青藏鐵路格爾木至拉薩段牽引供電方案研究

靳 松

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

青藏鐵路格拉段地處青藏高原，全長1 136.338 km。其中，海拔+4 000 m以上地段長約960 km，連續多年凍土區長度546.43 km[1]，具有“多年凍土、高寒缺氧、生態脆弱[2]”3個特殊環境。考慮到沿線自然條件惡劣，牽引供電設施運營維護極其困難[3]；該線限坡20‰[1]，線路長大坡道連續，列車牽引功率大(與350 km/h動車組相當)，列車持續取流要求高；列車惰行通過接觸網電分相后降速嚴重，一旦掉入電分相無電區后，單線鐵路列車救援時間長，對客運安全造成不利影響[4]；接觸網電分相作為列車取流的薄弱環節，是弓網故障的高發點[5]，綜合上述各種因素，宜盡量少設置接觸網電分相。

1 牽引供電重難點

(1)線路限坡大、牽引負荷大，對牽引供電系統供電能力要求高。格拉鐵路限坡為20‰[1]，在翻越昆侖山、風火山等區間線路多為連續大坡道，且全線多數區間均有局部大坡度出現。根據牽引計算，貨車最大功率(網側)約為23.8 MVA。因此，要求牽引供電系統具有較高的供電能力。

(2)沿線自然條件惡劣，供電設施應便于運營維護。格拉鐵路具有空氣稀薄、氣壓低，輻射強烈，日照多，氣溫隨海拔和緯度的升高而降低，氣溫日較差大，大風多發[6]，地震強度大、頻次高[7]等特殊氣候及環境條件。針對格拉段沿線自然環境特點、線路特征，牽引供電設施應以少維護、少維修為原則，應便于運營維護。

(3)列車限速低，宜少設電分相。根據計算，格拉鐵路不同坡度旅客列車加速、惰行距離見表1。

表1 不同坡度旅客列車加速惰行距離Tab.1 Accelerated idle distance of passenger trains with different slopes

需要說明的是，當線路坡度為20‰時，列車的最高速度限制為89 km/h；當線路坡度為15‰時，列車的最高速度限制為108 km/h。為提高運輸質量、保證運行可靠性、減少列車“掉分相”幾率，本線宜盡量少設電分相。

2 牽引供電方式介紹

2.1 牽引網單邊、貫通供電方式原理

(1)牽引網單邊供電方式。目前我國電氣化鐵路牽引供電系統一般采用牽引網單邊供電方式[8]，即在牽引所處及牽引所之間設置電分相，如圖1所示。

圖1 牽引網單邊供電方式示意Fig.1 Schematic diagram of unilateral power supply mode of traction network

(2)牽引網貫通供電方式。牽引網貫通供電方式為當多座牽引變電所的外部電源來自同一地方變電站(外部電源采用樹形供電)，取消牽引變電所處及牽引所之間電分相實現多座牽引所供電范圍內接觸網電氣貫通的供電方式，如圖2所示。

圖2 牽引網貫通供電方式示意Fig.2 Schematic diagram of traction network through power supply mode

2.2 牽引網單邊、貫通供電方式特點

(1)與單邊供電方式相比，貫通供電方式減少電分相數量，能改善供電質量、提高供電能力，減少列車過電分相時燒損接觸網和“掉分相”可能性，減少列車過電分相失去動力的“掉速”問題。

(2)與單邊供電方式相比，貫通供電方式要求相鄰兩所或多所外部電源需由同一地方變電站供電。

3 牽引供電方案比選

由于本線為單線鐵路，列車運行具有一定的隨機性，且如暑運、軍運或者其他緊急情況時的列車運行圖更難以預料。因此，本線結合“列車運行圖法”及“概率算法”特點進行供電系統參數計算：利用列車功率(網側)—距離曲線，“逐站逐區間”分析列車負荷；根據各區間列車最大功率，采用列車功率替代既有“概率統計方法”里的電流進行參數計算；參照TB/T 1652—1996《牽引供電系統電壓損失的計算條件和方法》，并充分考慮本線負荷特點，確定負荷位置。

3.1 牽引負荷分析

全線按照貨車(HXD1雙機)牽引4 000 t、不停站計算，列車功率(網側)—距離曲線如圖3所示。

圖3 列車功率(網側)—距離曲線Fig.3 Train power (grid side) distance curve

根據全線上、下行牽引計算結果，本線絕大部分區間列車出現大功率運行工況，最大功率為23.8 MVA。

3.2 牽引網單邊供電方案

采用單邊供電時，外部電源可采用330 kV(220 kV)或110 kV，牽引供電系統可采用帶回流線的直接供電方式(TRNF)和AT供電方式。以典型的沱沱河至通天河段為例，采用“列車運行圖法(仿真計算)”進行分析，對供電能力進行分析如下。

3.2.1 帶回流線的直接供電方式供電能力分析

(1)供電方案。在沱沱河、通天河設牽引變電所，在開心嶺設電分相。供電方案如圖4所示。

圖4 沱沱河至通天河段供電示意圖(TRNF)Fig.4 Schematic diagram of power supply from Tuotuo River to Tongtian River section(TRNF)

(2)外部電源采用330 kV時供電能力。①仿真輸入參數。根據地理位置及電力部門資料，沱沱河牽引變電所距規劃風火山330 kV變電站約85.6 km，牽引變電所進線處短路容量約1 232 MVA；通天河牽引變電所距規劃塘崗330 kV變電站約52.4 km，牽引變電所進線處短路容量約1 040 MVA。本線為單線鐵路，列車按區間自動站間閉塞運行。兩區間內列車運行規則見表2。據此，并按列車在車站停站開展的仿真，仿真計算運行如圖5所示。②供電能力仿真結果。對應4種運行方式下的牽引網電壓仿真結果如圖6所示。通過仿真計算可以看出，4種運行方式下供電臂末端最低網壓為20.5 kV，滿足1列貨車的運行要求。③供電能力仿真結論。采用帶回流線的直接供電方式，牽引變電所進線采用330 kV電源進線，1個供電臂能供1個區間，供電能力滿足1列貨車運行要求。

圖5 仿真運行Fig.5 Simulation running diagram

圖6 牽引網電壓仿真結果(330 kV)Fig.6 Simulation results of traction network voltage(330 kV)

表2 仿真用列車運行規則Tab.2 Train operation rules for simulation

(3)外部電源采用110 kV時供電能力。①仿真輸入參數。根據地理位置及電力部門資料，沱沱河設牽引變電所距規劃風火山330 kV變電站約85.6 km，牽引變電所進線處短路容量約280 MVA；通天河設牽引變電所距規劃塘崗330 kV變電站約52.4 km，牽引變電所進線處短路容量約214 MVA。仿真用列車運行規則如上節。②供電能力仿真結果。對應4種運行方式下的供電臂電壓如圖7所示。通過仿真計算可以看出，4種運行方式下供電臂末端最低網壓為18.1 kV(已采取增設加強線等提高網壓措施)，供電能力仍不能滿足1列貨車的運行要求。③供電能力仿真結論。當110 kV系統短路容量很小，即使采取增設增加強線等提高網壓措施后，仍然難以滿足1列貨車運行要求。

圖7 牽引網電壓仿真結果(110 kV)Fig.7 Simulation results of traction network voltage(110 kV)

3.2.2 AT供電方式供電能力分析

(1)供電方案。以沱沱河至通天河段為例，對于AT供電方式，提出如下2個方案。①方案1：沱沱河牽引變電所供電至開心嶺至通天河區間，供電臂長約31 km；②方案2：沱沱河牽引變電所供電至通天河，供電臂長度約為41.75 km。供電方案如圖8所示。

圖8 沱沱河至通天河段供電示意(AT)Fig.8 Schematic diagram of power supply from Tuotuo River to Tongtian River section (AT)

(2)仿真輸入參數。①系統短路容量。根據地理位置及電力部門資料，沱沱河設牽引變電所距規劃風火山330 kV變電站約85.6 km，牽引變電所進線處短路容量約1 232 MVA。由于系統短路容量較小，難以適應AT供電方式后較大牽引負荷的需要。因此，AT供電方式不考慮采用110 kV電源方案。②仿真用列車運行規則。運行圖同上節。

(3)供電能力仿真結果。2個供電方案對應的4種運行方式下的供電臂電壓如圖9、圖10所示。

圖9 方案1牽引網電壓仿真結果Fig.9 Scheme 1 traction network voltage simulation results

圖10 方案2牽引網電壓仿真結果Fig.10 Scheme 2 traction network voltage simulation results

通過仿真計算可以看出，4種運行方式下，方案1供電臂末端最低網壓為21.6 kV，方案2供電臂末端網壓低于19.0 kV(已采取增設加強線等提高網壓措施)。

(4)供電能力仿真結論。采用AT供電方式，牽引變電所進線采用330 kV電源進線，供電臂長度為30 km(一個半區間)時，供電能力滿足運行兩列貨車的要求。但由于AT供電方式接觸網結構復雜，且部分AT所設置于區間，當全線采用AT供電方式時，牽引供電設施總數量反而高于直接供電方式，導致運營維護困難。

3.2.3 牽引網貫通供電方案

(1)供電方案原理。設鐵路中心牽引變電所(CPS)，再設若干普通牽引變電所(SPS)。鐵路中心牽引變電所由三相供電，普通牽引變電所由單相供電，普通牽引所與中心所均接入電力系統變電站同一母線上。中心牽引變電所內利用三相負序補償裝置進行負序補償；普通牽引變電所采用單相接線牽引變壓器，牽引網上不設電分相。方案如圖11所示。

圖11 供電技術方案示意Fig.11 Schematic diagram of power supply technology scheme

(2)供電能力分析。牽引網貫通時，各方案牽引供電系統供電能力基本相當。以風火山至唐古拉段為例，對采用牽引網單邊供電方案與牽引網貫通方案、牽引網采用TRNF供電方式供電能力，與牽引網單邊供電方案進行對比分析。①供電方案。采用牽引網單邊供電方案(牽引網采用TRNF供電方式)共設置7座牽引變電所，牽引變電所分布如圖12所示。采用牽引網貫通方案(牽引網采用TRNF供電方式)設置5座牽引變電所，牽引變電所分布如圖13所示。②供電能力仿真結果。按照牽引變電所采用330 kV電源供電。本次按列車上、下行分別單方向追蹤運行的同一種行車方式進行仿真，2種供電方式下的牽引網最低網壓如圖14所示。

圖12 牽引所間設電分相供電方案Fig.12 Scheme of split-phase power supply between traction stations

圖13 牽引網貫通供電方案Fig.13 Traction network through power supply scheme

圖14 2種供電方式下的牽引網最低網壓Fig.14 Minimum network voltage of traction network under 2 power supply modes

(3)供電能力仿真結論。通過對2種供電方式下供電能力計算可知，相同運行條件下，牽引網貫通供電的牽引變電所數量減少了30%(2座)，但由于牽引負荷分布更加合理、列車再生能量得到充分利用，牽引網最低網壓反而較單邊供電時高(最低達21.3 kV)。同時，由于牽引變電所間取消了電分相，避免了列車通過電分相的掉速問題、杜絕了列車掉入電分相的風險、提高了接觸網的可靠性。

4 結論

針對本線自然環境特點、線路特征，對牽引供電方案進行了分析，主要研究結論及建議如下。

(1)針對線路限坡大、牽引負荷大、波動大，牽引供電系統供電能力要求高等特點，分別按牽引網單邊供電、牽引網貫通供電兩大類提出了多種牽引供電方案。經研究，牽引網單邊供電方案中，采用330 kV(220 kV)電源進線的TRNF供電方案，供電能力強、運營維護較便利，具有一定的優勢。

(2)牽引網貫通供電方式與牽引網單邊供電方式相比：牽引網貫通供電方案投資較省；貫通供電優化了牽引負荷潮流分布、列車再生能量也能夠得到充分利用，牽引供電系統供電能力強；節省牽引變電所數量，節省了運營成本、降低了維護工作量；由于取消了電分相，可以消除牽引供電的無電區，避免了列車通過電分相的掉速問題、杜絕了列車掉入電分相的風險、提高了供電可靠性，特別有利于大坡道和長大坡道安全運行。因此，牽引網貫通供電方式可以優先選擇。