帶回流線的直接供電方式牽引供電計算方法研究

陳鮮

（中交鐵道設計研究總院有限公司 電通處，北京100089）

1 概述

牽引供電系統為列車及動車組提供不竭的清潔能源，在鐵路系統的安全、可靠運行中起著不可或缺的作用。當前我國牽引供電系統采用110kV或220kV 電壓等級，經過牽引變電所變壓器轉變為27.5kV 或55kV（AT 供電方式）電壓，再由接觸網為電力機車輸送電源。因此牽引變電所和接觸網所在的牽引供電系統設計及計算，就顯得至關重要。

2 牽引供電計算理論及方法

當前在實際工程設計中常用的牽引供電計算方法有“平均行車量”法、“列車運行圖”法及“概率統計”法。在開展牽引供電系統的設計及計算時，應當依據工程的特點及各種方法的適用場合，及供電計算所需參數及資料，確定供電計算需要采取何種具體方法，以便滿足工程的實際需求[2]。

本文主要采用概率統計法進行分析。通過概率統計理論，展現供電區段中移動的、且隨時間變化的機車牽引負荷的隨機變化規律，從而得出某供電臂在95%概率情況下的各類電流數值及最低電壓水平等，即所謂牽引供電計算概率統計法[2]。

概率統計法在牽引供電計算中應用較普遍，尤其是計算單線電氣化區段供電臂的電流和電壓損失等參數，及能耗不均勻時供電臂的電能損失等的計算方面較有優勢[3]。本文分析算例為單線鐵路，適合采用概率統計法進行計算和分析。

3 牽引供電計算用到的基本公式

3.1 主要技術指標計算公式

3.1.1 供電臂平均電流Ip。本文供電方案采用單邊供電方式，其供電臂平均電流可表示如式（1）[1]。

其中N——供電臂中的列車對數（對/日）；

Ai——電力機車在供電臂內上、下行全部走行時間內的能耗（kVA·h）。

3.1.2 供電臂有效電流Ix

式中Kx——供電臂有效電流系數。

3.1.3 上行饋線最大電流Imax上

式中Ig上——上行供電臂電力機車帶電平均電流；

w——95%帶電概率列車數，由供電臂95%最大車數一覽表查表得出，也可采用概率統計方法進行計算。

3.1.4 牽引變壓器計算容量S

式中U——牽引變電所母線側額定電壓，即27.5kV；

3.1.5 牽引變壓器校核容量Sj

3.1.6 牽引供電系統的電壓水平Umin

（1）接觸網電壓損失

式中r——牽引網單位電阻（Ω/km）；

L——供電臂長度；

cosφ——功率因數。

（2）牽引變壓器電壓損失

式中zT——牽引變壓器阻抗。

（3）牽引網并聯供電時的最低電壓水平Umin

式中ΔUs——電力系統的電壓損失，一般暫按2000V考慮。

3.2 電能損失及牽引能耗計算

3.2.1 電能損失

本文供電方案采用單相V/V結線形式的牽引變壓器，本節公式適用于單相V/V結線牽引變壓器。

（1）牽引變壓器年空載損耗

式中ΔPC——每臺牽引變壓器額定鐵耗（kW）。

（2）牽引變壓器年負載損耗

式中ΔPt——每臺牽引變壓器額定銅耗（kW）；

IH——每臺變壓器27.5kV側額定電流（A）。

牽引變壓器年電能損失為其年空載損耗ΔAC與年負載損耗ΔAt之和。

（4）牽引網年電能損失

式中m——供電臂內的平均列車數；L——供電臂長度（km）；It——供電臂列車平均電流（A）；α——列車電流間斷系數；

牽引變電所年電能損失為ΔAT與ΔAQ之和。

3.2.2 變電所牽引能耗

式中ΔAxc——供電臂上下行能耗之和。

牽引能耗為變電所牽引能耗與年電能損失之和。

4 實例分析

以華中某鐵路專用線為例，說明牽引供電計算的過程。該專用線長42km，近遠期運量均為10000 噸，采用HXD系列機車雙機牽引。根據線路長度和線路特點，推薦采用帶回流線的直接供電方式，在該專用線車站B大里程方向設置一座直接供電方式牽引變電所。

4.1 牽引供電計算基礎數據

表1 是由行車專業提供的該專用線區間運行時分、能耗數據。

表1 行車專業提供的專用線區間運行時分、能耗數據

4.2 牽引供電計算結果

以4.1 和4.2 節牽引供電公式為基礎，編寫牽引供電計算表格，將專用線區間運行時分、能耗數據代入牽引供電計算表格，可得到表2 數據。

表2 牽引供電系統主要技術指標參數

計算容量為牽引變壓器在近期所需的功率。校核容量為緊密運行時，牽引變壓器所需功率。

由表2 知牽引網最低電壓水平為22.4kV，接觸網要求最低工作電壓不低于19kV，因此滿足電力機車牽引供電需求。

由牽引供電計算表格還可得到牽引供電系統電能損失及需用功率：

表3 牽引供電系統電能損失及需用功率

需用功率由年用電量除以年最大負荷利用小時數（4600h）計算。

4.3 計算結果分析

校核容量由列車緊密運行時的校核容量計算公式得出，根據供電臂1（車站A- 車站B）和供電臂2（車站B- 車站C）所需用電量可確定牽引變壓器的安裝容量為2×(12.5+12.5)MVA，一臺運行，一臺備用。