電氣化鐵路牽引供電容量優化研究

張超

摘要：隨著經濟社會的發展，我國鐵路建設不斷加快，對牽引供電系統提出了更高的要求。當前來說，已投入運行的電氣化鐵路在初期的運量普遍不高，系統供電能力未得到充分的利用，也就造成了資源上的極大浪費。因此，相關技術人員應對電氣化鐵路牽引供電容量優化問題展開深入的分析，保證系統運行安全穩定的同時，盡可能的減少投資成本，實現效益的最大化。本文將對電氣化鐵路牽引供電容量優進行研究，以供參考。

關鍵詞：電氣化;鐵路牽引;供電容量優化

引言

在鐵路的電力牽引供電工程之中，必須建立健全相應的質量控制管理體系，提高鐵路電力牽引工程的質量管理工作成效，為我國鐵路貨物運輸作出應有的貢獻。

1電氣化鐵路和供電方式

電氣化鐵路供電安全問題中，要對供電方式有所了解。接觸網和變電站是鐵路電氣化中最主要的兩部分，牽引供電系統的正常運行需要兩者之間的有效配合。在變電站中有多種的電器零件組成，例如斷路器、變壓器、電流、電壓互感器等，在三相高壓轉變的過程中轉換成電能，而三相高壓從國家電網發出，這與電力機車的輸入極不吻合，變電站反而與轉變后的電能相吻合，而變電站還具有將電能傳入到另一個系統中的功能，形成新的接觸網。

2電氣化鐵路牽引供電容量優化的意義

牽引供電系統，主要用于為列車運行提供穩定、可靠的電能，以滿足列車的用電需要。其主要由牽引變電所、牽引網等組成，前者實現了電能的轉換與控制，進而為列車運行提供電能支持;后者則主要是實現了電能的安全傳輸。在當前的鐵路系統，有著眾多牽引變電所，能夠將110kV、220kV的電壓通過相應的技術變換為27.5kV、2×27.5kV的電壓，并利用牽引網，對列車進行供電。電氣化鐵路牽引負荷具有以下特點：（1）隨機波動性。由于受到行駛過程中不同路況的影響，牽引負荷會發生一定的波動，從而對供電容量的利用率造成影響。（2）非線性。列車對電能的獲取屬于非線性，會形成電壓波動，對供電容量也就有了不同的需求。目前，電氣化鐵路的設計多分為近期及遠期規劃。牽引供電系統作為重要的基礎設備，一般要按遠期運行規劃做到一次設計到位，以滿足鐵路未來發展的需要。鐵路系統所要求的輸送能力對牽引供電容量有著很大的影響。但是，遠、近期的運輸需要存在很大差別，近期需求往往較小，遠期需求往往較大。再加上不同地域在經濟發展方面的影響，造成了運輸需求的不確定性，也就給牽引供電系統的設計帶來了很大的挑戰。如果依照近期運行需要來設計，則很可能在極短的時間內出現運能不足的問題。因此，對電氣化鐵路牽引供電容量進行優化設計就變得尤為重要。當前，已投入運行的電氣化鐵路在開始階段的運量普遍不高，供電能力未得到充分的利用，也就造成了資源上的極大浪費。通過提出更加靈活的牽引供電運行方案，希望能夠既保證系統運行的安全可靠，又節省運行成本，這對提高牽引供電容量利用率具有重要的意義。

3牽引變壓器容量傳統算法

（1）確定牽引變壓器容量計算條件：根據線路年運輸量、列車牽引定數等要求確定正常運行所需的列車對數N;根據列車在供電臂走行時間、帶電運行時間及平均能耗等計算兩供電臂的平均電流Iav1、Iav2和有效電流Ie1、Ie2。（2）確定牽引變壓器計算容量S計：根據供電臂平均電流、有效電流與變壓器繞組電流的關系，確定不同接線變壓器的容量計算公式;確定滿足正常列車對數N所需的變壓器容量S計。（3）確定牽引變壓器校核容量S校：計算滿足列車緊密運行時（對應最大列車對數Nmax）所需的容量Smax;根據變壓器的過負荷倍數k，確定牽引變壓器的校核容量S校（S校=Smax/k）。（4）確定牽引變壓器安裝容量S安：比較計算容量S計與校核容量S校，二者取其大，綜合考慮變壓器的備用方式與變壓器產品規格等確定安裝容量S安。這種方法計算牽引變壓器容量時，每列車的能耗都按重車考慮，Nmax取最嚴重情況時的列車對數，確定S安時選擇大于S計或S校的一個容量等級。因此，采用這種傳統算法確定的牽引變壓器容量，不僅能夠滿足最大負荷的供電能力要求，而且一般都會有較大富余量。

4傳統算法存在的不足

上述算法簡捷且能有效保證變壓器供電能力要求，但是存在以下兩點不足。（1）采用的過負荷倍數k所對應的牽引變壓器負載率遠遠高于其實際負載率，這種情況下，牽引變壓器具有更高的過載能力，可以允許比k更高的過負荷倍數，傳統算法未考慮這一實際因素。（2）決定變壓器容量是否合適的關鍵是變壓器實際運行時的電流限值、溫度限值與壽命損失是否滿足規定要求，傳統算法未對這些參數進行校驗，易使變壓器容量設置偏大。

5電氣化鐵路牽引供電容量優化方案

通過上述分析，在鐵路建設的早期階段，鐵路里程相對有限，對牽引供電容量的需求不是很大，會導致一定程度的過剩問題，影響到牽引供電系統運行的經濟性。因此，有關技術人員需要進一步提出牽引供電容量的優化方案。第一種：考慮將一部分變電所暫停運行，由臨近的變電所提供電能，從而通過減少變電所數量來提升電能的利用率。第二種：更改接線，由傳統的Vx轉變為Ii，可以減少單相變壓器數量，從而節省供電容量。

6對方案的可行性分析

為實現電氣化鐵路牽引供電容量的優化，要對提出的優化方案進行可行性分析。該過程需要對供電指標進行計算分析，通過構建全并聯AT供電系統的仿真模型，包括外部電源、牽引變壓器、牽引網等，基于Matlab/Simulink仿真平臺來建立模型，對相應的供電指標進行計算，并對某些數據進行校驗。首先，需要進行的是阻抗特性分析，結果表明，方案一的牽引網抗阻能力低于方案二;其次，對牽引網電壓水平進行仿真分析，結果表明，方案二中，盡管將接線更改為Ii，但仍然能夠順利實現2×27.5kVAT供電的支持，且運行穩定。對變壓器溫升和壽命損失情況進行對比分析如下：首先，我們將一部分牽引變電所暫停運行，變壓器溫升和壽命損失有所升高，但并未達到限值（一般來說，溫升的限值為140℃，壽命損失的限值為24小時），可以滿足供電容量優化的需要，該方案具有一定的可行性。要想進一步發揮該方案的優勢，技術人員要在有效控制變壓器溫升、壽命損失的同時，盡量實現供電容量的優化。其次，將接線更改為Ii后，變壓器溫升盡管已接近140℃，但壽命損失遠未達到限值，同樣可以滿足安全運行的需要，該方案同樣具有可行性。不過，要特別注意的一點是，如果選擇方案二進行優化，應著重考慮到變壓器壽命損失的有關限制因素。

結束語

綜上所述，鐵路電力牽引供電工程施工較為復雜，所以對其質量的管理工作更要予以重視。通過建立專門的質量管理監督組織，在整個施工過程中對工程的質量進行有效地質量控制，保證工程的質量，確保鐵路工程建設的順利推進，為鐵路運輸事業的發展奠定堅實的基礎、做出應有的貢獻。

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