既有電氣化鐵路牽引網電壓損失改善措施研究

邊宏超，劉承志，曹景雷，游先亮，朱 婭

0 引言

近年來國內高速及重載鐵路發展迅速，與此同時，牽引網電壓損失增大的問題顯現出來，一些既有線路也需要擴能改造，特別是一些地處山區的線路末端網壓降低較為嚴重，甚至低于19 kV，影響機車正常運行，也限制了繁忙時期的機車密度。采取措施改善網壓水平十分必要，本文對牽引網電壓損失形成機理進行分析，提出2種改善措施，并結合實際利用PSCAD/EMTDC建模進行分析。

1 網壓損失介紹

所謂牽引網電壓損失是指變電所牽引側母線到機車取流點的電壓降。牽引網作為多導線懸掛系統總體呈現感性阻抗，因此會造成網壓損失。由于牽引負荷變化，網壓也不斷變化，特別在重載緊密運行時網壓降落幅度大。設U1為牽引側母線電壓，U2為機車取流點電壓，I為牽引網電流。φ為機車功率因數角，即I滯后U2角度為φ，那么電阻造成電壓降IR與I同相，電感造成電壓降IXL則超前90°。網壓損失ΔU就是IR和IXL在U2方向上的分量之和（圖1）。

網壓損失問題在南昆線、寶成線及寶蘭線等一些地處山區的線路均有不同程度存在，特別像南昆線近年來負荷持續增大，問題更加顯現。圖2為牽引網電壓實測曲線，從測量結果發現：該時段 14點57分、15點02分、15點05分、15點21分負荷較大，網壓明顯降低，最小值僅為19.3 kV。可見，采取措施提高網壓水平十分必要。

圖1 電壓損失向量圖

圖2 牽引網電壓實測曲線圖

2 牽引網電壓水平分析

2.1 牽引供電系統模型

（1）變電所。實現變壓、變相和向牽引網供電，牽引變壓器是其核心設備，Scott接線可實現三相和兩相系統間的對稱變換，使負序功率降至最低，各繞組相對匝數見圖3，原邊BC和AD成倒T形，3個出線端接入三相電網，這樣原邊三相對稱電壓經Scott變壓器，轉換為次邊兩相27.5 kV垂直電壓Uα、Uβ。Scott接線建模如圖3所示。

圖3 Scott接線原理及模型圖

（2）接觸網系統。該系統是具有特定幾何結構的復雜懸鏈系統。帶回流線直接供電系統主要由接觸線，承力索，回流線，鋼軌（2根）構成基本骨架，每隔一定距離將鋼軌與回流線相連接。建模重點在于阻抗參數的計算，由于各導線間存在特定的耦合關系，所以不僅與各導線材料、型號等有關，還與系統幾何結構有關。工程上，通過 Carson理論計算：單根導線與地回路的等效單位長自阻抗為

式中，Rε1為導線等效半徑；r1為其有效電阻；Dg為導線—地回路等值深度。

2根導線（設為1、2）與地回路等值互阻抗為

式中，d12為2根導線間距離。

通常將電氣并聯導線合并等效成一個當量導線，則該當量導線—地回路單位長等效阻抗為

式中，Rε是該當量導線等效半徑。

同一懸掛中接觸線、承力索合并（T），2條鋼軌合并（R）。接觸網呈分布參數特性，可用分段集中參數模型來等效。

（3）機車。SS6B型電力機車是國內客、貨運主力機車之一，最高速度 100 km/h，總功率4 800 kW，多機重聯時可擔當重載貨運牽引。它采用3段半控橋晶閘管相控整流無級調壓，傳統直流傳動方式。SS6B機車主電路建模見圖 4，其調速控制較復雜，具體可參考文獻[2]。SS6B運行時會向牽引網注入諧波且含量較為豐富，圖 4給出了50 km/h時的諧波電流含量，因此需要考慮為降低網損而采取的措施對牽引網諧波特性造成的變化。

圖4 SS6B主電路建模及50 km/h時諧波含量圖

2.2 阻抗測算

由ΔU=IRcosφ+IXsinφ=I(Rcosφ+Xsinφ)，記z=rcosφ + xsinφ為牽引網等效單位阻抗。供電臂長L= 35 km，阻抗z= 0.339 Ω/km，供電臂下放2臺SS6B（15 km、25 km各1臺），以持續50 km/h速度運行，每臺I= 430 A（SS6B雙機牽引）。

牽引網壓損：

ΔUl= z×2I×15 + z×I×10 = 583.1V

變壓器造成壓損：主變壓器容量63 MV·A，阻抗電壓百分數10.5，則

由圖3知Scott變壓器可等效為2個單相變壓器，對單相接線變壓器壓損為

ΔUT=XTsinφ(I1+I2)，I1、I2為負荷。

ΔUT=XTsinφ(I1+I2) = 2.520 8×0.435 9×(860 + 860) = 1 890 V

110 kV系統造成壓損：

電力系統造成壓損：

ΔUS= 0.415XS(I1+I2) = 1 080 V

由此，供電臂末端電壓：

Umin=U0- ΔUS-ΔUT- ΔUl= 18.699 kV，該值低于19 kV，需要采取措施來提高網壓水平。仿真測量母線電壓為24.939 kV，末端電壓18.911 kV，圖5為母線和牽引網末端測量波形。

圖5 母線電壓與末端網壓波形圖

3 牽引網電壓水平的改善方案

提高網壓的方法：a.改用AT供電方式以適應高速和重載，但成本高施工量大；b.采用有載調壓牽引變壓器，其缺點是對反應速度要求較高，一旦反應慢于最大負荷突然消失速度時，牽引網會產生過電壓危及絕緣配合，而且調壓范圍還受到母線最高允許電壓限制；c.在2座變電所間中性處增建附加變電所，毫無疑問，該方法費用高昂；d.改用阻抗較小的銅合金載流承力索，這需要拆除原有接觸懸掛重新安裝。綜合來看，對既有牽引網增設加強導線，和采用串聯電容補償裝置具有技術可行、經濟性、易于施工的特點。

3.1 增設加強導線改善網壓

當牽引負荷一定時，牽引網壓損與牽引網阻抗成正比，采用加強導線可以降低牽引網阻抗，對接觸線起到分流作用。在一些特殊情況下（如山區地段）增設加強導線是行之有效的方法。增設加強導線（采用 LJ-185型絞線）的牽引網模型圖略，其仿真測量結果見表1。

增設加強線后，牽引網的末端電壓抬高了ΔUmin= 1 738.8V，末端電壓損失降低了約27.8%。增設加強線前后牽引網的諧波特性見圖6。

圖6 增設加強線前后的諧波特性圖

3.2 串聯電容補償裝置（SCC）

帶串聯電容補償裝置（下文簡稱串補）牽引網等值電路如圖7所示。

圖7 補償示意圖

補償前牽引網壓損為

補償后牽引網壓損為

由式（5）、式（6），可得負荷電流通過串聯電容器時的壓損：

ΔUC為負值表明壓損減小，改善效果與取流大小及功率因數有關，且|ΔUC|與負荷電流成正比，相當于根據負荷的變化而自動調節網壓。

串補容量由補償電壓所需的容抗及通過的電流值來決定：

式中，ΔUC為需補償的壓損；Imax為饋線最大電流。

注意，XC須小于牽引網阻抗XL與變壓器阻抗XT之和，避免系統發生諧振：

XL=Z×L= 0.339×35 = 11.865(Ω)

即應有XC＜11.865 + 2.521 = 14.386(Ω)

已知饋線Im= 1 280 A，電容器元件參數：

UCN=1 000 V，ICN= 100 A，XCN= 10 Ω，

Umin= 18.91 kV，需要補償電壓2 000 V，則所需容抗

XC= ΔUC/Imaxsinφ= 2 000/ (1 280×0.435 9)= 3.585(Ω)〈〈14.386(Ω)

所以，ΔUC= 2 000 V時不會產生諧振。

并聯支路數m=Imax/ICN= 1 280 / 100 = 12.8

每個并聯支路中串聯電容器數

n=mXC/XCN= (12.8×3.585) / 10 = 4.6

取m= 13，n= 5，電容器組為13并5串，則實際容量QC和實際容抗CX′為

實際補償的壓損為

滿足補償要求。

圖8是串聯電容器組接線圖。故障時放電間隙FJ擊穿避免電容器組承受過電壓，一旦通過電流互感器TA的電流超過整定值，則保護裝置動作，斷路器D合閘將電容器組短接，放電間隙熄滅，R和L在故障時構成放電回路。

測量數據及網壓水平改善效果對比見表 2和圖9。

表2 測量數據比較表

圖8 串補裝置主接線圖

可見，變電所加裝串補后，饋電線電壓抬高了ΔUkmin= 2 125 V，牽引網末端電壓抬高了ΔUmin=20.852 1– 18.911 = 1.941 1 kV = 1 941.1 V。圖10為加裝串補后母線諧波特性，與圖6進行比較可知，串補并未明顯改變原牽引網諧波特性。

圖9 補償后母線電壓與末端網壓波形圖

圖10 補償后的諧波特性圖

4 結束語

通過在接觸懸掛系統增設加強導線對接觸線電流進行分流，降低牽引網阻抗；采用串補，利用容抗來補償主變壓器和接觸網感抗造成的壓損，可有效改善網壓水平。在重載區段，特別是一些地處山區的線路或機車密度較大的繁忙線路，可以考慮兩者配合使用。仿真結果表明在既有線路改造中合理應用該技術，可以達到預期改善網壓作用，且成本相對較低，易于施工。

[1]李群湛，賀建閩.牽引供電系統分析[M].成都：西南交通大學，2007.

[2]劉友梅.韶山 6B型電力機車[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

[3]李群湛.電氣化鐵道綜合補償技術[M].成都：西南交通大學，2009.