青藏鐵路格爾木至拉薩段牽引供電方案研究

靳 松

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

青藏鐵路格拉段地處青藏高原，全長(zhǎng)1 136.338 km。其中，海拔+4 000 m以上地段長(zhǎng)約960 km，連續(xù)多年凍土區(qū)長(zhǎng)度546.43 km[1]，具有“多年凍土、高寒缺氧、生態(tài)脆弱[2]”3個(gè)特殊環(huán)境?？紤]到沿線自然條件惡劣，牽引供電設(shè)施運(yùn)營(yíng)維護(hù)極其困難[3]；該線限坡20‰[1]，線路長(zhǎng)大坡道連續(xù)，列車(chē)牽引功率大(與350 km/h動(dòng)車(chē)組相當(dāng))，列車(chē)持續(xù)取流要求高；列車(chē)惰行通過(guò)接觸網(wǎng)電分相后降速?lài)?yán)重，一旦掉入電分相無(wú)電區(qū)后，單線鐵路列車(chē)救援時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)客運(yùn)安全造成不利影響[4]；接觸網(wǎng)電分相作為列車(chē)取流的薄弱環(huán)節(jié)，是弓網(wǎng)故障的高發(fā)點(diǎn)[5]，綜合上述各種因素，宜盡量少設(shè)置接觸網(wǎng)電分相。

1 牽引供電重難點(diǎn)

(1)線路限坡大、牽引負(fù)荷大，對(duì)牽引供電系統(tǒng)供電能力要求高。格拉鐵路限坡為20‰[1]，在翻越昆侖山、風(fēng)火山等區(qū)間線路多為連續(xù)大坡道，且全線多數(shù)區(qū)間均有局部大坡度出現(xiàn)。根據(jù)牽引計(jì)算，貨車(chē)最大功率(網(wǎng)側(cè))約為23.8 MVA。因此，要求牽引供電系統(tǒng)具有較高的供電能力。

(2)沿線自然條件惡劣，供電設(shè)施應(yīng)便于運(yùn)營(yíng)維護(hù)。格拉鐵路具有空氣稀薄、氣壓低，輻射強(qiáng)烈，日照多，氣溫隨海拔和緯度的升高而降低，氣溫日較差大，大風(fēng)多發(fā)[6]，地震強(qiáng)度大、頻次高[7]等特殊氣候及環(huán)境條件。針對(duì)格拉段沿線自然環(huán)境特點(diǎn)、線路特征，牽引供電設(shè)施應(yīng)以少維護(hù)、少維修為原則，應(yīng)便于運(yùn)營(yíng)維護(hù)。

(3)列車(chē)限速低，宜少設(shè)電分相。根據(jù)計(jì)算，格拉鐵路不同坡度旅客列車(chē)加速、惰行距離見(jiàn)表1。

表1 不同坡度旅客列車(chē)加速惰行距離Tab.1 Accelerated idle distance of passenger trains with different slopes

需要說(shuō)明的是，當(dāng)線路坡度為20‰時(shí)，列車(chē)的最高速度限制為89 km/h；當(dāng)線路坡度為15‰時(shí)，列車(chē)的最高速度限制為108 km/h。為提高運(yùn)輸質(zhì)量、保證運(yùn)行可靠性、減少列車(chē)“掉分相”幾率，本線宜盡量少設(shè)電分相。

2 牽引供電方式介紹

2.1 牽引網(wǎng)單邊、貫通供電方式原理

(1)牽引網(wǎng)單邊供電方式。目前我國(guó)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)一般采用牽引網(wǎng)單邊供電方式[8]，即在牽引所處及牽引所之間設(shè)置電分相，如圖1所示。

圖1 牽引網(wǎng)單邊供電方式示意Fig.1 Schematic diagram of unilateral power supply mode of traction network

(2)牽引網(wǎng)貫通供電方式。牽引網(wǎng)貫通供電方式為當(dāng)多座牽引變電所的外部電源來(lái)自同一地方變電站(外部電源采用樹(shù)形供電)，取消牽引變電所處及牽引所之間電分相實(shí)現(xiàn)多座牽引所供電范圍內(nèi)接觸網(wǎng)電氣貫通的供電方式，如圖2所示。

圖2 牽引網(wǎng)貫通供電方式示意Fig.2 Schematic diagram of traction network through power supply mode

2.2 牽引網(wǎng)單邊、貫通供電方式特點(diǎn)

(1)與單邊供電方式相比，貫通供電方式減少電分相數(shù)量，能改善供電質(zhì)量、提高供電能力，減少列車(chē)過(guò)電分相時(shí)燒損接觸網(wǎng)和“掉分相”可能性，減少列車(chē)過(guò)電分相失去動(dòng)力的“掉速”問(wèn)題。

(2)與單邊供電方式相比，貫通供電方式要求相鄰兩所或多所外部電源需由同一地方變電站供電。

3 牽引供電方案比選

由于本線為單線鐵路，列車(chē)運(yùn)行具有一定的隨機(jī)性，且如暑運(yùn)、軍運(yùn)或者其他緊急情況時(shí)的列車(chē)運(yùn)行圖更難以預(yù)料。因此，本線結(jié)合“列車(chē)運(yùn)行圖法”及“概率算法”特點(diǎn)進(jìn)行供電系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算：利用列車(chē)功率(網(wǎng)側(cè))—距離曲線，“逐站逐區(qū)間”分析列車(chē)負(fù)荷；根據(jù)各區(qū)間列車(chē)最大功率，采用列車(chē)功率替代既有“概率統(tǒng)計(jì)方法”里的電流進(jìn)行參數(shù)計(jì)算；參照TB/T 1652—1996《牽引供電系統(tǒng)電壓損失的計(jì)算條件和方法》，并充分考慮本線負(fù)荷特點(diǎn)，確定負(fù)荷位置。

3.1 牽引負(fù)荷分析

全線按照貨車(chē)(HXD1雙機(jī))牽引4 000 t、不停站計(jì)算，列車(chē)功率(網(wǎng)側(cè))—距離曲線如圖3所示。

圖3 列車(chē)功率(網(wǎng)側(cè))—距離曲線Fig.3 Train power (grid side) distance curve

根據(jù)全線上、下行牽引計(jì)算結(jié)果，本線絕大部分區(qū)間列車(chē)出現(xiàn)大功率運(yùn)行工況，最大功率為23.8 MVA。

3.2 牽引網(wǎng)單邊供電方案

采用單邊供電時(shí)，外部電源可采用330 kV(220 kV)或110 kV，牽引供電系統(tǒng)可采用帶回流線的直接供電方式(TRNF)和AT供電方式。以典型的沱沱河至通天河段為例，采用“列車(chē)運(yùn)行圖法(仿真計(jì)算)”進(jìn)行分析，對(duì)供電能力進(jìn)行分析如下。

3.2.1 帶回流線的直接供電方式供電能力分析

(1)供電方案。在沱沱河、通天河設(shè)牽引變電所，在開(kāi)心嶺設(shè)電分相。供電方案如圖4所示。

圖4 沱沱河至通天河段供電示意圖(TRNF)Fig.4 Schematic diagram of power supply from Tuotuo River to Tongtian River section(TRNF)

(2)外部電源采用330 kV時(shí)供電能力。①仿真輸入?yún)?shù)。根據(jù)地理位置及電力部門(mén)資料，沱沱河牽引變電所距規(guī)劃風(fēng)火山330 kV變電站約85.6 km，牽引變電所進(jìn)線處短路容量約1 232 MVA；通天河牽引變電所距規(guī)劃塘崗330 kV變電站約52.4 km，牽引變電所進(jìn)線處短路容量約1 040 MVA。本線為單線鐵路，列車(chē)按區(qū)間自動(dòng)站間閉塞運(yùn)行。兩區(qū)間內(nèi)列車(chē)運(yùn)行規(guī)則見(jiàn)表2。據(jù)此，并按列車(chē)在車(chē)站停站開(kāi)展的仿真，仿真計(jì)算運(yùn)行如圖5所示。②供電能力仿真結(jié)果。對(duì)應(yīng)4種運(yùn)行方式下的牽引網(wǎng)電壓仿真結(jié)果如圖6所示。通過(guò)仿真計(jì)算可以看出，4種運(yùn)行方式下供電臂末端最低網(wǎng)壓為20.5 kV，滿(mǎn)足1列貨車(chē)的運(yùn)行要求。③供電能力仿真結(jié)論。采用帶回流線的直接供電方式，牽引變電所進(jìn)線采用330 kV電源進(jìn)線，1個(gè)供電臂能供1個(gè)區(qū)間，供電能力滿(mǎn)足1列貨車(chē)運(yùn)行要求。

圖5 仿真運(yùn)行Fig.5 Simulation running diagram

圖6 牽引網(wǎng)電壓仿真結(jié)果(330 kV)Fig.6 Simulation results of traction network voltage(330 kV)

表2 仿真用列車(chē)運(yùn)行規(guī)則Tab.2 Train operation rules for simulation

(3)外部電源采用110 kV時(shí)供電能力。①仿真輸入?yún)?shù)。根據(jù)地理位置及電力部門(mén)資料，沱沱河設(shè)牽引變電所距規(guī)劃風(fēng)火山330 kV變電站約85.6 km，牽引變電所進(jìn)線處短路容量約280 MVA；通天河設(shè)牽引變電所距規(guī)劃塘崗330 kV變電站約52.4 km，牽引變電所進(jìn)線處短路容量約214 MVA。仿真用列車(chē)運(yùn)行規(guī)則如上節(jié)。②供電能力仿真結(jié)果。對(duì)應(yīng)4種運(yùn)行方式下的供電臂電壓如圖7所示。通過(guò)仿真計(jì)算可以看出，4種運(yùn)行方式下供電臂末端最低網(wǎng)壓為18.1 kV(已采取增設(shè)加強(qiáng)線等提高網(wǎng)壓措施)，供電能力仍不能滿(mǎn)足1列貨車(chē)的運(yùn)行要求。③供電能力仿真結(jié)論。當(dāng)110 kV系統(tǒng)短路容量很小，即使采取增設(shè)增加強(qiáng)線等提高網(wǎng)壓措施后，仍然難以滿(mǎn)足1列貨車(chē)運(yùn)行要求。

圖7 牽引網(wǎng)電壓仿真結(jié)果(110 kV)Fig.7 Simulation results of traction network voltage(110 kV)

3.2.2 AT供電方式供電能力分析

(1)供電方案。以沱沱河至通天河段為例，對(duì)于AT供電方式，提出如下2個(gè)方案。①方案1：沱沱河牽引變電所供電至開(kāi)心嶺至通天河區(qū)間，供電臂長(zhǎng)約31 km；②方案2：沱沱河牽引變電所供電至通天河，供電臂長(zhǎng)度約為41.75 km。供電方案如圖8所示。

圖8 沱沱河至通天河段供電示意(AT)Fig.8 Schematic diagram of power supply from Tuotuo River to Tongtian River section (AT)

(2)仿真輸入?yún)?shù)。①系統(tǒng)短路容量。根據(jù)地理位置及電力部門(mén)資料，沱沱河設(shè)牽引變電所距規(guī)劃風(fēng)火山330 kV變電站約85.6 km，牽引變電所進(jìn)線處短路容量約1 232 MVA。由于系統(tǒng)短路容量較小，難以適應(yīng)AT供電方式后較大牽引負(fù)荷的需要。因此，AT供電方式不考慮采用110 kV電源方案。②仿真用列車(chē)運(yùn)行規(guī)則。運(yùn)行圖同上節(jié)。

(3)供電能力仿真結(jié)果。2個(gè)供電方案對(duì)應(yīng)的4種運(yùn)行方式下的供電臂電壓如圖9、圖10所示。

圖9 方案1牽引網(wǎng)電壓仿真結(jié)果Fig.9 Scheme 1 traction network voltage simulation results

圖10 方案2牽引網(wǎng)電壓仿真結(jié)果Fig.10 Scheme 2 traction network voltage simulation results

通過(guò)仿真計(jì)算可以看出，4種運(yùn)行方式下，方案1供電臂末端最低網(wǎng)壓為21.6 kV，方案2供電臂末端網(wǎng)壓低于19.0 kV(已采取增設(shè)加強(qiáng)線等提高網(wǎng)壓措施)。

(4)供電能力仿真結(jié)論。采用AT供電方式，牽引變電所進(jìn)線采用330 kV電源進(jìn)線，供電臂長(zhǎng)度為30 km(一個(gè)半?yún)^(qū)間)時(shí)，供電能力滿(mǎn)足運(yùn)行兩列貨車(chē)的要求。但由于AT供電方式接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且部分AT所設(shè)置于區(qū)間，當(dāng)全線采用AT供電方式時(shí)，牽引供電設(shè)施總數(shù)量反而高于直接供電方式，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)維護(hù)困難。

3.2.3 牽引網(wǎng)貫通供電方案

(1)供電方案原理。設(shè)鐵路中心牽引變電所(CPS)，再設(shè)若干普通牽引變電所(SPS)。鐵路中心牽引變電所由三相供電，普通牽引變電所由單相供電，普通牽引所與中心所均接入電力系統(tǒng)變電站同一母線上。中心牽引變電所內(nèi)利用三相負(fù)序補(bǔ)償裝置進(jìn)行負(fù)序補(bǔ)償；普通牽引變電所采用單相接線牽引變壓器，牽引網(wǎng)上不設(shè)電分相。方案如圖11所示。

圖11 供電技術(shù)方案示意Fig.11 Schematic diagram of power supply technology scheme

(2)供電能力分析。牽引網(wǎng)貫通時(shí)，各方案牽引供電系統(tǒng)供電能力基本相當(dāng)。以風(fēng)火山至唐古拉段為例，對(duì)采用牽引網(wǎng)單邊供電方案與牽引網(wǎng)貫通方案、牽引網(wǎng)采用TRNF供電方式供電能力，與牽引網(wǎng)單邊供電方案進(jìn)行對(duì)比分析。①供電方案。采用牽引網(wǎng)單邊供電方案(牽引網(wǎng)采用TRNF供電方式)共設(shè)置7座牽引變電所，牽引變電所分布如圖12所示。采用牽引網(wǎng)貫通方案(牽引網(wǎng)采用TRNF供電方式)設(shè)置5座牽引變電所，牽引變電所分布如圖13所示。②供電能力仿真結(jié)果。按照牽引變電所采用330 kV電源供電。本次按列車(chē)上、下行分別單方向追蹤運(yùn)行的同一種行車(chē)方式進(jìn)行仿真，2種供電方式下的牽引網(wǎng)最低網(wǎng)壓如圖14所示。

圖12 牽引所間設(shè)電分相供電方案Fig.12 Scheme of split-phase power supply between traction stations

圖13 牽引網(wǎng)貫通供電方案Fig.13 Traction network through power supply scheme

圖14 2種供電方式下的牽引網(wǎng)最低網(wǎng)壓Fig.14 Minimum network voltage of traction network under 2 power supply modes

(3)供電能力仿真結(jié)論。通過(guò)對(duì)2種供電方式下供電能力計(jì)算可知，相同運(yùn)行條件下，牽引網(wǎng)貫通供電的牽引變電所數(shù)量減少了30%(2座)，但由于牽引負(fù)荷分布更加合理、列車(chē)再生能量得到充分利用，牽引網(wǎng)最低網(wǎng)壓反而較單邊供電時(shí)高(最低達(dá)21.3 kV)。同時(shí)，由于牽引變電所間取消了電分相，避免了列車(chē)通過(guò)電分相的掉速問(wèn)題、杜絕了列車(chē)掉入電分相的風(fēng)險(xiǎn)、提高了接觸網(wǎng)的可靠性。

4 結(jié)論

針對(duì)本線自然環(huán)境特點(diǎn)、線路特征，對(duì)牽引供電方案進(jìn)行了分析，主要研究結(jié)論及建議如下。

(1)針對(duì)線路限坡大、牽引負(fù)荷大、波動(dòng)大，牽引供電系統(tǒng)供電能力要求高等特點(diǎn)，分別按牽引網(wǎng)單邊供電、牽引網(wǎng)貫通供電兩大類(lèi)提出了多種牽引供電方案。經(jīng)研究，牽引網(wǎng)單邊供電方案中，采用330 kV(220 kV)電源進(jìn)線的TRNF供電方案，供電能力強(qiáng)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)較便利，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

(2)牽引網(wǎng)貫通供電方式與牽引網(wǎng)單邊供電方式相比：牽引網(wǎng)貫通供電方案投資較?。回炌ü╇妰?yōu)化了牽引負(fù)荷潮流分布、列車(chē)再生能量也能夠得到充分利用，牽引供電系統(tǒng)供電能力強(qiáng)；節(jié)省牽引變電所數(shù)量，節(jié)省了運(yùn)營(yíng)成本、降低了維護(hù)工作量；由于取消了電分相，可以消除牽引供電的無(wú)電區(qū)，避免了列車(chē)通過(guò)電分相的掉速問(wèn)題、杜絕了列車(chē)掉入電分相的風(fēng)險(xiǎn)、提高了供電可靠性，特別有利于大坡道和長(zhǎng)大坡道安全運(yùn)行。因此，牽引網(wǎng)貫通供電方式可以?xún)?yōu)先選擇。