牽引供電系統(tǒng)在長期過負(fù)荷狀態(tài)下的策略分析

張偉

【摘 ?要】煤炭是我國從事工業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的主要應(yīng)用能源物資，目前，我國煤炭運(yùn)輸?shù)闹饕问绞氰F路運(yùn)輸，且運(yùn)輸模式也逐步發(fā)展。然而，在實(shí)際工作中，任有許多問題頻繁出現(xiàn)而沒有得到解決。針對(duì)鐵路牽引變壓器長期過負(fù)荷這一問題，進(jìn)行了分析，并且提出相應(yīng)的措施，充分發(fā)揮牽引變壓器的過負(fù)荷能力，做到既節(jié)約資金，又保證不間斷供電。

【關(guān)鍵詞】牽引供電系統(tǒng);過負(fù)荷狀態(tài);繼電保護(hù)

包神鐵路集團(tuán)貨運(yùn)以煤炭運(yùn)輸為主，擁有包神線、塔韓、甘泉及新準(zhǔn)等重載運(yùn)輸通道。近年來，由于塔韓鐵路線運(yùn)量逐年增加，牽引變電所主變壓器過負(fù)荷現(xiàn)象越來越頻繁，部分變電所主變壓器出現(xiàn)過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作告警，影響鐵路正常行車組織。如何科學(xué)的制定措施，充分發(fā)揮牽引主變壓器的過載能力，做到既節(jié)約投資又保證供電安全，成為急需研究解決的課題。

一、牽引供電系統(tǒng)的特點(diǎn)

電氣化鐵道供電需要一次供電系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)共同完成。其中一次供電系統(tǒng)是指電力系統(tǒng)向電氣化鐵道的供電部分。在我國，電力系統(tǒng)通常以110 kV或者220kV的電壓等級(jí)向電氣化鐵道供電，主要包括地方變電站或發(fā)電廠和交流高壓輸電線，這兩部分即為電氣化鐵道的一次供電系統(tǒng)。而牽引供電系統(tǒng)是指完成對(duì)電力機(jī)車供電的屬于鐵路部門管轄的部分，它由牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、鋼軌和鋼軌回流線等組成。

1、供電方式及設(shè)備種類多樣化，有直接供電方式、帶回流線的直接供電方式、串聯(lián)吸流變壓器供電方式、自耦變壓器供電方式，這些供電方式的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特性有較大的差異。牽引變壓器有單相、阻抗匹配平衡接線、十字交叉接線等形式，它們具有不同的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。由于供電方式不同，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)類型也較多。

2、牽引供電系統(tǒng)和電力機(jī)車在電氣上是一個(gè)連續(xù)的整體，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和信息化管理。牽引供電系統(tǒng)中存在的主要技術(shù)問題，包括牽引變壓器供電能力的提高及增容、牽引網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)、電力系統(tǒng)要求對(duì)諧波、負(fù)序、無功的治理等。為解決這些技術(shù)問題，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中需要對(duì)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，例如對(duì)各種供電方式的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、性能的分析計(jì)算和優(yōu)化對(duì)變壓器過負(fù)荷能力及對(duì)負(fù)荷平衡能力的研究對(duì)諧波、負(fù)序、無功、電壓損失、防干擾能力等進(jìn)行系統(tǒng)地分析和綜合治理研究等等。可見，對(duì)電氣化鐵道供電系統(tǒng)的基本要求可以概括如下：保證向電氣化鐵路安全、可靠、不間斷地供電;提高供電質(zhì)量，保證必需的電壓水平;提高功率因數(shù)，減少電能損失，降低工程投資和運(yùn)營費(fèi)用;盡量減少單相牽引負(fù)荷在電力系統(tǒng)中引起的負(fù)序電流、負(fù)序電壓和高次諧波的影響;盡量減小對(duì)鄰近的通信線路的干擾影響，我國電氣化鐵道己運(yùn)營了幾十年，在實(shí)踐中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，但與鐵路電氣化發(fā)達(dá)國家相比，在技術(shù)及裝備上仍有較大的差距。特別是在面臨高速和重載的要求下，電氣化鐵道供電系統(tǒng)中更有許多技術(shù)難題需要解決。

二、牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般包括預(yù)可行性研究階段、可行性研究階段、初步設(shè)計(jì)階段和施工圖階段。預(yù)可行性研究是牽引供電系統(tǒng)項(xiàng)目立項(xiàng)的依據(jù)，按鐵路建設(shè)的長遠(yuǎn)規(guī)劃，經(jīng)現(xiàn)場勘察后編制可行性研究文件是牽引供電系統(tǒng)項(xiàng)目決策的依據(jù)，根據(jù)批準(zhǔn)的項(xiàng)目建議書，采用初測資料編制，可行性研究的工程數(shù)量和投資估算要有較高精度初步設(shè)計(jì)是牽引供電系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)的主要依據(jù)，根據(jù)可行性研究鑒定意見，修改、補(bǔ)充供電方案，補(bǔ)充各項(xiàng)計(jì)算，初步設(shè)計(jì)文件經(jīng)審查、修改、批準(zhǔn)后，作為控制建設(shè)總規(guī)模和總概算的依據(jù)，滿足工程招標(biāo)、設(shè)備采購、征用土地和進(jìn)行施工準(zhǔn)備的需要施工圖階段則需要解決兩個(gè)問題，一是根據(jù)初步設(shè)計(jì)審批意見校核供電方案，進(jìn)行各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)計(jì)算，二是配合建設(shè)、運(yùn)營單位與電力部門協(xié)調(diào)、落實(shí)外部電源供電方案。在設(shè)計(jì)過程中，方案比選環(huán)節(jié)是最為關(guān)鍵的部分，一般牽引供電方案包括牽引網(wǎng)供電方式、牽引變電所、開閉所、分區(qū)所分布方案、牽引變壓器接線方式及容量計(jì)算、接觸導(dǎo)線和供電線選擇、牽引網(wǎng)電壓水平及補(bǔ)償措施、牽引能耗及電能損失計(jì)算、接觸網(wǎng)的供電及運(yùn)行方式、無功補(bǔ)償和濾波裝置設(shè)計(jì)等。為了得到推薦方案，需要根據(jù)相關(guān)專業(yè)提供的詳細(xì)資料，進(jìn)行電氣計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果和其他資料進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，征求運(yùn)營單位主要是上級(jí)單位的意見，進(jìn)行最后的落實(shí)工作。

三、慨況

牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：全線采用帶回流線的直接供電方式。在三個(gè)牽引變電所，并利用三個(gè)分區(qū)所工程設(shè)計(jì)如圖所示。

1、一階段：貨運(yùn)專線開通后的繼電保護(hù)措施

在電氣化工程開通后，供電設(shè)備運(yùn)行狀況基本良好。由于運(yùn)輸組織部門在貨運(yùn)方面不斷加大運(yùn)量，貨運(yùn)速度也有明顯提高，不斷提高貨車牽引質(zhì)量;這些提高線路運(yùn)輸能力的行車組織方式的變化，導(dǎo)致線路牽引負(fù)荷有較大增加，已經(jīng)嚴(yán)重超越了單位批復(fù)意見中的設(shè)計(jì)條件，造成牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)經(jīng)常跳閘，給正常行車帶來一定影響。目前保護(hù)整定值經(jīng)過多次調(diào)整已經(jīng)接近設(shè)備極限能力，但是現(xiàn)場不斷增長的牽引負(fù)荷導(dǎo)致保護(hù)告警的現(xiàn)象仍然時(shí)有發(fā)生。目前實(shí)際的條件與單位批復(fù)意見發(fā)生了變化。

將牽引變壓器過負(fù)荷倍數(shù)調(diào)整為2 倍，供電專業(yè)按此值調(diào)整了牽引變壓器過負(fù)荷保護(hù)定值：過負(fù)荷段電流定值：I1FH = Kk ×IeH = 2× 165.33= 330.66 A過負(fù)荷Ⅰ段時(shí)間：T1FH = 60 s過負(fù)荷Ⅱ段電流定值：I2FH = Kk×IeH = 2× 165.33= 330.66 A過負(fù)荷Ⅱ段時(shí)間：T2FH = 90s，需要注意的是主變鐵心采用的是低損耗冷軋取向硅鋼片，繞組采用的是同一廠家的紙包無氧銅導(dǎo)線繞制。為避免匝間擊穿，過負(fù)荷倍數(shù)調(diào)整到2 倍后建議不要再調(diào)高。

2、二階段：建議對(duì)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行改造措施

目前實(shí)際的運(yùn)行條件已經(jīng)嚴(yán)重超過了單位批復(fù)意見，建議在適當(dāng)時(shí)機(jī)對(duì)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，并采取以下改造方案。

（1）牽引變壓器進(jìn)行增容改造。為避免長期過負(fù)荷導(dǎo)致絕緣水平下降以及主變?cè)验g擊穿等嚴(yán)重問題，建議對(duì)牽引變壓器進(jìn)行增容改造，更換更大容量的變壓器。

（2）牽引變壓器二次側(cè)出線導(dǎo)線、上網(wǎng)供電線、接觸網(wǎng)導(dǎo)線擴(kuò)能改造，在整個(gè)牽引供電系統(tǒng)長期嚴(yán)重過負(fù)荷時(shí)，牽引變壓器二次側(cè)出線導(dǎo)線、上網(wǎng)供電線、接觸網(wǎng)導(dǎo)線發(fā)熱會(huì)超過設(shè)計(jì)水平，為此，建議對(duì)以上設(shè)備加大導(dǎo)線線徑并精心校核其可靠性。

（3）增設(shè)接觸網(wǎng)加強(qiáng)線。可考慮在供電臂內(nèi)增設(shè)接觸網(wǎng)加強(qiáng)線，牽引變電所內(nèi)電流互感器需要更換設(shè)備增容牽引變電所110 kV進(jìn)線、主變出線、27.5 kV 饋線電流互感器需要更換大電流互以適應(yīng);一次側(cè)電流根據(jù)實(shí)際情況校核后選取。為了更有效利用變壓器過負(fù)荷能力，牽引變電所內(nèi)增設(shè)主變熱過負(fù)荷保護(hù)，熱積累效應(yīng)同時(shí)考慮電流基波和諧波分量的作用，具有變壓器繞組超溫告警功能，當(dāng)繞組達(dá)到一定溫度時(shí)發(fā)出告警信號(hào)，具備跳閘預(yù)告警功能，提前一段時(shí)間提示保護(hù)即將出口跳閘一般整定成只告警不跳閘，保護(hù)返回考慮散熱過程，根據(jù)繞組溫度的情況確定。

（4）主變?cè)鲈O(shè)牽引變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)。為了提前發(fā)現(xiàn)變壓器因長時(shí)間過負(fù)荷運(yùn)行等原因造成油質(zhì)劣化帶來的故障隱患，避免使之?dāng)U大為事故影響供電系統(tǒng)安全運(yùn)行，主變?cè)鲈O(shè)牽引變壓器油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)。該裝置為成熟產(chǎn)品，在電氣化鐵道應(yīng)用較多，定期投切主備牽引變壓器，使之均衡使用如可以規(guī)定主備牽引變壓器每3個(gè)月投切一次。

（5）安排相應(yīng)的檢測檢修和試驗(yàn)，及時(shí)處理設(shè)備缺陷比如縮短對(duì)牽引變壓器的色譜跟蹤和鐵心絕緣搖測周期，可以規(guī)定牽引變壓器色譜跟蹤和鐵心絕緣搖測周期，對(duì)變電所綜自系統(tǒng)及SCADA 遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的接口及軟件擴(kuò)容改造這是必須的優(yōu)化措施，以適應(yīng)供電系統(tǒng)改造需要。

（6）在所有供變電設(shè)備及接觸網(wǎng)改造完成后需對(duì)繼電保護(hù)整定值重新進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)新的供電系統(tǒng)參數(shù)如新的主變短路阻抗、主變?nèi)萘俊伨€最大負(fù)荷電流等，對(duì)主變、饋線等保護(hù)的相關(guān)整定值重新進(jìn)行校核調(diào)整，此處不再贅述。

四、采取的技術(shù)措施

1、牽引主變壓器過負(fù)荷能力設(shè)定

V /V 結(jié)線的牽引主變壓器典型負(fù)荷曲線如。按環(huán)境溫度 30℃，繞組熱點(diǎn)溫度不超過 140℃，頂層油溫不超過 105℃。過負(fù)荷能力要求 24h 內(nèi)出現(xiàn)200% 的負(fù)荷不超過 3 個(gè)，出現(xiàn)的時(shí)間間隔為 4h，其他時(shí)間按 100% 的負(fù)荷運(yùn)行。考慮到牽引變壓器的負(fù)荷率較低，一般為 0.6，設(shè)定變壓器后備保護(hù)過負(fù)荷倍數(shù)為 2.5，過負(fù)荷延時(shí) 90s。結(jié)合某高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的具體情況，按照牽引負(fù)荷逐步增大的順序分三個(gè)階段研究了牽引供電及其他系統(tǒng)在長期嚴(yán)重過負(fù)荷狀態(tài)下的策略：即研究了整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)提升改造的方法以及行車組織等方面的應(yīng)對(duì)策略，對(duì)目前電氣化鐵道長期過負(fù)荷這一普遍問題進(jìn)行了分析。

2、饋線保護(hù)整定值修改

按實(shí)際運(yùn)行的母線最低電壓及最大負(fù)荷電流進(jìn)行整定

3、采取措施后的效果

牽引變電所保護(hù)整定值調(diào)整后，主變壓器過負(fù)荷現(xiàn)象得到明顯的改善，過負(fù)荷跳閘大幅度減小，線路運(yùn)量較為合理，基本滿足鐵路運(yùn)輸要求，牽引變壓器未發(fā)生異常現(xiàn)象，各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均正常。

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（作者單位：神華包神鐵路公司）