鐵路牽引供電的設(shè)計(jì)優(yōu)化

曹永飛

（中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司北方分公司，太原 030000）

1 引言

目前，大型鐵路樞紐設(shè)計(jì)多呈現(xiàn)為客貨分開(kāi)布局的模式，樞紐內(nèi)部分別設(shè)有貨運(yùn)站和客運(yùn)站，多道線路引進(jìn)時(shí)通常以共站分場(chǎng)的方式來(lái)運(yùn)行，還包含了車站、聯(lián)絡(luò)線、機(jī)務(wù)段以及動(dòng)車站等地點(diǎn)的多類技術(shù)設(shè)備，若出現(xiàn)停電現(xiàn)象，將會(huì)嚴(yán)重阻礙運(yùn)輸流程正常運(yùn)行，所以，大型樞紐需確保牽引供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，對(duì)樞紐供電布局進(jìn)行研究、完善顯得非常重要。

2 工程概況

匈塞鐵路塞爾維亞段鐵路是單線電氣化鐵路。該線路加設(shè)雙線后預(yù)設(shè)速度為160 km/h（線下預(yù)留200 km/h條件），曲線半徑最小值為2 600 m，最大坡度5‰，電力機(jī)車/動(dòng)車組牽引，軸重22.5 t，選用自動(dòng)閉塞方法。整條鐵路均按照歐洲鐵路互聯(lián)互通規(guī)定來(lái)設(shè)計(jì)及修建，1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距，雙線，客貨運(yùn)是其重點(diǎn)所在，部分鐵路段的預(yù)設(shè)速度限制為客車最高行駛速度200 km/h。

3 方案設(shè)計(jì)考慮因素

3.1 牽引供電能力及牽引供電設(shè)施分布

牽引供電系統(tǒng)需確保其穩(wěn)定性、獨(dú)立性以及全面性，在綜合考量牽引供電設(shè)備布局和性能的基礎(chǔ)上，得知供電方案的重要影響因素包含：（1）參照樞紐整體規(guī)劃方案，統(tǒng)籌規(guī)劃牽引供電設(shè)施的整體布局；（2）選用適宜的牽引供電方法；（3）樞紐內(nèi)部和鄰近路線的牽引供電設(shè)施間應(yīng)著重考量其供電功能相容性、互相支援與相位匹配等；（4）運(yùn)輸系統(tǒng)不同，其供電方式也有所區(qū)別；（5）動(dòng)車所、機(jī)務(wù)段等應(yīng)配備單獨(dú)電源，有益于后續(xù)運(yùn)行檢修；（6）跨越區(qū)域供電時(shí)，應(yīng)考慮其和鄰近牽引變電所的故障波及區(qū)域和互相支援功能等[1]。

3.2 牽引供電設(shè)施選址

牽引供電設(shè)施選址應(yīng)和城市布局、地理環(huán)境狀況、饋線路徑、外部電源入線以及運(yùn)行檢修等要素相結(jié)合，在綜合考量各方面因素后再選址。

3.3 供電分區(qū)劃分

樞紐內(nèi)部需按規(guī)定設(shè)置供電分區(qū)，尤其是在客貨運(yùn)體系中必須分別供電，普速、高速以及城際線段應(yīng)盡量構(gòu)建獨(dú)立性較強(qiáng)的供電體系。參照獨(dú)立性標(biāo)準(zhǔn)，供電系統(tǒng)能夠在各個(gè)供電分束間、饋線間以及牽引變電所之間設(shè)置供電分區(qū)，以保障靈活供電和穩(wěn)定供電，便于后續(xù)運(yùn)行檢修。

4 牽引供電系統(tǒng)概況

4.1 牽引供電系統(tǒng)構(gòu)成

塞爾維亞電氣化鐵路選用單相、交流、工頻（50 Hz）牽引供電系統(tǒng)，可從公共電網(wǎng)處直接用電，不用單獨(dú)配置變頻或發(fā)電設(shè)施，所以，牽引供電系統(tǒng)的構(gòu)造與我國(guó)大體上保持一致，不同之處就是在電力機(jī)車之外，還應(yīng)考慮某些軌道旁固定設(shè)施（道岔融雪、車輛預(yù)冷預(yù)熱設(shè)備等）的取電要求。

4.2 外部電源的供電方式

外部電源的供電方式主要指電力體系和牽引變電所的連接方法，其由電力體系的布局狀況和牽引負(fù)荷的用電級(jí)別所決定。塞爾維亞通常選用的輸電電壓級(jí)別為400 kV、220 kV、120 kV等，其中400 kV和220 kV輸電網(wǎng)被視為重要網(wǎng)絡(luò)，一般被用來(lái)在國(guó)際間進(jìn)行傳輸，電氣化鐵路往往選用120 kV來(lái)當(dāng)作外部電源輸入電壓[2]。

4.3 牽引網(wǎng)的供電方式

牽引網(wǎng)的供電方式取決于牽引網(wǎng)特別輸電的經(jīng)濟(jì)性能和施工技術(shù)要求，按其設(shè)施的各種類型，可將其劃分成1×25 kV和2×25 kV兩類供電方法。塞爾維亞鐵路1×25 kV供電方式如圖1所示，其中電源線通常只為單線電氣化鐵路配置，一般是車站固定用電設(shè)施供應(yīng)第2路電源，旨在提升供電的穩(wěn)定性。

圖1 鐵路1×25 kV供電方式

塞爾維亞鐵路2×25 kV供電系統(tǒng)分別選用了兩大類型：120 kV/50 kV與120 kV/25 kV牽引變壓器。在傳輸功率保持一致的情況下，2倍的供電電壓會(huì)損傷1/4的系統(tǒng)，所以2×25 kV供電方法容許鄰近的牽引變電所保持更遠(yuǎn)的距離。匈塞鐵路塞爾維亞段目前選用單線電氣化鐵路，沿線牽引供電設(shè)備布局具備唯一性的特征，所以完善后仍選用1×25 kV牽引網(wǎng)供電方式，在運(yùn)輸總量增大后，以增設(shè)加強(qiáng)線的方式來(lái)滿足用電要求。

5 牽引供電系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

5.1 牽引變壓器運(yùn)行方式

有別于我國(guó)牽引變壓器一主一輔的運(yùn)行模式，塞爾維亞鐵路牽引變電所配置的2臺(tái)牽引變壓器在正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)中分別是左右兩側(cè)的供電臂來(lái)供電，如圖2a所示；緊急狀況下某個(gè)牽引變壓器能夠直接接管整所范圍內(nèi)的用電負(fù)荷，如圖2b所示。

圖2 牽引變壓器運(yùn)行模式

5.2 饋線斷路器配置原則

有別于我國(guó)各條饋線獨(dú)立配備1臺(tái)斷路器的方式，匈塞鐵路牽引變電所內(nèi)饋線斷路器選用“1帶2”的運(yùn)營(yíng)模式。在牽引變電所里，單線鐵路的接觸網(wǎng)絡(luò)和電源線路一起使用1臺(tái)斷路器；而雙線鐵路的上、下行接觸網(wǎng)一起使用1臺(tái)斷路器。

5.3 雙線接觸網(wǎng)并聯(lián)方式

有別于我國(guó)將分區(qū)所、AT所以及下行接觸網(wǎng)進(jìn)行并聯(lián)的方式，塞爾維亞電氣化鐵路在鄰近的牽引變電所之間通常未能配置分區(qū)所，往往在每一車站加設(shè)開(kāi)關(guān)場(chǎng)，以達(dá)到車站分束供電和上、下行接觸網(wǎng)并聯(lián)。

綜上，塞爾維亞電氣化鐵路牽引變壓器在其遠(yuǎn)近兩端均達(dá)到了備用電源的，具備更好的穩(wěn)定性；接觸網(wǎng)著重劃分供電分區(qū)，具備更好的靈活性；但鑒于其系統(tǒng)多部位的斷路器為隔離開(kāi)關(guān)所取代，導(dǎo)致其應(yīng)對(duì)故障的速度和精準(zhǔn)度有所不足?？傮w而言，塞爾維亞鐵路牽引供電系統(tǒng)與我國(guó)鐵路傳統(tǒng)模式有所差異，為我國(guó)設(shè)計(jì)、建設(shè)牽引供電系統(tǒng)提供了更豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)[3]。

6 鐵路樞紐供電設(shè)計(jì)的思考

6.1 “由里向外”供電優(yōu)化建議

6.1.1 設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

目前，鐵路樞紐牽引供電系統(tǒng)一般選用“由里向外”供電方式，在綜合考慮樞紐內(nèi)部大型車場(chǎng)正線總量多、動(dòng)車所或機(jī)務(wù)段應(yīng)單獨(dú)配置電路等特征，在負(fù)荷中心（樞紐大型車站）建設(shè)了1處牽引變電所，可同時(shí)為多條線路進(jìn)行供電，并滿足機(jī)務(wù)段和動(dòng)車檢修站等特別設(shè)備的用電需求。

6.1.2 存在問(wèn)題

鐵路樞紐構(gòu)成“由里向外”供電模式一定會(huì)造成中心牽引變電所去負(fù)擔(dān)呈輻射狀的、范圍更廣的供電責(zé)任。牽引變電所配置牽引變壓器和高壓引進(jìn)線路都選用100%固定備用，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，但27.5 kV開(kāi)關(guān)柜全部以單母線來(lái)設(shè)置，會(huì)出現(xiàn)停電波及區(qū)域廣、跨區(qū)支援能力差以及影響設(shè)施檢修等現(xiàn)象。

6.1.3 優(yōu)化建議

當(dāng)樞紐設(shè)計(jì)成“由里向外”供電布局時(shí)，可考慮在正常運(yùn)行狀態(tài)下把牽引變電所內(nèi)1組牽引變壓器分開(kāi)運(yùn)作，在緊急狀態(tài)下互相備用，并去除備用牽引變壓器組的完善措施。2個(gè)牽引變壓器可分開(kāi)，以單獨(dú)的電源線連接在地方變電站上，并選用換相接線方法來(lái)減小其對(duì)電力體系的負(fù)面作用，旨在確保外部電源的穩(wěn)定性。

6.2 “由外向里”供電優(yōu)化建議

6.2.1 設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

當(dāng)樞紐“由里向外”供電布局大致建成，且引進(jìn)了新修線路時(shí)，為了避免變電所的供電區(qū)域增大，可能會(huì)改用“由外向里”的供電布局，即在樞紐外部重新修建牽引變電所，再為接軌車站供電，在新建的變電所即可達(dá)到跨區(qū)供電與末端并聯(lián)。

6.2.2 存在問(wèn)題

最新的線路選用“由外向里”的供電方式后，分區(qū)所附近區(qū)域會(huì)配置相應(yīng)的牽引變電所，兩座變電所的供電臂之間的距離較短，且不用末端并聯(lián)來(lái)提升供電功能，造成分區(qū)所只能發(fā)揮50%的能力，降低利用效率。同時(shí)因?yàn)闃屑~總方案設(shè)計(jì)不穩(wěn)定，如果后續(xù)有新的線路從中間站接軌，在“由外向里”供電方式的基礎(chǔ)下，難以符合車站各個(gè)正線的供電要求。

6.2.3 優(yōu)化建議

當(dāng)樞紐線路選用“由外向里”的供電方式時(shí)，可以將某一電分相安設(shè)在樞紐接軌站外部，中間站部位配置1處兩進(jìn)兩出開(kāi)閉所。開(kāi)閉所用電主要來(lái)源于中間站上、下行接觸網(wǎng)，將兩道饋線牽引出來(lái)供電給引出樞紐側(cè)區(qū)間接觸網(wǎng)，電分相處配置聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，便于后續(xù)有需要時(shí)可跨區(qū)供電。優(yōu)化方案將新修的分區(qū)所改為開(kāi)閉所，即可充分發(fā)揮分區(qū)所的運(yùn)行功能，也能夠加強(qiáng)供電方式的靈活度。

6.3 動(dòng)車所（存車場(chǎng)）供電優(yōu)化建議

6.3.1 設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

鑒于大型樞紐車站多數(shù)為始發(fā)終至車輛，往往會(huì)配置存車區(qū)域或動(dòng)車所以加快動(dòng)車檢修的速度和最優(yōu)化運(yùn)營(yíng)。動(dòng)車所或存在整備檢驗(yàn)工作的存車場(chǎng)至少需滿足兩回電源供電，其中最少需有一回是獨(dú)立電源。在設(shè)計(jì)期間，牽引變電所或開(kāi)閉所往往會(huì)設(shè)置單獨(dú)供電線來(lái)供動(dòng)車所（存車場(chǎng)）取電。

6.3.2 存在問(wèn)題

當(dāng)開(kāi)閉所供動(dòng)車所（存車場(chǎng)）取電時(shí)，能夠比較好地達(dá)到分束供電，但鑒于開(kāi)閉所至少必須存在1路電源來(lái)源于牽引變電所，這時(shí)動(dòng)車所（存車場(chǎng)）通常也具有從牽引變電所直接取電的基礎(chǔ)，但經(jīng)濟(jì)性有所欠缺；當(dāng)牽引變電所供動(dòng)車所（存車場(chǎng)）取電時(shí)，鑒于牽引變電所27.5 kV對(duì)饋線區(qū)域有所限制且遠(yuǎn)離動(dòng)車所（存車場(chǎng)），導(dǎo)致投入成本高，通常配置2條饋線供動(dòng)車所（存車場(chǎng)）取電，對(duì)檢修工作的靈活度產(chǎn)生負(fù)面影響，且施工技術(shù)差。

6.3.3 優(yōu)化建議

1）當(dāng)牽引變電所供動(dòng)車所（存車場(chǎng)）取電時(shí)，可用2個(gè)斷路器通過(guò)多個(gè)隔離開(kāi)關(guān)以達(dá)到分束供電的目標(biāo)。

2）為達(dá)到投資效益最優(yōu)化，可牽引2路供電線到動(dòng)車所（存車場(chǎng)）后再開(kāi)展分束。

鑒于故障波及范圍廣、故障范圍檢測(cè)難等緣由，斷路器“1帶2”模式較少應(yīng)用于我國(guó)雙線鐵路，但是供電給動(dòng)車所（存車場(chǎng)）就是介于上述兩種方案間的折中方式，也能兼顧經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)性。

7 結(jié)語(yǔ)

本文以匈塞鐵路塞爾維亞段設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，闡述了塞爾維亞電氣化鐵路牽引供電體系的技術(shù)特征，研究了完善樞紐牽引供電的方案，由此可知：（1）當(dāng)樞紐設(shè)計(jì)選用“由里向外”供電布局時(shí)，可在新修的中心牽引變電所配置2架單相接線牽引變壓器，正常狀態(tài)下分別運(yùn)行，緊急狀況下相互備用，即可提升樞紐供電的穩(wěn)定性；（2）當(dāng)樞紐線路選用“由外向里”供電方式時(shí)，樞紐中間站位置可以新修開(kāi)閉所，在為其余線路供電時(shí)也能夠達(dá)到末端并聯(lián)的目的，增強(qiáng)供電過(guò)程的靈活度；（3）動(dòng)車所（存車場(chǎng)）經(jīng)由牽引變電所經(jīng)過(guò)兩個(gè)斷路器再通過(guò)多個(gè)隔離開(kāi)關(guān)以達(dá)到分束供電的目的，在節(jié)省投資成本的同時(shí)，又可提升供電靈活度。