸能力將得到釋放。京廣線的運輸組織可能發(fā)生以下變化：

（1）電力機車牽引功率增加。客運電力機車額定牽引功率由SS8的3 600 kW、SS9的4 800 kW提升為HXD系列的7 200 kW。從運輸部門獲取的資料顯示，2015年京廣線開行的旅客列車中，由HXD系列電力機車牽引的接近一半，隨著老車型的升級換代，作為替代車型的HXD系列機車占比逐年增加；貨運方面，除少量摘掛、零擔列車采用DF4內燃機車牽引外，普通貨車、貨運班列均由大功率HXD機車牽引。大功率HXD系列電力機車將成為京廣線客貨列車牽引的主流配置。

（2）牽引質量提高。京廣線牽引定數(shù)為 5 000 t，實際開行的普通貨車牽引質量為5 500 t，超軸牽引質量為6 000 t。中國鐵路總公司關于京廣線改造的批復文件中明確要求按照6 000 t牽引質量校核，京廣線將來可能會開行牽引質量6 000 t的貨運列車。

（3）貨運列車運行速度提高，可能由目前的80 km/h提高至100 km/h。

（4）追蹤間隔縮短。京廣線信號系統(tǒng)升級改造正在實施，信號機按貨車6 min、客車5 min的追蹤間隔布置。改造完成后，京廣線貨車追蹤間隔很可能由現(xiàn)在的7 min縮短為6 min。

2 列車牽引計算

列車牽引計算的目的是求解出列車在供電分區(qū)的走行時分、給電走行時分（或稱為“牽引時間”）及列車能耗，進一步計算列車在供電分區(qū)給電運行的平均電流，為牽引供電能力的計算分析提供基礎數(shù)據(jù)。列車牽引計算采用牽引電算程序2.0版[4]，對單列車進行仿真，采用多質點系、時間步長。該電算程序在國內有關提速、高速鐵路的研究工作中得到了廣泛應用。牽引計算流程如下：

（1）從工務部門獲取線路資料，包括線路坡度、曲線、橋梁隧道等，按照軟件要求編制規(guī)定的文件格式，并保存為線路文件；

（2）從行車部門獲取運行圖技術資料，包括機車/車輛類型、機車特性曲線等，按照軟件要求編制并保存為機車車輛文件；

（3）按需要對機車、車輛進行編組，保存為編組文件；

（4）設置牽引計算條件（?？空?、停站時分、計算范圍和初速）；

（5）讀入線路文件、機車車輛文件和編組文件，進行牽引計算；

（6）牽引計算結束，保存結果。

牽引計算流程見圖1。

3 列車電流

列車在供電分區(qū)給電運行時的平均電流計算式為

式中，為列車通過供電分區(qū)的能耗，kV·A·h；g為列車通過供電分區(qū)的給電走行時分，min；為牽引網額定電壓25 kV。

列車在供電分區(qū)給電運行時的有效電流為

e=e= 1.05（A） （2）

圖1 牽引計算流程

4 運輸組織變化對列車能耗及電流的影響

根據(jù)上述京廣線運輸組織的變化趨勢，假設機車牽引功率、牽引質量及運行速度3個變量中，每次只有1個變量發(fā)生變化，其他2個變量保持不變，外界條件一致。牽引計算仿真條件設定：

（1）計算范圍選取線路條件較好的于家莊—新安村區(qū)間，線路長度96.7 km；

（2）列車運行方式為直接通過，中途不停站。

4.1 機車額定牽引功率變化

列車編組為19輛客車，運行速度為160 km/h，牽引機車由SS9（4 800 kW）變更為HXD3（7 200 kW）。計算結果見表1，各區(qū)段列車能耗及列車電流值對比見圖2、圖3。表1中能耗比及電流比為變化后列車數(shù)據(jù)與變化前列車數(shù)據(jù)之比（下同）。

可以看出，在于家莊—新安村上行區(qū)間，采用大功率HXD3機車牽引后，列車能耗增加約3%，給電運行時分增加5%，列車給電平均電流減小2%；在于家莊—新安村下行區(qū)間，列車能耗增加10%，給電運行時分增加3%，列車給電平均電流增加6%?？傮w來講，在其他條件相同的情況下，列車采用HXD3大功率機車牽引與SS9機車相比，列車能耗有所增加，但給電平均電流變化不大。

圖2 列車能耗對比（a）

圖3 列車給電平均電流對比（a）

4.2 牽引質量變化

列車牽引質量由5 500 t增加到6 000 t，采用HXD2B機車牽引，運行速度80 km/h。牽引計算結果見表2，各區(qū)段能耗及電流值對比見圖4、圖5。

表2 列車能耗及電流對比表（不同牽引質量）

圖4 列車能耗對比（b）

圖5 列車給電平均電流對比（b）

由表2可知，牽引質量由5 500 t增加到 6 000 t后，能耗增加8%，給電運行時分基本不變，列車給電平均電流增加約8%。在同一供電分區(qū)內，同時存在多列車時，該增量需要重視。

4.3 運行速度變化

貨車運行速度由80 km/h提高到100 km/h，采用HXD2B機車牽引，牽引質量6 000 t。牽引計算結果見表3，各區(qū)段能耗及電流對比見圖6、圖7。

表3 列車能耗及電流對比（不同運行速度）

圖6 列車能耗對比（c）

圖7 列車給電平均電流對比（c）

由表3可知，列車運行速度由80 km/h提高至100 km/h時，于家莊—新安村下行能耗增加18%，給電運行時分減少20%，列車給電平均電流增加46%；于家莊—新安村上行能耗增加26%，給電運行時分減少18%，列車給電平均電流增加54%。由此可見，列車運行速度由80 km/h提高至100 km/h時對列車能耗，尤其是對列車電流影響較大。

4.4 追蹤間隔變化

列車追蹤間隔變化對單列車的能耗及電流沒有影響，但決定一個供電分區(qū)內運行的列車數(shù)量，是影響供電需求的重要因素之一。

5 結論

根據(jù)京廣線運輸?shù)陌l(fā)展趨勢可能造成機車牽引功率、機車牽引質量、運行速度、追蹤間隔等變化，通過列車牽引計算，分析各種變化對列車能耗及列車電流的影響。通過對比分析可知：列車速度由80 km/h提高到100 km/h對列車能耗及列車電流影響最大，能耗增加約2成，列車給電平均電流增加一半；牽引質量由5 500 t提高到6 000 t對列車能耗和列車電流影響較大，都增加約1成，但在同一供電分區(qū)存在多列車時，累積效應明顯，需要重視；變更大功率機車對列車能耗及列車電流影響不大；列車追蹤間隔變化對單列車的能耗及電流沒有影響，但決定著一個供電分區(qū)內的列車數(shù)量。其他區(qū)段的計算數(shù)據(jù)因線路狀況差異會有所不同，但結論相同。

后續(xù)可根據(jù)京廣線列車運行速度、牽引質量、追蹤間隔的變化情況，組合排出列車開行方案，校核現(xiàn)有牽引供電系統(tǒng)的供電能力[2]是否滿足開行方案的需求，也可以為牽引供電系統(tǒng)的升級改造提供依據(jù)。

[1] 曹建猷. 電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M]. 北京：中國鐵道出版社，1983：26-30.

[2] 繆耀珊，曹東白. 電氣化鐵道設計手冊牽引供電系統(tǒng)[M]. 北京：中國鐵道出版社，1988.

[3] 崔久玲. 提高京廣線貨運能力的對策研究[J]. 鐵道貨運，2015（8）：12-14.

[4] 牽引電算程序2.0版使用說明書. 鐵道部科學研究院機車車輛研究所，2000.

With connection to the developing tendency of transportation organization for the sections administered by the Beijing Railway Administration, the possible changes that may occur to the transportation organization are summarized and sorted, and quantitative analysis has been made for the influences to the energy consumption of train and current of train caused by the changes of transportation organization on the basis of train traction calculation, theses will provide references for researches of the decision of the train operation plan and adaption of traction power supply capability in the future.

Traction power supply; transportation organization; energy consumption of train; current of train

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.007

U223.5

B

1007-936X(2018)05-0025-04

2018-01-30

項 楊.中國鐵路北京局集團有限公司供電處，工程師。