鐵路牽引變電所主變壓器增容改造的技術分析及思考

胡志洪 中國鐵路上海局集團有限公司計劃統計部

1 項目前期研究

1.1 徐州北牽引變電所是徐州鐵路樞紐重要的行車設備

徐州北牽引變電所主要向徐州鐵路樞紐地區內京滬線上下行客貨車正線、隴海線上下行客貨車正線、鄭徐高鐵的徐州至大湖聯絡線及徐州站、徐州北編組站、機務段開行的電力機車、高鐵動車組實施牽引供電。徐州北牽引變電所設置獨立饋線分別向徐州客開閉所和徐州北開閉所供電。

徐州北牽引變電所是徐州鐵路樞紐牽引供電的心臟，一旦它中斷供電，將中斷國家的京滬、隴海兩大鐵路干線開行電力機車，嚴重影響鄭徐高鐵動車組的開行秩序，給國家經濟和社會旅客的出行將帶來不可估量的影響。徐州鐵路樞紐作為集團公司的北大門，徐州北牽引變電所就是這座大門上安裝的核心部件，它的安全可靠運行對全國鐵路運輸生產秩序將產生重大意義。

1.2 徐州北牽引變電所的運行現狀

徐州北牽引變電所于2006年7月1日正式投運，單臺主變壓器容量為31.5 MVA（平衡變壓器），高壓側額定電壓為110 kV。隨著社會經濟的發展與技術進步，徐州鐵路樞紐內客貨運運量的不斷增長，既有電力機車更新換代成和諧型HXD大功率交直交電力機車，鐵路列車運行圖中圖定列車對數及其電力機車的牽引質量均較大地超過原供電容量設計。自2011年開始，徐州牽引變電所主變壓器過負荷運行的報警次數越來越多，主變壓器過負荷I段告警頻繁發生并呈不斷上升趨勢。截止2015年7月31日，徐州牽引變電所主變壓器過負荷I段告警共計發生326次（見表1）。另外，自2011年5月份以來，為滿足完成重載貨物列車的電力牽引任務，徐州鐵路樞紐內開行的和諧型HXD型大功率交直交電力機車臺數的不斷增多，徐州樞紐地區頻繁出現牽引網網壓波動現象，截止2015年7月，據統計，網壓波動現象共計發生891次。

表1 2011年～2016年徐州北牽引變電所主變壓器過負荷統計表

1.3 徐州北牽引變電所主變壓器運行存在的問題及后果

徐州北牽引變電所主變壓器長期超設計負荷運行，主變壓器時常伴隨出現異常聲音、過負荷I段告警，導致接觸網供電可靠性降低，部分供電單元甚至發生接觸網故障跳閘，樞紐內接觸網出現大面積停電現象，無法完成樞紐內電力機車的牽引和整備作業；另外，徐州樞紐地區頻繁出現牽引網網壓波動，網壓波動造成電力機車牽引供電單元閉鎖而無法正常開行。上述徐州北牽引變電所運行存在的問題，將嚴重影響徐州樞紐鐵路運輸秩序，致使鐵路運能顯著降低；同時，大大提高了電力機車、動車組和牽引供電系統設備的故障率，給鐵路生產帶來了較大的安全隱患。

1.4 主變壓器過負荷與牽引網網壓波動的研究分析與初期治理

（1）研究分析。從2013年起，集團公司供電、機務、計統部共同研究、聯合制定方案，先后組織鐵科院、西南交通大學等院校開展了徐州鐵路樞紐電壓波動與抑制技術的研究、測試，對主變壓器過負荷報警與牽引網網壓波動現象實施針對性的測試和仿真計算等處理，逐步掌握網壓波動低頻振蕩情況下的牽引供電系統與電力機車的電壓、電流與功率分布情況，通過分析牽引網電壓振蕩起因，為制定治理振蕩措施提供數據支持。大家對各類技術數據進行細致地分析，認為：網壓異常波動現象是由于供電系統阻抗與和諧型HXD大功率交直交電力機車阻抗不匹配所引起的，減小供電系統阻抗或者增大電力機車等效阻抗均能抑制網壓波動，因此，可從電力機車和牽引網阻抗兩方面入手來有效抑制網壓的異常波動。

（2）網壓波動初期治理。一是通過增大電力機車等效阻抗為手段，該方法相對易操作，集團公司于2013年多次組織HXD2B電力機車主機廠人員到現場調試參數、升級調整機車控制系統，使得網壓波動從2014年的593次下降到2015年的102次，但仍無法徹底解決該現象，說明調節電力機車控制系統的的技術參數有一定的局限性，特別是在供電系統復雜、機車型號繁雜的徐州鐵路樞紐，將無法根治該類問題。二是通過減小供電系統阻抗為手段，2014年集團公司先后多次組織設備管理單位、設計院開展現場聯合調查和技術測試，通過調整牽引變電所主變壓器檔位、合并樞紐內供電單元、投切電容補償裝置等多種措施，但治理效果并不理想。

1.5 綜合分析與下一步治理方案。

上述通過增大機車等效阻抗的手段因有一定的局限性，不能徹底解決網壓波動問題；而調整牽引變電所主變壓器的分接開關、減小供電線阻抗等措施對降低供電牽引網回路阻抗的效果也不明顯。為此，在減小牽引網等效阻抗方面，需重新考慮新的方法，通過對供電系統各類技術指標進行精密的計算機仿真計算，經過技術參數的比對分析和論證，大家認為：采取增大徐州鐵路樞紐的供電系統短路容量、加大牽引變壓器安裝容量的方案，可顯著減小變壓器阻抗，將大大降低供電系統阻抗。該方案既可有效解決徐州樞紐網壓波動而產生振蕩的問題；又可增大主變壓器的供電容量，避免主變壓器實施超負荷運行，提高供電可靠性。雖然該方案的經濟成本短時較高，但在技術上是具備可操作性的、實施效果是顯著的。

2 項目的立項與實施

2.1 項目的審批立項與投資

徐州樞紐作為集團公司的北大門，在全年完成鐵路運輸生產任務的指標上有著舉足輕重的作用。為確保徐州樞紐運輸安全和供電可靠，及時消除行車設備安全隱患，進一步提高運輸能力，經集團公司充分論證、研究項目實施的必要性后，按照技術改造項目決策程序對徐州北牽引變電所實施增容改造項目進行審批立項。項目立項后，集團公司批復項目工程投資估算為982萬元，項目竣工決算為772.87萬元，工程實施中投資節省209.13萬元，主要原因是設備及工程費用的中標價格低于前期預算價格。

2.1 項目的實施

（1）項目主要工程量包括：牽引變電所2臺既有平衡牽引變壓器的供電容量由31.5 MVA增容至50 MVA，主變壓器低壓側電流互感器、主變壓器回流扁鋼同步實施增容，接地網進行局部（同回流有關）增容、補強，更換高壓室母排、支持絕緣子，更換室外高壓場地軟母線和引下線，更換室外端子箱和回流電纜等。

（2）項目工程于2017年3月18日開工，2017年6月20日竣工，是集團公司首個僅采用電纜過渡供電而實現樞紐牽引變電所供電設備大面積技術改造的建設項目。牽引變電所主變壓器實施擴容改造后，供電容量增大了1.59倍，能滿足徐州樞紐內電力機車、高鐵動車組日益增長的運行負荷需求；同時，對新投運的主變壓器重新測算分析供電牽引網等效阻抗，供電系統等效阻抗可直接降低20%以上，同步再降低變壓器的短路電壓百分數（Ud%），由現在10.54%降低到8%內，可進一步降低供電系統阻抗12%以上，由此可見，這次改造對降低牽引網等效阻抗的效果非常明顯。

3 項目實施后的安全效益、經濟效益

3.1 安全效益

2017年7月，上海局集團公司再次組織鐵科院、西南交大學電氣工程學院在徐州樞紐徐州北牽引變電所、徐州北開閉所、徐州機務段進行了牽引網低頻網壓波動相關電氣參數的測試，但測試儀器未測到低頻網壓波動數據和波形。

根據徐州供電段提供的網壓波動逐年監測數據，截至2020年5月30日，徐州北牽引變電所每年網壓波動次數如圖1所示。由圖1中可知，2017年項目投入后，網壓波動現象大為減少，尤其是2018和2019年網壓波動次數為0。

圖1 徐州北變電所網壓波動統計

牽引網低頻網壓波動往往會影響電力機車正常牽引和整備，擾亂運輸秩序，造成客、貨列車晚點或無法正常行車。通過對牽引變電所主變壓器增容及重新采用低阻抗變壓器，提高了牽引供電系統的供電能力及對電力機車的阻抗比，有效解決了樞紐內多臺HXD2B等大功率交直交電力機車靜置升弓同時取流整備時引起的低頻網壓波動問題，避免了電力機車牽引閉鎖現象的發生，保障了徐州樞紐鐵路運輸秩序。另外，網壓波動時，電力機車司機在高溫或嚴寒環境下無法升弓取流，無法完成機車內的降溫或取暖以及風泵打風等整備工序。從運輸組織及職工的工作環境上，項目投運后均具有顯著的社會安全價值。

3.2 經濟效益

通過對徐州北牽引變電所主變壓器進行增容改造，有效抑制了牽引網低頻網壓波動，消除了由于網壓波動造成電力機車牽引供電單元閉鎖而無法正常開車的現象，保障了徐州樞紐鐵路運輸秩序，也減少了電力機車、牽引供電系統設備的故障率。另外，供電容量增大后可以同步提高運輸能力，樞紐內可多開行客貨運列車對數。項目投運后，從增加運能、減少設備故障帶來生產成本上進行初步測算、分析，上述增收、節支所產生的經濟效益，每年至少可達1 200萬元/年。對于徐州北牽引變電所主變壓器增容改造時所投資的772.87萬元，不但在項目投運1年內集團公司能夠收回成本，而且該項目每年還能顯著產生經濟效益。

4 項目投運后的思考與投資意義分析

徐州北牽引變電所主變壓器增容改造項目投運若干年后，集團公司認真組織開展項目后評價追蹤分析，通過對照項目可行性研究報告及審批文件的主要內容，與項目建成后所達到的實際效果進行對比分析，經研究確認，本次改造大大地補強了徐州鐵路樞紐的供電能力，提高了供電設備可靠性，極大地改善了制約鐵路運能發展的瓶頸指標，有效地提升了鐵路運量，保障了樞紐內電力機車、高鐵動車組的運行安全。

該項目不僅已完成審批立項時所取得的預定目標，而且還在完成徐州鐵路樞紐運輸組織生產任務及改善職工的工作環境方面帶來了顯著的社會安全和經濟效益?？偨Y項目在立項和實施過程，通過開展充分的前期研究和技術分析，是非常有必要的，既能快速有效解決現場生產的問題和安全隱患，又能及時收回投資成本、持續收獲項目投運后的投資效益，從而證明，安排該項目的投資是科學合理的。

同時，通過及時總結該項目的立項研究、實施過程中的投資經驗，既為鐵路重大技改造項目的投資分析積累了寶貴財富，又有利于集團公司進一步加強和改進技術改造項目的立項管理，不斷提高了技術改造投資決策管理水平。

5 結束語

針對供電系統復雜、電力機車型號繁雜的鐵路樞紐，遇到發生牽引變電所過負荷報警和網壓波動等故障時，實施牽引變電所主壓器增容改造是一項值得分析和考慮的投資方案，對補強供電能力短板、提高運輸能力、消除行車設備安全隱患具有很好的借鑒意義。同時，通過及時總結實施、運行該類設備的技術改造經驗，可進一步優化相關專業類設備實施技術改造的投資立項方法，在不斷完善投資決策水平方面有很好的參考價值。