鐵路牽引供電的設計優化

曹永飛

（中國鐵建電氣化局集團有限公司北方分公司，太原 030000）

1 引言

目前，大型鐵路樞紐設計多呈現為客貨分開布局的模式，樞紐內部分別設有貨運站和客運站，多道線路引進時通常以共站分場的方式來運行，還包含了車站、聯絡線、機務段以及動車站等地點的多類技術設備，若出現停電現象，將會嚴重阻礙運輸流程正常運行，所以，大型樞紐需確保牽引供電系統的安全性和穩定性，對樞紐供電布局進行研究、完善顯得非常重要。

2 工程概況

匈塞鐵路塞爾維亞段鐵路是單線電氣化鐵路。該線路加設雙線后預設速度為160 km/h（線下預留200 km/h條件），曲線半徑最小值為2 600 m，最大坡度5‰，電力機車/動車組牽引，軸重22.5 t，選用自動閉塞方法。整條鐵路均按照歐洲鐵路互聯互通規定來設計及修建，1 435 mm標準軌距，雙線，客貨運是其重點所在，部分鐵路段的預設速度限制為客車最高行駛速度200 km/h。

3 方案設計考慮因素

3.1 牽引供電能力及牽引供電設施分布

牽引供電系統需確保其穩定性、獨立性以及全面性，在綜合考量牽引供電設備布局和性能的基礎上，得知供電方案的重要影響因素包含：（1）參照樞紐整體規劃方案，統籌規劃牽引供電設施的整體布局；（2）選用適宜的牽引供電方法；（3）樞紐內部和鄰近路線的牽引供電設施間應著重考量其供電功能相容性、互相支援與相位匹配等；（4）運輸系統不同，其供電方式也有所區別；（5）動車所、機務段等應配備單獨電源，有益于后續運行檢修；（6）跨越區域供電時，應考慮其和鄰近牽引變電所的故障波及區域和互相支援功能等[1]。

3.2 牽引供電設施選址

牽引供電設施選址應和城市布局、地理環境狀況、饋線路徑、外部電源入線以及運行檢修等要素相結合，在綜合考量各方面因素后再選址。

3.3 供電分區劃分

樞紐內部需按規定設置供電分區，尤其是在客貨運體系中必須分別供電，普速、高速以及城際線段應盡量構建獨立性較強的供電體系。參照獨立性標準，供電系統能夠在各個供電分束間、饋線間以及牽引變電所之間設置供電分區，以保障靈活供電和穩定供電，便于后續運行檢修。

4 牽引供電系統概況

4.1 牽引供電系統構成

塞爾維亞電氣化鐵路選用單相、交流、工頻（50 Hz）牽引供電系統，可從公共電網處直接用電，不用單獨配置變頻或發電設施，所以，牽引供電系統的構造與我國大體上保持一致，不同之處就是在電力機車之外，還應考慮某些軌道旁固定設施（道岔融雪、車輛預冷預熱設備等）的取電要求。

4.2 外部電源的供電方式

外部電源的供電方式主要指電力體系和牽引變電所的連接方法，其由電力體系的布局狀況和牽引負荷的用電級別所決定。塞爾維亞通常選用的輸電電壓級別為400 kV、220 kV、120 kV等，其中400 kV和220 kV輸電網被視為重要網絡，一般被用來在國際間進行傳輸，電氣化鐵路往往選用120 kV來當作外部電源輸入電壓[2]。

4.3 牽引網的供電方式

牽引網的供電方式取決于牽引網特別輸電的經濟性能和施工技術要求，按其設施的各種類型，可將其劃分成1×25 kV和2×25 kV兩類供電方法。塞爾維亞鐵路1×25 kV供電方式如圖1所示，其中電源線通常只為單線電氣化鐵路配置，一般是車站固定用電設施供應第2路電源，旨在提升供電的穩定性。

圖1 鐵路1×25 kV供電方式

塞爾維亞鐵路2×25 kV供電系統分別選用了兩大類型：120 kV/50 kV與120 kV/25 kV牽引變壓器。在傳輸功率保持一致的情況下，2倍的供電電壓會損傷1/4的系統，所以2×25 kV供電方法容許鄰近的牽引變電所保持更遠的距離。匈塞鐵路塞爾維亞段目前選用單線電氣化鐵路，沿線牽引供電設備布局具備唯一性的特征，所以完善后仍選用1×25 kV牽引網供電方式，在運輸總量增大后，以增設加強線的方式來滿足用電要求。

5 牽引供電系統的技術特點

5.1 牽引變壓器運行方式

有別于我國牽引變壓器一主一輔的運行模式，塞爾維亞鐵路牽引變電所配置的2臺牽引變壓器在正常運營狀態中分別是左右兩側的供電臂來供電，如圖2a所示；緊急狀況下某個牽引變壓器能夠直接接管整所范圍內的用電負荷，如圖2b所示。

圖2 牽引變壓器運行模式

5.2 饋線斷路器配置原則

有別于我國各條饋線獨立配備1臺斷路器的方式，匈塞鐵路牽引變電所內饋線斷路器選用“1帶2”的運營模式。在牽引變電所里，單線鐵路的接觸網絡和電源線路一起使用1臺斷路器；而雙線鐵路的上、下行接觸網一起使用1臺斷路器。

5.3 雙線接觸網并聯方式

有別于我國將分區所、AT所以及下行接觸網進行并聯的方式，塞爾維亞電氣化鐵路在鄰近的牽引變電所之間通常未能配置分區所，往往在每一車站加設開關場，以達到車站分束供電和上、下行接觸網并聯。

綜上，塞爾維亞電氣化鐵路牽引變壓器在其遠近兩端均達到了備用電源的，具備更好的穩定性；接觸網著重劃分供電分區，具備更好的靈活性；但鑒于其系統多部位的斷路器為隔離開關所取代，導致其應對故障的速度和精準度有所不足。總體而言，塞爾維亞鐵路牽引供電系統與我國鐵路傳統模式有所差異，為我國設計、建設牽引供電系統提供了更豐富的實際經驗[3]。

6 鐵路樞紐供電設計的思考

6.1 “由里向外”供電優化建議

6.1.1 設計現狀

目前，鐵路樞紐牽引供電系統一般選用“由里向外”供電方式，在綜合考慮樞紐內部大型車場正線總量多、動車所或機務段應單獨配置電路等特征，在負荷中心（樞紐大型車站）建設了1處牽引變電所，可同時為多條線路進行供電，并滿足機務段和動車檢修站等特別設備的用電需求。

6.1.2 存在問題

鐵路樞紐構成“由里向外”供電模式一定會造成中心牽引變電所去負擔呈輻射狀的、范圍更廣的供電責任。牽引變電所配置牽引變壓器和高壓引進線路都選用100%固定備用，具有較高的穩定性和可靠性，但27.5 kV開關柜全部以單母線來設置，會出現停電波及區域廣、跨區支援能力差以及影響設施檢修等現象。

6.1.3 優化建議

當樞紐設計成“由里向外”供電布局時，可考慮在正常運行狀態下把牽引變電所內1組牽引變壓器分開運作，在緊急狀態下互相備用，并去除備用牽引變壓器組的完善措施。2個牽引變壓器可分開，以單獨的電源線連接在地方變電站上，并選用換相接線方法來減小其對電力體系的負面作用，旨在確保外部電源的穩定性。

6.2 “由外向里”供電優化建議

6.2.1 設計現狀

當樞紐“由里向外”供電布局大致建成，且引進了新修線路時，為了避免變電所的供電區域增大，可能會改用“由外向里”的供電布局，即在樞紐外部重新修建牽引變電所，再為接軌車站供電，在新建的變電所即可達到跨區供電與末端并聯。

6.2.2 存在問題

最新的線路選用“由外向里”的供電方式后，分區所附近區域會配置相應的牽引變電所，兩座變電所的供電臂之間的距離較短，且不用末端并聯來提升供電功能，造成分區所只能發揮50%的能力，降低利用效率。同時因為樞紐總方案設計不穩定，如果后續有新的線路從中間站接軌，在“由外向里”供電方式的基礎下，難以符合車站各個正線的供電要求。

6.2.3 優化建議

當樞紐線路選用“由外向里”的供電方式時，可以將某一電分相安設在樞紐接軌站外部，中間站部位配置1處兩進兩出開閉所。開閉所用電主要來源于中間站上、下行接觸網，將兩道饋線牽引出來供電給引出樞紐側區間接觸網，電分相處配置聯絡開關，便于后續有需要時可跨區供電。優化方案將新修的分區所改為開閉所，即可充分發揮分區所的運行功能，也能夠加強供電方式的靈活度。

6.3 動車所（存車場）供電優化建議

6.3.1 設計現狀

鑒于大型樞紐車站多數為始發終至車輛，往往會配置存車區域或動車所以加快動車檢修的速度和最優化運營。動車所或存在整備檢驗工作的存車場至少需滿足兩回電源供電，其中最少需有一回是獨立電源。在設計期間，牽引變電所或開閉所往往會設置單獨供電線來供動車所（存車場）取電。

6.3.2 存在問題

當開閉所供動車所（存車場）取電時，能夠比較好地達到分束供電，但鑒于開閉所至少必須存在1路電源來源于牽引變電所，這時動車所（存車場）通常也具有從牽引變電所直接取電的基礎，但經濟性有所欠缺；當牽引變電所供動車所（存車場）取電時，鑒于牽引變電所27.5 kV對饋線區域有所限制且遠離動車所（存車場），導致投入成本高，通常配置2條饋線供動車所（存車場）取電，對檢修工作的靈活度產生負面影響，且施工技術差。

6.3.3 優化建議

1）當牽引變電所供動車所（存車場）取電時，可用2個斷路器通過多個隔離開關以達到分束供電的目標。

2）為達到投資效益最優化，可牽引2路供電線到動車所（存車場）后再開展分束。

鑒于故障波及范圍廣、故障范圍檢測難等緣由，斷路器“1帶2”模式較少應用于我國雙線鐵路，但是供電給動車所（存車場）就是介于上述兩種方案間的折中方式，也能兼顧經濟效益和技術性。

7 結語

本文以匈塞鐵路塞爾維亞段設計方案為基礎，闡述了塞爾維亞電氣化鐵路牽引供電體系的技術特征，研究了完善樞紐牽引供電的方案，由此可知：（1）當樞紐設計選用“由里向外”供電布局時，可在新修的中心牽引變電所配置2架單相接線牽引變壓器，正常狀態下分別運行，緊急狀況下相互備用，即可提升樞紐供電的穩定性；（2）當樞紐線路選用“由外向里”供電方式時，樞紐中間站位置可以新修開閉所，在為其余線路供電時也能夠達到末端并聯的目的，增強供電過程的靈活度；（3）動車所（存車場）經由牽引變電所經過兩個斷路器再通過多個隔離開關以達到分束供電的目的，在節省投資成本的同時，又可提升供電靈活度。