大秦線延慶至下莊牽引供電系統臨時改造方案

張亞賓 楊建興 辛榮亮

摘要：大秦線一期工程韓家嶺～大石莊段于1988年12月28日開通運營，牽引供電系統按年運量1億噸設計，大秦線2002年完成貨運量10231萬噸，已超過原設計的輸送能力，牽引供電能力極為緊張，尤以延慶～下莊段為甚，已嚴重影響機車正常運行。本文介紹了延慶～下莊段應急改造工程牽引供電系統設計的四個“第一”，確保了大秦線2004年年運量1.5億噸、2005年年運量2億噸目標的實現，供重載鐵路牽引供電系統設計參考。

Abstract： Hanjialing to Dashizhuang line， which is the first project of Datong-Qinhuangdao line， was opened and operated on December 28， 1988. The traction feeding system of Datong-Qinhuangdao line was designed on the base of 100 million tons per year volume， but the volume reached to 102.31 million tons in 2002， which was much more than original design transportation capacity. Over loading made traction power feeding system extremely tight， especially in Yanqing to Xiazhuang line， and this had seriously affected the normal operation of locomotives. This paper introduces four "NO.1" in the design of the traction power feeding system in emergency reconstruction project of Yanqing to Xiazhuang line， which can ensure to achieve the goal of year volume reaches up to 150 million tons in 2002 and 200 million tons in 2004. This paper can also be considered as the reference of the traction power feeding system design.

關鍵詞：延慶至下莊；應急工程；牽引供電系統；改造方案

Key words： Yanqing to Xiazhuang；emergency project；traction feeding system；reconstruction plan

中圖分類號：TM922.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）29-0140-03

0 引言

大秦線是我國第一條雙線電氣化、開行重載單元式列車的運煤干線，西起大同市，東至港口城市秦皇島，主要承擔晉北、蒙西及西北部的煤炭外運任務。大秦線開通14年來，運量逐年增長，2002年完成貨運量10231萬噸，已超過原設計10000萬噸的輸送能力，根據運量預測，2004年大秦線的煤炭運輸量為1.5億噸，2005年煤炭運輸量將達到2億噸以上。因此，大秦線牽引供電能力普遍不適應運輸組織的需要，特別是延慶～下莊供電臂接觸網的供電能力成為限制大秦線運量進一步提高的瓶頸。為了緩和大秦線延慶～下莊段的供電能力緊張，以及為增加重載列車、減少車流密度、預留天窗時間為下階段的2億噸擴能改造施工創造條件，有必要對延慶～下莊段實施應急改造，對供電設備能力進行加強，以滿足2004年大秦線年運量1.5億噸目標的實現。

1 既有牽引供電系統概況

1.1 牽引供電系統運行概況

根據運營資料，大秦線2004年1月完成運量1225.9萬噸，較1.5億噸日歷進度累計虧欠44.6萬噸，而牽引供電設備已處于過負荷運行狀態，1月份共發生饋線過負荷跳閘21次，較為嚴重的供電區段有5處，尤以延慶～下莊段為甚，該區段的過負荷跳閘有12次之多，接觸網傳導電流過載嚴重，供電臂末端電壓接觸網電壓低至16.3kV，經常導致機車停車，牽引供電系統供電能力滿足不了運輸組織需要。

1.2 牽引網供電方式和主要設備

大秦線牽引網供電方式采用AT供電方式，延慶至下莊區段牽引供電設施分布有延慶牽引變電所、鐵爐村開閉所和下莊分區所。所內主要設備和接觸網設備選型如圖1所示。

1.3 外部電源概況

延慶牽引變電所的外部電源電壓為110kV，兩回電源進線引自110kV康莊變電站，而康莊110kV進線母線由聶各莊變電所供電，該變電所主變壓器容量為180MVA，從聶各莊變電所至延慶牽引變電所的輸電線線路長度達74km。延慶牽引變電所的系統阻抗標么值分別為：最大運行方式為2.456；最小運行方式為4.4。從上述數據可分析出，延慶牽引變電所的供電系統的短路容量?。ㄗ钚》绞较聻?27MVA），系統較為薄弱。

1.4 供電能力薄弱的原因分析

延慶至下莊供電臂供電能力薄弱，接觸網電壓水平低的原因分析如下：

①110kV電力系統短路容量小、外部電源輸電線路過長，造成系統電壓損失過大。當牽引負荷增大至1000A時，55kV母線的最低網壓將達到40kV以下，其中系統壓損將占到絕大部分，如功率因數為0.85時，系統壓降將達到14000V?，F場運營的實測也證明了這一點。

②牽引負荷遠遠超過了設計負荷，行車組織密度和運量超過原設計的供電能力。

③線路坡度大，供電臂長，牽引負荷大。

延慶～下莊供電臂長度為47.3km，上行方向為重載列車，除延慶至軍都山隧道約10km的上坡外，其余均為下坡，線路最大坡度為4‰；下行方向雖為空車，但上坡區段居多，線路最大坡度為12‰。因此，在延慶～下莊供電臂上下行方向負荷電流均較大，導致接觸網末端電壓過低。

2 牽引供電系統改造方案

改造方案的目標是提高延慶至下莊段的接觸網最低網壓。

結合本段網壓偏低的主要原因，如能改善延慶牽引變電所所的外部電源，提高系統的最小短路容量，并通過增設牽引變電所，將可以從根本上解決網壓低的問題。但考慮到改善電源且增設牽引變電所需和電力部門進行協商，周期較長。為確保大秦線2004年實現年運量1.5億噸目標的實現，應在既有的牽引供電系統進行增容補強，采取相應的補強網壓的措施，提高供電臂末端電壓水平。

2.1 主要設計原則

①充分利用既有的牽引供電設施，并與大秦線2億噸改造工程相結合，盡量減少電力設備廢棄；②本次改造為大秦線年運量2億噸、牽引質量2萬噸改造工程的應急工程，牽引網正常運行狀態下，機車受電弓電壓按不低于19kV設計，待正式工程實施后，通過增加牽引變電所方案，實現正常運行情況下機車受電弓電壓不低于20kV。③通過本次的應急工程改造，延慶至下莊段的接觸網最低電壓水平應確保在19kV以上，保證大秦線2004年年運量達到1.5億噸。

2.2 改造方案

目前在既有線電氣化鐵路通常采用提高接觸網電壓的措施主要有：增設串聯電容補償裝置；牽引網增設加強導線，減少牽引網阻抗，降低壓損；增設牽引變電所，縮短變電所供電距離；采用增壓變壓器方案。

本段線路采用AT供電方式，目前牽引網最低網壓達到16kV，如提高網壓4kV以上，需結合既有可行的補強措施綜合考慮，本次網壓補償措施提出綜合網壓提高方案。

2.2.1 變電所增設自耦變壓器和有載自動調壓裝置

①牽引變電所增設2臺自耦變壓器。

延慶牽引變電所內既有牽引變壓器為十字交叉結線，所內不設自耦變壓器，當機車運行在延慶牽引變電所與鐵爐村開閉所之間時，牽引變壓器二次繞組除承受55kV回路電流外，還承受27.5kV回路電流。另據運行部門反映，隨著運量的增長，延慶～下莊供電臂T、N線間電流增至最大約1000A，變壓器與外部的電氣連接線（如導電桿等）出現過負荷現象，大秦線2億噸改造后，負荷將可能增至1500～2000A，過負荷現象更為嚴重。

為均衡牽引網電流，緩解主導電回路傳導能力不足的壓力，在延慶牽引變電所內增設2臺自耦變壓器，自耦變壓器的容量按照年運量2億噸的需要選擇，即20MVA。

②增設有載自動調壓裝置。

在延慶牽引變電所母線與自耦變壓器之間裝設有載自動調壓裝置，增壓變壓器原邊額定電壓為2×27.5kV，副邊電壓為（2×27.5kV+2×（6×1kV）），額定結構容量為（2×6000）kVA。

增壓變壓器的自動控制器可以同時對T、F線電壓進行同步聯鎖控制，并保證級位保持相同，分接開關每動作一個檔位，T-F間電壓提高2kV，T-R間電壓提高1kV；當上、下行饋線同時投入運行時，自動控制器可以同時對兩臺有載調壓增壓變壓器進行同步聯鎖控制，并保證級位保持相同；當僅有上行或下行饋線投入時，自動控制器可以單獨對一臺有載調壓增壓變壓器進行控制。

對于增壓變壓器的增壓效果，一方面牽引負荷使得增壓變壓器原邊電壓低于額定工作電壓，導致增壓變壓器的效率降低；另一方面，考慮電力系統、牽引變壓器阻抗以及功率因數的影響后，增壓變壓器的增壓效果也有所降低，計算如表1所示。

表1中27.5kV側牽引負荷電流按2000A計算，增壓變壓器變比使得原邊負荷電流增大，導致電力系統、牽引變壓器上的電壓損失增大，因此分接開關調整一個檔位，T、R間實際增壓小于1kV（0.66kV）。

綜合考慮上述原因對增壓變壓器效率的影響后，牽引網的電壓仍可提高2kV以上。

2.2.2 分區所增設可調無功補償裝置和固定電容無功補償裝置

為減少牽引網電壓損失，提高延慶～下莊供電臂牽引網電壓水平，同時有利于改善延慶牽引變電所的功率因數，在下莊分區所下行母線上安裝1套可調無功補償裝置，并聯電容器安裝容量為5600kvar，串聯電抗器額定容量為646kvar，為限制空載情況下母線電壓升高，同時在分區所裝設磁閥式可調電抗器，額定容量為4500kvar。另外再裝設一組固定電容補償裝置，并聯電容器安裝容量為5600kvar，串聯電抗器額定容量為646kvar。

在下莊分區所裝設可調無功補償裝置以及固定電容補償裝置后，牽引網電壓可提高1.5～2kV。

方案確定時對將補償裝置安裝在延慶牽引變電所或下莊分區所兩種情況作以下分析，電容器的安裝容量及增壓效果如表2所示。

從表2中可以看出，當相同容量的電容器組容量（5600kvar）安裝在分區所或變電所時，增壓效果是不同的，安裝在分區所時電壓增量是安裝在變電所的1.34倍。因此，為了提高牽引網的電壓，電容器組安裝在分區所較安裝在變電所更有效。

2.2.3 開閉所將上、下行接觸網并聯運行

在延慶牽引變電所和下莊分區所中間的鐵爐村開閉所，將上、下行接觸網并聯運行供電。接觸網上下行全并聯供電后，可改善牽引網的電流分布，提高牽引網電壓0.4～0.5kV，另外，通過對AT所并聯與不并聯情況下分別計算，牽引網能耗約可降低10%。

2.2.4 采用大截面合金牽引網導線和增設加強線

為進一步提高網壓、增強傳導能力，對延下段的接觸網改造結合大秦線2億噸擴能改造提前實施，改造后接觸網導線選擇為：

接觸線：CTHA-150；

承力索：THJ-150；

加強導線：延慶至軍都山隧道之間約10km設加強導線，型號為TJ-120，即既有的載流承力索利舊；

正饋線：延慶至軍都山隧道之間約10km選擇2×LGJ-185導線，剩余區段選擇LGJ-240導線；

保護線：LGJ-95；

通過對既有接觸網導線的更換，增大接觸網的等效載流截面和載流量，解決了接觸網傳導電流過載的問題，同時降壓了牽引網阻抗，降低了牽引網的電壓損失和牽引網損耗。

3 改造方案實施效果

在改造方案采取的四大措施中，有載自動調壓方案和可調無功補償增壓方案均無在AT區段工程實施經驗，為提高運行中補償電壓的可靠性，兩種補償措施同時采取。

本方案的實施在鐵道部領導的關心下，經建設單位、設計單位、施工單位和供貨廠家的多次論證后得以實施，工程從2004年3月中旬開始至2004年4月25日全部完工。

從2004年4月25日至2004年底，延慶至下莊段接觸網最低網壓保持在20kV以上，保證了機車的正常運行，牽引變電所功率因數由0.88提高至0.92，實現了設計的目標。確保了大秦線增開萬噸列車、2004年年運量1.5億噸目標的實現。

4 結論

①本工程第一次在AT供電方式下采用了增壓變壓器方案提高網壓，效果良好。為既有AT供電方式的電氣化鐵路提高網壓提供了一種新的選擇。②第一次在AT供電方式下采用分區所加裝可調電容無功補償裝置提高網壓并兼有提高牽引變電所功率因數的嘗試，可在下一步實踐中進行總結。③在電氣化鐵道中第一次采用了大截面的接觸網導線。接觸線采用CTHA-150mm2，承力索采用THJ-150mm2，與之配套的17種接觸網零部件新研制。為下一步實現大秦線擴能2億噸的目標奠定了堅實的基礎和經驗。④工程中采用鐵爐村開閉所上下行接觸網并聯運行，均衡了上下行的牽引網電流分布，改善了網壓。同時降低了牽引網電能損失，節省了運營成本。經測算，大秦線年運量2億噸，年用電量將達到21.7億度，如每度電計列0.5元，則年電費為10.85億元；如將下一步擴能改造工程中的AT所并聯運行，可節省電費約760萬元/年，經濟效果顯著。

參考文獻：

[1]TB 10009-98，鐵路電力牽引供電設計規范[S].1998.

[2]電氣化鐵道設計手冊-牽引供電系統，1988.

[3]電氣化鐵道接觸網，2004.