南昆鐵路牽引供電系統電壓水平及補償措施

李 劍，袁 勇，高 宏

0 概述

南昆鐵路采用部分帶回流線的直接供電方式；全線共設18 座牽引變電所；各牽引變電所均采用三/二相不等容牽引變壓器，安裝容量由 2×12.5 MV·A 至2×25 MV·A 不等；各牽引變電所27.5 kV 側均裝設了固定電容補償裝置。1998 年變更設計時在部分牽引變電所內及區間增設了串聯電容補償裝置。其電氣化鐵路運行采用交直傳動型電力機車，該類機車采用半控橋式整流裝置，通過控制晶閘管的導通角來實現機車出力的調節，導致功率因數較低（0.75～0.8），并產生較豐富諧波。

該線外部電源除個別牽引變電所外普遍較弱，尤以百色—威舍段為甚。以百色—威舍段的田林牽引變電所和平林（小平塘）牽引變電所的外部電源為例，田林牽引變電所為百色沙坡220/110 kV 變電站引出2 回110 kV 電源供電，110 kV 線路供電距離達到了68 km；平林牽引變電所為隆林220/110 kV 變電站引出2 回110 kV 電源供電，110 kV線路供電距離為58 km。其中田林110 kV 最小短路容量僅為195.64 MV·A，可見，影響南昆鐵路牽引供電系統電壓水平的主要因素是外部電源薄弱，機車自然功率因數偏低。

1 電壓水平理論計算及重載測試

1.1 電壓水平理論計算

1.1.1 計算條件

機車功率因數暫按0.8 計，適當考慮實際運行情況。110 kV 外電情況：根據現場實際運行情況按電力系統最小運行方式取值，田林牽引變電所按最小短路容量195.64 MV·A 計算。

1.1.2 田林牽引變電所理論計算

田林牽引變電所采用三/二相不等容牽引變壓器，安裝容量2×25 MV·A，供電臂長度分別為喜屯方向32.25 km，巖龍方向31.182 km，并在田林牽引變電所、汪甸站、潞城鄉站設置了串聯電容補償裝置，補償了7.16 kV 和7.39 kV 的電壓，其電壓水平理論計算結果見表1。

由上述計算結果可知，對接觸網末端最低電壓水平的影響，主要為牽引網壓損及系統、牽引變壓器壓損。

1.2 牽引重載試驗測試驗證

1.2.1 試驗排車情況

牽引重載試驗時田林牽引變電所主要測試田林—巖龍供電臂。共3 列列車運行，其中，2 列為雙機牽引，1 列為單機牽引。

1.2.2 測試結果

田林牽引變電所測試數據見表2；供電臂末端區間機車測試數據見表3。

表1 田林牽引變電所電壓水平計算結果表

表2 田林牽引變電所測試數據表

表3 供電臂末端區間機車測試數據表

2 影響牽引供電系統電壓水平因素分析

從以上理論計算及測試結果可見，影響牽引供電系統電壓水平的因素主要有以下2 個方面。

2.1 110 kV 系統

試驗時測得110 kV 側三相空載最高電壓達到121 kV，而在最大負荷情況下（牽引變電所饋線電流約910 A），110 kV 側最低電壓僅93.62 kV，折算至27.5 kV 牽引側其系統電壓損失達到7.25 kV，與理論計算結果基本一致。由此可見，110 kV 進線電壓波動大大超過了國家標準規定的限值，反映了系統短路容量小、短路阻抗大，致使牽引負荷在電力系統中造成的電壓損失增大。

2.2 功率因數

測試過程中SS7機車功率因數、牽引變電所功率因數均偏低，使牽引供電系統設備的供電能力不能充分利用，還導致線路及變壓器的無功損耗增加，電壓損失增大。

以上2 個原因均極大地加大了系統、牽引變壓器、牽引網的壓損，直接導致了供電臂末端牽引網電壓水平偏低，引起實際運營中列車多次發生運緩、坡停、跳閘等情況。

3 綜合補償措施

通過以上分析可以看出，在外部電源短時間內難以切實得到改善的情況下，只能改善功率因數，而機車類型決定了機車自然功率因數難以大幅度提高。因此，要提高牽引供電能力，必須對牽引供電系統進行分析并進行相應治理。

3.1 綜合補償措施的選擇

目前電氣化鐵路一般采取如下補償措施：動態并聯電容補償裝置（SVC）；串聯電容補償裝置；增壓變壓器；更換牽引變壓器為有載調壓三相V/v牽引變壓器；載流承力索。

經校驗分析，上述任何一種補償措施均難以使牽引供電系統電壓水平達到要求，因此需要采用系統化的綜合補償技術。根據南昆鐵路現場實際情況及技術實施的難易程度，擬定了以下補償方案：

（1）全供電臂設置載流承力索。

（2）保留田林牽引變電所內及供電臂中間設置的串聯電容補償裝置（1998 年南昆鐵路變更設計時已實施）。

（3）選擇由固定濾波裝置（FC）與晶閘管相控制電抗器（TCR）構成的靜止無功補償系統（SVC），通過調節電抗器電流，實現無功自動調節，降低無功功率，改善功率因數，實時控制系統功率因數在0.9 以上；保持牽引母線在較高電壓水平，增加牽引系統的供電能力；部分吸收3 次、5次、7 次諧波電流，降低諧波電流對電力系統的不良影響。

（4）增設2 臺增壓變壓器作為后備電壓補償措施。

3.2 補償后的效果驗證

采用上述相同計算條件，增設載流承力索、設置可調無功補償裝置后，其計算結果見表4。

實施以上措施后，2005 年對田林牽引變電所再次進行了牽引重載試驗測試。在重車通過時，A相（田林—巖龍）電流達到最大值（1.002 4 kA），牽引變電所功率因數為 0.931 9，有功功率為21.852 MW，無功功率為8.502 Mvar，基波電壓為23.505 kV。測試曲線見圖1。

表4 田林牽引變電所綜合補償效果表

圖1 電流、電壓及功率因數測試曲線圖

由圖1 的測試結果可見，在田林牽引變電所供電范圍內采用了多種臨時應急補償措施后，其效果較為明顯，牽引供電系統的水平得到了較大提高。

可見，針對類似南昆鐵路田林牽引變電所外部電源薄弱、機車功率因數低、機車電流大的情況，只有采用多種補償措施綜合考慮，多管齊下，才能解決其供電能力問題。

4 結束語

對于外部電源比較薄弱、牽引負荷較大、采用交直型機車牽引的山區鐵路牽引供電系統電壓水平問題，首先要掌握牽引供電網絡運行狀態，對電壓水平開展實時監測，以掌握其動態；其次是詳細分析電能質量的測試數據及電壓水平的影響因素；再次是開展系統的合理設計和改造，結合運行負荷的特點并有針對性地采用技術經濟合理的、運行可靠的補償措施；最后還需進行現場測試，以了解補償后的效果，并總結經驗，最終達到最佳補償效果。但也應該看到，這些都只能作為臨時措施或補充手段，最終解決這些電能問題還是需要一個強大的外部電源系統的支持。特別在國民經濟快速發展的背景下，鐵路運量快速增長，牽引負荷大幅度提高的情況下，電氣化鐵路的電能質量問題特別是電壓水平問題已經對鐵路運輸產生了很大影響，因此如何使外部電源建設更適應電氣化鐵路的負荷特點和需要，應該成為今后電氣化鐵路沿線外部電源建設的重點研究內容。

[1] GB12325-1990中華人民共和國國家標準 電能質量 供電電壓允許偏差[S].

[2] 電氣化鐵道設計手冊 牽引供電系統[M].北京：中國鐵道出版社，1988.

[3] 南昆線牽引供電系統能力加強牽引供電施工設計文件鐵道第二勘察設計院，2005，2.

[4] 南昆線南寧—威舍全程測試報告 柳州鐵路局 鐵二院西南交大電氣學院，2002.

[5] 田林牽引變電所電能測試報告.