電氣化鐵路牽引供電容量優化的研究

文穩利

（中鐵十七局集團電氣化工程有限公司，山西太原030000）

0 引言

近年來，在社會經濟發展速度不斷加快的同時，對于鐵路運力的需求在不斷提高，特別是在電氣化鐵路牽引供電系統方面，要求明顯提升。當前，已經投入運行的電氣化鐵路在初期的運量普遍偏低，暴露出來的問題頗多。對此，技術人員要加強關注，將重點放在容量問題方面，深入剖析和研究，不斷優化和創新，促進系統運行的穩定性和可靠性，進而從整體的角度上提升效益。

1 電氣化鐵路牽引供電容量優化的必要性

1.1 電氣化鐵路牽引供電系統概述

在鐵路系統運行過程中，牽引供電系統是其中極為重要的部分，可以確保系統能力得到充分發揮。該系統在實際應用期間，為鐵路列車的安全、穩定運行提供保障，為列車提供質量更高且更加穩定的電能。與一般的線路所存在的問題區別很大，因為電氣化鐵路中電力牽引系統所需要的牽引功率要比常規大許多，因此對電力水平也有很高的要求，弓網作用關系的煩瑣性明顯。所以，這種特點的出現，使得對其牽引供電系統的供電能力提出了更高要求，電力穩定性也較強，只有在各種條件下均達到標準，輸送給列車的電力才會安全而有效。同時，鐵路的牽引系統在運營階段，對功率要求較大、諧波含量低等特征也比較明顯[1]。

1.2 牽引供電系統構成

鐵路大多應用的是電力機車牽引，需要的功率比較大，速度極快，要想保證電能充足，需要有專門的外部設備作保障。而針對牽引供電而言，具體是指在電氣化鐵路上由動力系統向輸電網絡接引供電，經過降壓轉換后，將電能直接輸送給為電力機車供電的電力網絡。在當前鐵路運行階段，應用的牽引供電系統實際可以分成兩個方面，一方面為牽引變電所，另一方面為牽引網。其中，牽引變電所發揮的經濟價值極大，可轉換為電力，也可以對電能嚴格控制。在實際的工作中，對電力系統所供給的電能合理變化，以保證能夠適應電力牽引系統及其供電方案所要求的電能，以便真正意義上實現三相交流一次供電和單相電力牽引系統共同變化的目標。在轉變過程中，牽引變壓器屬于至關重要的部件。而對牽引網來說，能使電力機車直接送電的工作已經完成。而對于牽引網而言，能將電力機車送電的工作順利完成。通常情況下，在鐵路沿線，建立的牽引變電所很多，數量能達到上千個，可以將110kV、220kV 的電壓借助先進的技術手段，合理轉變為27.5kV、2×27.5kV 的電壓，之后再經過牽引網，順利將電力機車供電過程全部完成。由于供電方式存在的差異性很顯著，所以在牽引網內部，還囊括了很多輔助設施[2]。

1.3 鐵路牽引變電所主變壓器接線

所謂的牽引變壓器，是牽引系統供電中非常重要的裝置之一，起到的影響較大，其形式的選用與牽引供電能力和工程投資等有直接關系。如果所選用牽引變壓器與接線形式之間存在的差異過多，會造成整個供電系統出現運行速度不平衡的狀況。其中，牽引變壓器是整個牽引變電所中的重點裝置，一般有兩個，一主一備，定期倒換運行。由于技術水平的不斷提升，我國在高速鐵路方面的投入也越來越多，從各個方面進行了規劃，整體的速度更快，密度也明顯上升，有效提升了牽引供電主變壓器和外部電源能力，實現了系統的高效穩定運行。就目前來看，電氣化鐵路應用的牽引變壓器接線形式類型非常多，依照我國規劃的鐵路現狀可以看出，純單相接線這種設計手段的使用比較常見。如果電源容量不大，可以對Vx 接線方式高效利用[3]。

一是純單相接線牽引變壓器。經分析可知，單相變壓器能夠向負載供給較大電壓，而且與額定電流保持一致。與常見的設備不同，這種變壓器并沒有對電力產生太大的消耗，具有容量利用效率較高、能量消耗低、構造簡易、設備投資較少、占地面積小、運營維修簡單、可以合理使用列車的再生制動力系統等特點，展現出來的優勢非常多。同時，在一般條件下，使用純單相接線牽引變壓器較使用其他接地形式牽引變壓器降低一半的接觸網電分相量，可更好的與鐵路的高速運動相匹配，因此其在鐵路上也獲得了大范圍應用。但因為使用該接地方式對電力系統的負序影響較大，所以這種變電所一般只應用在供電條件較強的地區[4]。

二是V 接線牽引變壓器。針對這一設備來說，國內外的應用都比較普遍。通過對V 接線牽引變壓器的研究，確定了接線牽引變壓器在實際應用期間，次邊繞組電流與供電臂電流相同，容量能滿足既定要求，并且其供電容量也可以得以充分利用。為使接頭牽引變壓器可以更好地適應鐵路的技術條件，將它運用在2×27.5kV 的AT 系統中，可以將變電所內的自耦變壓器全部省略，對二次側中點抽出式單相接線牽引變壓器進行使用，效率更高，對系統的運行可靠性有很大幫助。

1.4 電氣化鐵路牽引供電容量優化的必要性

現階段，在對電氣化鐵路進行設計的過程中，主要可以體現在兩個方面，一方面為近期規劃，另一方面為遠期規劃。在此過程中，因為牽引系統是其中不能缺少的關鍵設備，所以必須以遠期規劃為基礎，科學而合理地實施總體設計，最好達到設計一次便可實現的目標，從而使得鐵路的可持續發展要求能得以實現。在具體的鐵路系統運營階段，其所需要的運輸能力對牽引電力容量也會形成不同程度的影響。然而，不論是在近期計劃或遠期規劃中，在實際的運輸環節上，均有著較大區別。經分析，近期的需求一般很小，但遠期卻有著非常大的需求。

同時，由于區域的不同，經濟發展存在的差異也非常顯著，最終導致運輸需求出現了很大的不確定性。這一情況的存在，給牽引供電系統的設計帶來了很大難度，也讓設計面臨了較大挑戰，一旦某個環節沒有注意到，很有可能導致設計缺乏實效性。在設計環節，若將近期運行作為設計的依據，極易出現在短時間內不能平穩運行的問題。故而，設計人員在組織開展電氣化鐵路牽引供電容量設計期間，必須提高重視程度，從不同角度分析和考慮，采取先進的方式方法，加大優化設計力度。就目前來看，已經投入運行的電氣化鐵路，在初期階段，運量普遍偏低，供電能力的利用率相對較低，最終導致大量資源被浪費。對此，需要將實際現狀作為核心，制訂靈活性更強的牽引供電運行方案，在確保系統運行的穩定性、安全性以及可靠性的前提下，最大限度地節約運行成本，以便牽引供電容量利用率能整體提升[5]。

2 電氣化鐵路牽引供電容量優化方案

當前，針對已經開通的高速鐵路，在運行的初期階段，運量整體偏小，根本不能達到設計的發車密度，最終導致電氣化鐵路牽引供電能力的利用率偏低，隨之而來的便是牽引供電資源出現了過剩問題，甚至還要面臨巨額運行費用的支出問題，造成的后果極大，對牽引供電系統運行經濟性的持續提升非常不利。故而，相關技術人員在研究期間，必須將電氣化鐵路牽引供電系統的運行現狀作為基礎，借助相對科學的方式，對牽引供電容量進行不斷優化，并有針對性地制定優化措施。

一是將系統運行的具體情況作為依托，停止部分變電所，然后讓鄰近的變電所提供電能，借助減少變電所數量的方式來對電能的利用率進行提升，保證能從根源規避資源浪費問題，實現資源利用最大化。

二是在綜合現狀的基礎上，采取更改接線的方式，改變以往的線路，讓其從Vx 轉變為Ii，確保單相變壓器數量能合理減少，進而達到對供電容量全面節約的目標。

3 電氣化鐵路牽引供電容量優化方案的可行性分析

為了能到達到電氣化鐵路牽引供電容量全面優化和改進的目的，在實際的工作階段，相關人員應該以制訂的優化方案為基礎，對其可行性進行綜合對比研究。在對方案進行可行性分析環節，對牽引供電系統的供電指標精準計算，同時將計算的結果作為依據，借助合理的手段，對全并聯AT 供電系統的仿真模型加以構建，將涉及到的內容都涵蓋其中，注入外部電源、牽引變壓器、牽引網等，確保仿真模型的作用能充分凸顯出來。同時，在Matlab/Simulink 仿真平臺中，技術人員可以對模型科學建立，準確地分析牽引網電壓水平，合理地展開計算和研究，然后結合所獲得的數據信息，及時對三相電壓不平衡度實施校驗工作。

在進行三相電壓不平衡度校驗期間，應該從兩個方面展開，一方面，分析全并聯AT 供電系統的阻抗特性，掌握實際情況，并將電氣化鐵路牽引供電容量優化方案一的牽引網抗阻能力比方案二弱的特點作為依據，合理地開展工作。另一方面，在供電系統的運行階段，對其牽引網電壓水平仿真進行深入分析。通過對電氣化鐵路牽引供電容量優化方案二的研究可以明確，雖然將接線由Vx 轉變為Ii，但依然能獲得2×27.5kVAT 供電的支持，并且線路在運行過程中，電壓一直處于穩定的運行狀態。

在電氣化鐵路牽引供電系統運行期間，通過對變壓器溫升和壽命損失情況的進一步計算可以明確，在對電氣化鐵路牽引供電容量優化方案一和方案二進行對比之后，具體可以體現在兩個方面：一方面，對部分牽引變電所采取停運措施，在這種情況下，變壓器溫升和壽命損失會出現顯著增長的現象，但不會達到限值。一般情況下，溫升的最高溫度能達到140℃，壽命損失限值具體是24h，與供電容量優化的要求能達到一致。由此可見，方案二具有很強的可行性。而為了能將電氣化鐵路牽引供電容量優化方案的效果和價值充分發揮出來，相關人員在實際處理期間，應該對變壓器溫升、壽命損失以及供電系統優化運行之間的關聯性處理好，保證系統在實際運行期間，整個過程能更加高效且安全，減少問題的出現。同時，在對電氣化鐵路牽引供電容量進行優化期間，為增強優化的有效性，將接線改為Vx，此時，牽引變壓器溫升能達到接近140℃的限值，即便如此，壽命損失依舊與既定的限值距離很遠，因此可以達到實際運行標準件和需求。通過深入地分析和研究，制訂的優化方案有很高的可行性。但需要明確的是：在對電氣化鐵路牽引供電容量優化方案二的選擇和利用過程中，相關人員必須多加留意，對變壓器壽命損失利用率的各種干擾因素充分研究，并在掌握具體情況的基礎上，對方案進一步改進，進而增強方案的可行性。

4 電氣化鐵路牽引供電容量優化方案的應用結果分析

經過對電氣化鐵路的牽引供電系統容量優化方案一和方案二的分析可以確定，兩者均存在著一定的可行性，并且兩種方案均能適應供電系統容量優化的實際需要。

一方面，各技術指標均能與我國既定的經濟條件與國際標準相吻合，可以為電氣化鐵路列車的高效且穩定運行奠定堅實基礎。

另一方面，通過對電能容量的提高與創新，以達到對線路建設所投入成本全面節約的目標，并有效地對能源無意義耗費問題進行了規避，盡可能地與發達國家有關節能降耗方面的技術標準與規定保持一致，從而真正做到了綜合經濟效益最佳的目標，并借此為中國鐵路建設事業可持續發展進程的有效推動奠定了堅實基礎。

牽引變壓器溫升受到的干擾因素比較多，其中最為明顯的便是牽引負荷大小的影響。如果牽引變壓器的繞組溫度達到一定限度，對變壓器產生的干擾極大，會導致變壓器壽命縮短，而一旦變壓器壽命損失，隨著溫度的不斷升高，暴露出來的問題也會越來越嚴重。但是，通過對優化方案的實施和利用，雖然牽引變壓器繞組溫度、壽命損失也會跟隨牽引負荷的增加而增長，但始終不會超過既定的限值，能有效促進牽引變壓器壽命損失利用率的提升，也能實現對容量利用率穩定提高的目標。因此，從溫升和壽命損失的層面考量，制訂的優化方案十分可行。

5 結語

綜上所述，在國民經濟高速發展的新時期下，對鐵路運輸的需求也明顯增大，在這種背景下，對技術的研發和應用也提出了新的要求。因此，在鐵路建設中，電氣化鐵路牽引供電系統作為不可缺少的關鍵部分，必須加強重視，除了要對其負載能力予以提升之外，也要盡快解決當前存在的容量過剩問題，保證系統供電能力充分利用的同時，資源還不會出現浪費，切實達到電氣化鐵路牽引供電系統運行效益最大化目的。