鐵路專用線牽引供電計算應(yīng)急方案

中鐵十七局集團有限公司勘察設(shè)計院 雷麗充

隨著電氣化鐵路的發(fā)展，鐵路運輸成為運輸貨物，煤炭等物資的首選目標。因此，鐵路運輸需要根據(jù)國家規(guī)劃，企業(yè)需求能夠靈活調(diào)整、變動。常規(guī)的牽引供電系統(tǒng)的電氣計算方法在設(shè)計新建鐵路中發(fā)揮著極大的作用，但對于特殊情況，常規(guī)方法制定的供電方案無法滿足實際運行的需求。

20世紀60年代中國電氣化鐵路開始建設(shè)，到20世紀90年代電氣化鐵路全面發(fā)展，電氣化鐵路建設(shè)高潮的到來，電氣化鐵路中對牽引供電系統(tǒng)的研究也得到了飛速發(fā)展。電氣化鐵路負荷是電力系統(tǒng)的特殊用戶，電力機車是電氣化鐵路運行的主要負荷，機車類型不同，在一個供電臂內(nèi)的數(shù)量不同以及在運行過程中受到的牽引重量不同，線路的限制坡度不同等因素就會造成不同的工況條件。因此，在牽引供電系統(tǒng)中，鐵路電氣化的負荷是不固定的，是沿著供電區(qū)段移動的，負荷的大小隨著牽引重量、線路坡道、列車速度、機車工作狀態(tài)不同而時刻變化著。牽引供電計算就需根據(jù)這些特點并結(jié)合實際項目情況進行研究、分析，從而設(shè)計出更適用于實際，更合理的供電方案。

工程項目中常用的供電計算方法有平均行車量法，列車運行圖法和概率統(tǒng)計法[1-2]。常規(guī)方法更加適用于負荷均勻、運量較大的電氣化鐵路。對于特殊情況，可根據(jù)實際情況尋找合理的供電計算方法，以期達到工程所需要的精度，做到簡便易行。本文結(jié)合大同高家窯專用線及左云牽引變電所變壓器容量的實際情況進行分析研究，尋找出合理的供電計算方法，使既有牽引供電系統(tǒng)不擴能改造或少改造的前提下，能夠使變壓器能夠更加合理的使用，并能滿足鐵路運量要求。

1 概述

大同高家窯專用線位于山西省大同市西部、左云縣境內(nèi)，與南陽坡、馬道頭、高家窯等煤礦緊鄰。線路自鐵豐專用線南河灣大橋后K43+650引出，并行鐵豐專用線東側(cè)新設(shè)樹兒里車站，跨河后線路折向正南，沿馬道頭礦區(qū)西邊界至柴家村東北，折向東南到高家窯礦北邊界，沿高家窯礦北邊界向東，設(shè)高家窯裝車站，線路全長9.0km。新設(shè)樹兒里車站設(shè)立在K44+800處，研究年度貨物列車對數(shù)計算采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)按C70考慮，自重23.6t，凈載重70t、車長13.976m。貨物列車牽引質(zhì)量10000t、編掛輛數(shù)108輛，貨流波動系數(shù)1.1。不開行旅客列車，煤炭列車對數(shù)2020年1.5對/日，2030年2對/日。

2 牽引供電方案研究

2.1 供電計算分析

貨物列車牽引計算。在設(shè)計中，計算參數(shù)是按照最不利的條件，萬噸重車采用雙機SS4牽引108輛C70重車，萬噸空車采用雙機SS4牽引108輛C70空車,左云牽引變電所董半川側(cè)供電臂牽引能耗如表1。

表1 左云牽引變電所董半川供電臂牽引能耗

供電計算結(jié)果分析。常規(guī)方法的供電計算更加適用于新建的鐵路干線。經(jīng)過與綜自后臺的電流數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，常規(guī)計算結(jié)果與實際載流量存在很大的出入，無法滿足項目的實際需求。造成這一誤差的主要原因如下：董半川方向供電臂內(nèi)在空車方向存在12‰上坡等大坡道的情況;列車牽引計算數(shù)據(jù)是按照線路區(qū)間進行理論計算的。

2.2 結(jié)合實際情況供電計算分析

2.2.1 線路實際情況

大同鐵豐鵲山高家窯煤炭運銷有限責任公司鐵路專用線于同煤朔電鐵豐鐵路專用線區(qū)間接軌，接軌處新設(shè)樹兒里車站，新建樹兒里車站性質(zhì)為會讓站，站中心里程為CK0+000=鐵豐K44+800，車站設(shè)2條到發(fā)線（含1條正線），到發(fā)線有效長1700m；原董半川站改為董半川裝車站。鐵路專用線裝車站到發(fā)場設(shè)3條到發(fā)線（含1條正線），到發(fā)線有效長滿足1700m。裝車場按縱列直線布置，布置裝車線2條、機走線1條，有效長均滿足1700m。裝車線各設(shè)裝車筒倉一處。

鐵路專用線為工企I級（參照國鐵II級）的線路等級。正線數(shù)目為單線，在重車方向的限制坡度為4‰、空車方向14‰，最小曲線半徑為600m，采用電力機車牽引，機車類型為HXD或SS4。牽引質(zhì)量為10000t，采用半自動閉塞的閉塞類型。

牽引供電系統(tǒng)采用單相工頻（50Hz）交流制、接觸網(wǎng)額定電壓為25kV。電力牽引變電所牽引側(cè)母線的額定電壓為27.5kV；電力機車、電動車組受電弓和接觸網(wǎng)的標稱電壓為25kV，短時（5min）最高電壓為29kV，鐵路接觸網(wǎng)最低工作電壓為19kV[3]。

左云牽引變電所位于同煤鐵豐鐵路DK26+000處，采用110/27.5kV,V/V接線型式牽引變壓器、100%備用，既有牽引變壓器容量為2×(10+10)MVA。高家窯專用線從樹兒里車站接軌后的供電示意圖如圖1。

圖1 牽引網(wǎng)供電分段示意圖

2.2.2 供電計算

系統(tǒng)計算需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在考慮供電臂的列車平均電流時，需考慮機車在啟動時的短時最大工作電流。HXD1萬噸列車短時最大工作電流按機車功率為19200kW(2×9600kW)，網(wǎng)壓為19kV[4]。

牽引網(wǎng)阻抗[5]是供電臂的電壓損失、電能損失、短路電流以及防干擾等計算中的基本參數(shù)，與牽引網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、選用導(dǎo)線的型號、鋼軌的數(shù)量和類型以及牽引網(wǎng)供電方式、大地導(dǎo)電率、防干擾的措施等因素有關(guān)，本項目接觸網(wǎng)采用全補償簡單鏈型懸掛方式，結(jié)合鏈形懸掛牽引網(wǎng)單位阻抗公式Z=Zw-Z2wg/Zg，得出牽引網(wǎng)的計算阻抗值。

牽引網(wǎng)導(dǎo)線組合為JTM-95+CTA-120，計算阻抗為0.323Ω/km(0.8)、0.214Ω/km(0.97)，綜合計算載流量748A（最高溫度按80℃）。運行列車最大運行速度按60km/h選用。根據(jù)區(qū)間考慮排車，考慮董半川供電臂上運行1列萬噸列車的運輸組織的供電計算。根據(jù)表1提供的萬噸列車牽引能耗表，結(jié)合供電臂內(nèi)第i區(qū)間列車帶電電流公式I=60At/Ut=2.4Ai/ti計算。計算結(jié)果如表2。

表2 列車平均電流

牽引變壓器的典型負荷曲線運行圖如圖2所示，負載周期約為6.0h，在環(huán)境溫度30℃，繞組最熱點溫度不超過140℃，頂層油溫不超過105℃。重載鐵路K1可取0.7～0.8。

圖2 典型負荷曲線圖

一般牽引變壓器的負荷率很低，在這種情況下可以增加正常的過負荷倍數(shù)和正常的允許時間，因此，考慮牽引變壓器的2倍過負荷能力[6]。牽引供電方案技術(shù)指標為左云牽引變電所董半川側(cè)供電臂長22.266km，變壓器相序為AB，計算容量為3.1MVA,校核容量為10.8MVA，安裝容量為10MVA。電能損失28.5x104kWh/年,牽引能耗為1401x104kWh/年,滿足負荷要求。

2.3 研究方案對運輸組織的建議

電力機車的運行與牽引網(wǎng)的電壓聯(lián)系十分緊密，如果牽引網(wǎng)的電壓達不到要求，影響機車的運行速度，輔助機組也不能正常運行，過低的電壓增加輔助機組的電機電流，造成電機過熱，空氣壓縮機等的啟動也變得更加困難。通過分析計算，綜合考慮實際列車運行中的工況，最終確定左云至董半川裝車站接觸網(wǎng)一個供電臂上運行一列萬噸列車、裝車不受限制的運輸組織結(jié)論。并且需要鐵路局按照建議進行調(diào)整試驗，根據(jù)結(jié)果檢驗是否符合要求。

3 列車實際運行情況

太原鐵路局大同車務(wù)段根據(jù)牽引供電計算結(jié)果和運輸組織的建議對該區(qū)段既有運行圖進行了調(diào)整(圖3)。根據(jù)牽引變電所的綜自記錄，從2020年10月運行以來，左云牽引變電所董半川方向供電臂區(qū)間同時運行的列車不超過1列(不包括裝車線)，供電設(shè)備未發(fā)生主變過載及末端網(wǎng)壓不夠的情況等。

圖3 實際運行圖

綜上，本文結(jié)合實際項目中情況，通過供電臂區(qū)間列車電流，綜合分析和計算，反向推算出運輸組織行車方案，在保證工期短，投資少，節(jié)約能源的前提下，最大程度的利用了變壓器容量。對電氣化鐵路靈活性，提升鐵路貨運量的綜合服務(wù)，鐵路運輸?shù)馁|(zhì)量上，保障運輸?shù)陌踩陨暇哂兄卮笠饬x。