帶回流線的直接供電方式牽引供電計(jì)算方法研究

陳鮮

（中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司 電通處，北京100089）

1 概述

牽引供電系統(tǒng)為列車及動(dòng)車組提供不竭的清潔能源，在鐵路系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行中起著不可或缺的作用。當(dāng)前我國牽引供電系統(tǒng)采用110kV或220kV 電壓等級(jí)，經(jīng)過牽引變電所變壓器轉(zhuǎn)變?yōu)?7.5kV 或55kV（AT 供電方式）電壓，再由接觸網(wǎng)為電力機(jī)車輸送電源。因此牽引變電所和接觸網(wǎng)所在的牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算，就顯得至關(guān)重要。

2 牽引供電計(jì)算理論及方法

當(dāng)前在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中常用的牽引供電計(jì)算方法有“平均行車量”法、“列車運(yùn)行圖”法及“概率統(tǒng)計(jì)”法。在開展?fàn)恳╇娤到y(tǒng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)依據(jù)工程的特點(diǎn)及各種方法的適用場(chǎng)合，及供電計(jì)算所需參數(shù)及資料，確定供電計(jì)算需要采取何種具體方法，以便滿足工程的實(shí)際需求[2]。

本文主要采用概率統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行分析。通過概率統(tǒng)計(jì)理論，展現(xiàn)供電區(qū)段中移動(dòng)的、且隨時(shí)間變化的機(jī)車牽引負(fù)荷的隨機(jī)變化規(guī)律，從而得出某供電臂在95%概率情況下的各類電流數(shù)值及最低電壓水平等，即所謂牽引供電計(jì)算概率統(tǒng)計(jì)法[2]。

概率統(tǒng)計(jì)法在牽引供電計(jì)算中應(yīng)用較普遍，尤其是計(jì)算單線電氣化區(qū)段供電臂的電流和電壓損失等參數(shù)，及能耗不均勻時(shí)供電臂的電能損失等的計(jì)算方面較有優(yōu)勢(shì)[3]。本文分析算例為單線鐵路，適合采用概率統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行計(jì)算和分析。

3 牽引供電計(jì)算用到的基本公式

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)計(jì)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(duì)數(shù)（對(duì)/日）；

Ai——電力機(jī)車在供電臂內(nèi)上、下行全部走行時(shí)間內(nèi)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(shù)。

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(jī)車帶電平均電流；

w——95%帶電概率列車數(shù)，由供電臂95%最大車數(shù)一覽表查表得出，也可采用概率統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算。

3.1.4 牽引變壓器計(jì)算容量S

式中U——牽引變電所母線側(cè)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(tǒng)的電壓水平Umin

（1）接觸網(wǎng)電壓損失

式中r——牽引網(wǎng)單位電阻（Ω/km）；

L——供電臂長度；

cosφ——功率因數(shù)。

（2）牽引變壓器電壓損失

式中zT——牽引變壓器阻抗。

（3）牽引網(wǎng)并聯(lián)供電時(shí)的最低電壓水平Umin

式中ΔUs——電力系統(tǒng)的電壓損失，一般暫按2000V考慮。

3.2 電能損失及牽引能耗計(jì)算

3.2.1 電能損失

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

（1）牽引變壓器年空載損耗

式中ΔPC——每臺(tái)牽引變壓器額定鐵耗（kW）。

（2）牽引變壓器年負(fù)載損耗

式中ΔPt——每臺(tái)牽引變壓器額定銅耗（kW）；

IH——每臺(tái)變壓器27.5kV側(cè)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(fù)載損耗ΔAt之和。

（4）牽引網(wǎng)年電能損失

式中m——供電臂內(nèi)的平均列車數(shù)；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(shù)；

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(shí)例分析

以華中某鐵路專用線為例，說明牽引供電計(jì)算的過程。該專用線長42km，近遠(yuǎn)期運(yùn)量均為10000 噸，采用HXD系列機(jī)車雙機(jī)牽引。根據(jù)線路長度和線路特點(diǎn)，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(shè)置一座直接供電方式牽引變電所。

4.1 牽引供電計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表1 是由行車專業(yè)提供的該專用線區(qū)間運(yùn)行時(shí)分、能耗數(shù)據(jù)。

表1 行車專業(yè)提供的專用線區(qū)間運(yùn)行時(shí)分、能耗數(shù)據(jù)

4.2 牽引供電計(jì)算結(jié)果

以4.1 和4.2 節(jié)牽引供電公式為基礎(chǔ)，編寫牽引供電計(jì)算表格，將專用線區(qū)間運(yùn)行時(shí)分、能耗數(shù)據(jù)代入牽引供電計(jì)算表格，可得到表2 數(shù)據(jù)。

表2 牽引供電系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)

計(jì)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(yùn)行時(shí)，牽引變壓器所需功率。

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

由牽引供電計(jì)算表格還可得到牽引供電系統(tǒng)電能損失及需用功率：

表3 牽引供電系統(tǒng)電能損失及需用功率

需用功率由年用電量除以年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)（4600h）計(jì)算。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

校核容量由列車緊密運(yùn)行時(shí)的校核容量計(jì)算公式得出，根據(jù)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(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。