大秦線運(yùn)量超4億噸變電所供電能力分析

張福

摘要：大秦線是我國(guó)目前運(yùn)量最大的重載電氣化運(yùn)煤專線，開通以來，運(yùn)量逐年增長(zhǎng)，2017年完成運(yùn)量4.32億噸，2018年完成運(yùn)量4.51億噸，不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過年運(yùn)量1億噸的初步設(shè)計(jì)能力，而且超過2009年改造后的4億噸設(shè)計(jì)能力，重載、密行、高速的運(yùn)輸特點(diǎn)，長(zhǎng)期過負(fù)荷的運(yùn)行壓力，給大秦線的牽引供電系統(tǒng)形成了巨大的影響。

牽引變電所作為大秦線牽引供電系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，其設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和供電能力發(fā)揮，對(duì)大秦線供電能力起著至關(guān)重要的作用。

為確保大秦線持續(xù)運(yùn)量增加下牽引變電所設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)進(jìn)一步挖掘大秦線供電能力，解決牽引供電能力不足對(duì)大秦線運(yùn)輸能力的制約，我們對(duì)大秦線大運(yùn)量情況下牽引變電所實(shí)際的運(yùn)行情況進(jìn)行了調(diào)查，對(duì)大秦線當(dāng)前供電能力的情況和對(duì)供電設(shè)備的影響進(jìn)行了全面地分析測(cè)算，并提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：大秦線；變電所；供電能力；調(diào)查；措施

大秦線運(yùn)量超4億噸變電所供電能力分析

1.前言

大秦線是我國(guó)目前運(yùn)量最大的重載電氣化運(yùn)煤專線，開通以來，運(yùn)量逐年增長(zhǎng)，2017年完成運(yùn)量4.32億噸，2018年完成運(yùn)量4.51億噸，不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過年運(yùn)量1億噸的初步設(shè)計(jì)能力，而且超過2009年改造后的4億噸設(shè)計(jì)能力，重載、密行、高速的運(yùn)輸特點(diǎn)，長(zhǎng)期過負(fù)荷的運(yùn)行壓力，給大秦線的牽引供電系統(tǒng)形成了巨大的影響。

牽引變電所作為大秦線牽引供電系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，其設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和供電能力發(fā)揮，對(duì)大秦線供電能力起著至關(guān)重要的作用。

為確保大秦線持續(xù)運(yùn)量增加下牽引變電所設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)進(jìn)一步挖掘大秦線供電能力，解決牽引供電能力不足對(duì)大秦線運(yùn)輸能力的制約，我們對(duì)大秦線大運(yùn)量情況下牽引變電所實(shí)際的運(yùn)行情況進(jìn)行了調(diào)查，對(duì)大秦線當(dāng)前供電能力的情況和對(duì)供電設(shè)備的影響進(jìn)行了全面地分析測(cè)算，并提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

2.大秦線設(shè)計(jì)供電能力情況

大秦線采用復(fù)線上下行通過分區(qū)所并聯(lián)供電的AT供電方式，全線653公里共設(shè)有湖東、永安堡、東城鄉(xiāng)、王家灣、涿鹿、延慶、下莊、木林、大石莊、翠屏山、夏莊子、遷西、遷安北、撫寧北、秦皇島北16座牽引變電所，單變電所最大供電范圍52.23KM（夏莊子變電所），最小供電范圍29.1KM（王家灣變電所）。

各牽引變電所均引入兩回110kV電源；除秦北牽引變電所的牽引變壓器為單相結(jié)線型式外，其余牽引變電所的牽引變壓器均為SCOTT結(jié)線型式，牽引變壓器安裝容量范圍為50～80MVA，牽引變電所主變壓器最大允許過負(fù)荷能力按不超過2倍額定電流設(shè)置，達(dá)到2倍延時(shí)60S告警，120S跳閘。接觸網(wǎng)正線采用CTHA-150+THJ-150導(dǎo)線，載流量為1051A；部分區(qū)間增設(shè)型號(hào)為L(zhǎng)GJ-185的加強(qiáng)線后，接觸懸掛載流量可達(dá)1500A。

大秦線最初設(shè)計(jì)能力1億噸，2009年4億噸完成改造后現(xiàn)有供電能力按年運(yùn)量4億噸設(shè)計(jì)，追蹤列車間隔為12分鐘，設(shè)計(jì)運(yùn)行圖通過能力為110對(duì)/天，運(yùn)輸組織設(shè)計(jì)每天安排93對(duì)貨物列車，其中2萬噸列車46對(duì)/天；萬噸列車47對(duì)/天（其中組合萬噸列車38對(duì)/天）。每座牽引變電所的一側(cè)供電臂允許2列2萬噸列車分別按空、重車方向運(yùn)行。

3.大運(yùn)量情況下供電能力情況調(diào)查分析

3.1調(diào)查內(nèi)容及結(jié)果

為全面真實(shí)掌握大秦線供電能力的整體情況，了解不同區(qū)段供電設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況和供電能力，我們采取以牽引變電所為主要調(diào)查對(duì)象，不同線路情況下運(yùn)量與供電負(fù)載變化情況相結(jié)合、相對(duì)照的方法，選取2016年11月9-17日為調(diào)查時(shí)段（該時(shí)段運(yùn)量每日在130萬噸左右），選取牽引變電所變壓器過負(fù)荷1.3倍以上時(shí)的母線電壓、兩側(cè)供電臂電流和車流情況以及對(duì)應(yīng)線路較大上坡坡度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，結(jié)合當(dāng)年運(yùn)量情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，形成了調(diào)查結(jié)果對(duì)照表。

3.2現(xiàn)有線路情況分析

調(diào)查數(shù)據(jù)表明，負(fù)荷較重的牽引變電所其供電臂范圍內(nèi)普遍長(zhǎng)大坡道較多，其中最嚴(yán)重的是下莊變電所，其空車線側(cè)供電臂超過10‰以上坡度的達(dá)9處20.863KM，占該所供電線路范圍55%，同時(shí)12‰以上坡度2處3.813KM，造成下莊變電所雖然供電范圍不大（重車18.8KM，空車18.9KM），但超負(fù)荷情況卻相對(duì)比較嚴(yán)重。

3.3現(xiàn)有運(yùn)量情況分析

運(yùn)量增加以來，大秦線日運(yùn)量基本在120-130萬噸左右，日常開行列車93對(duì)/天，歷史最高開行列車對(duì)數(shù)為98對(duì)/天，其中2萬噸63對(duì)、1.5萬噸8對(duì)、單元萬噸8對(duì)、組合萬噸14對(duì)和集裝箱5對(duì)。

調(diào)查數(shù)據(jù)表明，在下莊變電所（延慶以東50km）下莊～茶塢供電臂、夏莊子變電所（遵化北以西10km）夏莊子～粳子峪（遵化北以東16km）供電臂已有同時(shí)運(yùn)行5列2萬噸列車的情況，追蹤列車間隔最短達(dá)到5分鐘，已超過大秦線年運(yùn)量4億噸的設(shè)計(jì)能力。

3.4負(fù)荷較大牽引變電所情況統(tǒng)計(jì)分析

通過數(shù)據(jù)分析，我們發(fā)現(xiàn)永安堡、東城鄉(xiāng)、延慶、下莊和夏莊子牽引變電所負(fù)荷較大，具體情況分析如下：

3.4.1永安堡變電所

永安堡變電所主變?nèi)萘繛?0MVA，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中主變一次電流超過額定電流420A 1.5倍的有1個(gè)時(shí)間段，最高達(dá)到675A，1.61倍，較大電流持續(xù)56秒，超過1.3倍的有3個(gè)時(shí)間段，持續(xù)42秒；110KV電壓等于小于100KV的有3個(gè)點(diǎn)，最低達(dá)到97.2KV。永安堡至三汾溝方向供電臂55KV母線電壓有一次低于50KV，49.5KV，末端網(wǎng)壓最低達(dá)24.35KV。

永安堡至三汾溝空、重車線負(fù)荷較大，饋線電流最大達(dá)到1410A，接近設(shè)計(jì)最大負(fù)荷電流1450A。

3.4.2東城鄉(xiāng)變電所

東城鄉(xiāng)變電所主變?nèi)萘繛?5MVA，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中主變一次電流超過額定電流394 A 1.5倍的有1個(gè)時(shí)間段，較大電流持續(xù)212秒，最大達(dá)到695A，1.76倍；110KV電壓最低達(dá)到102.7KV；東城鄉(xiāng)至三汾溝方向供電臂55KV母線電壓有一次低于50KV，48.9KV，末端網(wǎng)壓最低達(dá)23.11KV。

東城鄉(xiāng)至三汾溝空車線負(fù)荷較大，饋線電流超最大達(dá)到1542A，超過設(shè)計(jì)最大負(fù)荷電流1400A。

3.4.3延慶變電所

延慶變電所主變?nèi)萘繛?5MVA，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中主變一次電流超過額定電流394 A 1.5倍的沒有，超過1.3倍的有3個(gè)時(shí)間段，累計(jì)206秒，最大達(dá)到586A，1.49倍；110KV電壓最低達(dá)到103.4KV；延慶至鐵爐方向供電臂55KV母線電壓有一次低于50KV，49.9KV，末端網(wǎng)壓最低達(dá)23.79KV。

延慶至鐵爐重車線負(fù)荷較大，饋線電流超過1300A的有46個(gè)點(diǎn)，最大達(dá)到1721A，接近設(shè)計(jì)最大負(fù)荷電流1767A。

延慶至北辛堡重車線負(fù)荷較大，饋線電流超過設(shè)計(jì)最大負(fù)荷電流1023A的61個(gè)點(diǎn)，最大達(dá)到1268A。

3.4.4下莊變電所

下莊變電所主變?nèi)萘繛?3MVA，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中主變一次電流超過額定電流331A 1.5倍的有4個(gè)時(shí)間段，累計(jì)139秒，最大達(dá)到568A，1.72倍；110KV電壓下降不大，最低達(dá)到106.9KV；下莊至茶塢方向供電臂55KV母線電壓有兩次低于50KV，最低到49.3KV，末端電壓最低達(dá)23.05KV。

下莊至茶塢空車線負(fù)荷較大，饋線電流超過1300A的有31個(gè)點(diǎn)，超過設(shè)計(jì)最大負(fù)荷電流1556A的4個(gè)點(diǎn)，最大達(dá)到1649A。

下莊至鐵爐空車線負(fù)荷較大，饋線電流超過1200A的有19個(gè)點(diǎn)，超過設(shè)計(jì)最大負(fù)荷電流1222A的13個(gè)點(diǎn)，最大達(dá)到1451A，供電臂末端電壓最低達(dá)23.57KV。

3.4.5夏莊子變電所

夏莊子變電所主變?nèi)萘繛?0MVA，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中主變一次電流超過額定電流420A 1.5倍的有5個(gè)時(shí)間段，累計(jì)415秒，最大達(dá)到719A，1.71倍；110KV電壓下降不大，最低達(dá)到106.8KV。夏莊子至粳子峪方向供電臂55KV母線電壓有一次低于50KV，最低到49.1KV，末端電壓最低達(dá)25.85KV。

夏莊子至粳子峪重車線負(fù)荷較大，饋線電流超過設(shè)計(jì)最大負(fù)荷電流1496A的16個(gè)點(diǎn)，最大達(dá)到1734A。

夏莊子至玉田北重車線負(fù)荷較大，饋線電流超過設(shè)計(jì)最大負(fù)荷電流1028A的3個(gè)點(diǎn)，最大達(dá)到1069A，供電臂末端電壓最低達(dá)26.78KV。

3.4.6變電所供電能力總體評(píng)價(jià)分析

牽引變電所110KV電壓、55KV母線電壓、供電臂末端電壓等電壓評(píng)價(jià)指標(biāo)低于規(guī)定值的不多（技規(guī)第208條：35KV及以上高壓供電線路，電壓正負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過額定值的10%），供電能力基本滿足現(xiàn)有運(yùn)量需求。

牽引變電所主變壓器過負(fù)荷超過1.3倍的情況較多，其中以夏莊子變電所和下莊變電所最為嚴(yán)重，雖然由于沒有達(dá)到2倍且持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，變電所未發(fā)生跳閘停電，但是按部令101號(hào)《牽引變電所運(yùn)行檢修規(guī)程》第40條規(guī)定，在事故情況下主變壓器過負(fù)荷75%時(shí)，允許運(yùn)行時(shí)間為20分鐘；當(dāng)過負(fù)荷100%時(shí)，允許運(yùn)行時(shí)間為10分鐘，主變壓器長(zhǎng)期處于過負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，必將會(huì)影響主變壓器的使用壽命。

個(gè)別供電臂負(fù)荷較大，已接近或超過設(shè)計(jì)負(fù)荷電流，如永安堡至三汾溝重車線、東城鄉(xiāng)至三汾溝空車線、延慶至鐵爐重車線、下莊至茶塢空車線、下莊至鐵爐空車線、夏莊子至粳子峪重車線，主要是由于這些區(qū)間長(zhǎng)大坡道較多且車流排放密集。

上述牽引變電所、供電區(qū)間也是大秦線供電設(shè)備影響運(yùn)量繼續(xù)增加的制約環(huán)節(jié)，需要科學(xué)合理調(diào)配車流，避免牽引變電所發(fā)生過負(fù)荷跳閘，影響運(yùn)輸暢通。

4.運(yùn)量持續(xù)增加需采取的措施

如果在現(xiàn)有基礎(chǔ)上繼續(xù)增加運(yùn)量，需要進(jìn)一步增加車流排放，區(qū)間列車追蹤間隔仍為12分鐘，同時(shí)日均貨物列車運(yùn)行對(duì)數(shù)將達(dá)到102對(duì)/天，其中2萬噸68對(duì)/天、1.5萬噸10對(duì)/天、單元萬噸4對(duì)/天，組合萬噸20對(duì)/天，即按每日137萬噸組織，這樣大秦線年運(yùn)量將突破原設(shè)計(jì)運(yùn)量，并可能達(dá)到5億噸。

運(yùn)量增加后，車流排放更加密集，超過大秦線原4億噸的設(shè)計(jì)能力，單一區(qū)間同時(shí)排放3列2萬噸甚至更多的情況大大增多，按目前情況分析，負(fù)荷較重的永安堡、東城鄉(xiāng)、延慶、下莊和夏莊子牽引變電所將會(huì)出現(xiàn)接近或超過2倍額定電流的過負(fù)荷情況，母線電壓等指標(biāo)低于規(guī)定值的情況也將時(shí)有發(fā)生，供電設(shè)備因長(zhǎng)期過載而加速老化，造成損壞的現(xiàn)象必將增加。

為確保供電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，減少供電設(shè)備故障對(duì)大秦線運(yùn)輸秩序的干擾，繼續(xù)增加運(yùn)量到每日137萬噸，需采取以下對(duì)應(yīng)措施：

4.1科學(xué)合理安排車流

按照運(yùn)量適度增加，而供電設(shè)備又不會(huì)持續(xù)大幅度過載的原則，結(jié)合大秦線的線路特點(diǎn)和負(fù)荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，充分考慮緊密運(yùn)行的情況，我們認(rèn)為目前大秦重載鐵路盡量按“2大1小”方式均衡組織運(yùn)輸，合理安排車流，在大秦一期永安堡～三分溝空供電臂、東城鄉(xiāng)～三分溝供電臂、延慶～鐵爐供電臂、下莊～茶塢供電臂和大秦二期夏莊子～粳子峪供電臂等區(qū)間對(duì)車流排放進(jìn)行適當(dāng)限制。

4.2對(duì)供電設(shè)備進(jìn)行更新改造

4.2.1積極爭(zhēng)取實(shí)施下莊牽引變電所的牽引變壓器增容改造

大秦線4億噸改造時(shí)設(shè)計(jì)延慶牽引變電所主變壓器容量為80MVA、下莊牽引變電所主變壓器容量為75MVA，由于北京市電力公司不同意增容改造，所以維持既有主變壓器容量，即延慶牽引變電所為75MVA，下莊牽引變電所為63MVA，從延慶～鐵爐供電臂、下莊～茶塢的負(fù)荷調(diào)查情況看，延慶、下莊變電所已成為大秦線制約運(yùn)量增長(zhǎng)的瓶頸，其中下莊變電所尤為嚴(yán)重。與北京市電力公司積極協(xié)調(diào)，爭(zhēng)取解決外部電源問題，實(shí)施下莊牽引變電所的牽引變壓器增容改造，將有效解決制約區(qū)段供電能力不足的問題。

4.2.2逐步更新利舊設(shè)備

大秦線2億噸、4億噸改造時(shí)，大部分牽引變電所的110KV斷路器、55KV饋線斷路器、電動(dòng)隔離開關(guān)、電流互感器等設(shè)備未更新，利舊運(yùn)行，設(shè)備老化較為嚴(yán)重，故障率較高，部分設(shè)備容量不足，在持續(xù)大負(fù)荷的情況下，發(fā)生過熱燒損或機(jī)構(gòu)故障，將造成供電能力嚴(yán)重下降，對(duì)大秦線運(yùn)輸造成不利影響。

近年來，太原鐵路局集團(tuán)公司已開始逐步對(duì)上述設(shè)備進(jìn)行改造，爭(zhēng)取在2020年左右對(duì)主要設(shè)備更新完畢，利舊設(shè)備的更新，將使供電設(shè)備故障率大大下降，中斷運(yùn)輸?shù)那闆r減少，有效提高大秦線供電能力。

4.3采用科技手段補(bǔ)強(qiáng)

針對(duì)部分區(qū)間距離較短，但線路坡度大，列車運(yùn)行密度大的問題（如下莊至茶塢供電臂），在無法新增變電所或改變牽引變壓器容量的情況下，利用其長(zhǎng)大坡道情況下列車制動(dòng)回送牽引網(wǎng)電能的特點(diǎn)，積極探索研制試用分布式智能再生電能利用系統(tǒng)，將這些區(qū)段列車下坡產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量進(jìn)行儲(chǔ)存并在該區(qū)段列車上坡，負(fù)載較大時(shí)，回送給牽引網(wǎng)，從而增加牽引網(wǎng)的供電能力。

目前，該項(xiàng)目已研制成功，進(jìn)入安裝試運(yùn)行階段，試運(yùn)行成功后也將改善大秦線牽引供電能力不足的問題。

4.4加強(qiáng)設(shè)備檢修維護(hù)

加強(qiáng)設(shè)備的監(jiān)測(cè)、巡視、檢修等工作，有效降低設(shè)備故障率，也是確保大秦線供電能力得到有效發(fā)揮的重要保障手段。

變電所日常加強(qiáng)對(duì)負(fù)荷的監(jiān)測(cè)，值班員時(shí)刻對(duì)負(fù)荷情況進(jìn)行監(jiān)控，在負(fù)荷較大時(shí)對(duì)變電所主導(dǎo)電回路設(shè)備增加測(cè)溫次數(shù)，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行記錄分析，隨時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)運(yùn)行不良的設(shè)備及時(shí)采取措施。

接觸網(wǎng)設(shè)備日常加密巡視周期、次數(shù)，利用4C、2C加強(qiáng)對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備的檢查巡視，確保設(shè)備問題及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理。

充分利用每個(gè)天窗，克服大秦線運(yùn)輸繁忙天窗點(diǎn)少、樹木繁多等嚴(yán)重難題，采取集中會(huì)戰(zhàn)等形式加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的檢修維護(hù)，及時(shí)處理設(shè)備缺陷，等確保設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好。

制定有針對(duì)性的應(yīng)急預(yù)案，日常加強(qiáng)應(yīng)急演練，加強(qiáng)材料機(jī)具的應(yīng)急儲(chǔ)備，確保發(fā)生故障情況下，搶修隊(duì)伍及時(shí)出動(dòng)，縮短故障延時(shí)，及時(shí)恢復(fù)供電設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1]《牽引變電所運(yùn)行檢修規(guī)程》，中國(guó)鐵道部編著，中國(guó)鐵道出版社，2000年。

[2]《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》，中國(guó)鐵路總公司編著，中國(guó)鐵道出版社，2014年。

（作者單位：大秦鐵路股份有限公司大同西供電段）