田桂英

提高對電氣化鐵路牽引電源的利用的探討

田桂英

介紹了在電氣化鐵路區(qū)段采用新技術、新設備，解決接觸網(wǎng)牽引電源由于供電品質低，供電范圍受限的問題，使牽引電源得到充分利用，大大節(jié)省了修建6 kV電力線路的投資。

電氣化鐵路；接觸網(wǎng)；牽引電源

在電氣化鐵路區(qū)段，接觸網(wǎng)是特有的、沿路軌架設的、為電力機車或電動車組提供電能的特殊牽引電源線路。電鐵牽引負荷是移動、幅值變化大而又頻繁的特殊負荷。接觸網(wǎng)供電的電壓波動頻繁、波動幅度及范圍均較大，電壓諧波失真較為嚴重。特別是在高坡區(qū)段及大牽引電流區(qū)段，因升降引起的電源中的不平衡、嚴重波形失真和尖峰脈沖、多次諧波干擾等影響更為嚴重。這就使牽引電源的利用受到了極大的限制。電能的儲存是困擾各國科學家的難題，電力的生產(chǎn)和消費幾乎是同時發(fā)生的，加大對牽引電源資源的利用有著極為重要的意義。

1 設備現(xiàn)狀及存在的問題

（1）車站鐵路信號系統(tǒng)擔負著行車設備的運行狀況、列車運行的實時狀態(tài)、運輸調(diào)度的指令控制等信息的傳遞與監(jiān)控任務，屬一級負荷。改造前，云岡溝各車站兩路電源均使用所在地點各個礦提供的地方電源，存在兩路電源同時停電的可能性，給礦山鐵路分公司的鐵路安全運輸帶來了極大的影響。隨著云支線煤炭貨運量不斷增長，特別是高速、重載運輸?shù)某霈F(xiàn)，以及單線電氣化區(qū)段部分插入復線等擴能技改措施的實施，線路的安全運行標準不斷提高。為了增加信號供電的可靠性，礦山鐵路分公司決定給車站再增加一路電源。

（2）礦山鐵路分公司鐵路沿線工區(qū)途經(jīng)一些地方電源架設困難的偏遠地段，架設地方電源有難度，最早采用由保定鐵道變壓器廠生產(chǎn)的單相特種變壓器，將電氣化鐵道接觸網(wǎng)27.5 kV單相電變?yōu)?20 V單相電后供給工區(qū)的生活照明。隨著時代的發(fā)展，既有和新建工區(qū)的生產(chǎn)生活用電負荷不斷增大，既有電源線路不能滿足用電需求。緊鄰云岡旅游景區(qū)公路線的工區(qū)，原來采暖使用的燃煤鍋爐不符合環(huán)保要求，方案比較后決定采用電鍋爐進行供熱，需引接三相動力電源給鍋爐輔機供電。地處偏遠的工區(qū)如果從地方引接電源，修建6 kV電力線路，工程投資較大，施工上也存在相當?shù)碾y度。

2 方案實施

2.1 利用接觸網(wǎng)牽引電源供給鐵路信號電源

2009年，礦山鐵路分公司對云岡支線各車站安裝了接觸網(wǎng)電源，將接觸網(wǎng)電源通過27.5 kV/0.23 kV變壓器降壓后，直接作為車站信號的備用電源。經(jīng)過一段時期的運營觀察，在使用接觸網(wǎng)電源時，對于使用微機聯(lián)鎖及TDCS（列車調(diào)度指揮） 系統(tǒng)的車站，由于沒有對該電源的電壓波動、干擾諧波等進行凈化處理，無法滿足信號等智能化設備的要求，出現(xiàn)了幾起燒壞顯示屏及微機設備電源的事故。為此，技術人員對云岡溝各車站接觸網(wǎng)信號電源進行了監(jiān)測。

從第5頁圖1可看出接觸網(wǎng)電壓有效值波動范圍為210 V～250 V，波動頻繁。從第5頁圖2可看出接觸網(wǎng)電壓峰值波動范圍為320 V～450 V，波動幅度及范圍均較大。從第5頁圖3看出接觸網(wǎng)電壓波形失真最大達到21%，在不同機車行駛過程中電壓失真情況各不相同，變化明顯。第5頁圖4、圖5為未行車、行車時接觸網(wǎng)電壓波形。

通過對云岡溝各車站接觸網(wǎng)信號電源的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：

圖1 接觸網(wǎng)電壓有效值波動范圍

圖2 接觸網(wǎng)電壓峰值波動范圍

圖3 接觸網(wǎng)電壓波形失真度

圖4 未行車時接觸網(wǎng)電壓波形

圖5 行車時接觸網(wǎng)電壓波形

（1）從測試的各站點情況來看，接觸網(wǎng)電壓存在嚴重的電能質量問題，表現(xiàn)的形式也存在較大差異，此電源直接作為信號電源使用不能很好地滿足設備要求。

（2）接觸網(wǎng)電能質量情況較為復雜，主要表現(xiàn)為電壓的波動范圍和電壓的諧波失真。電壓的波動范圍最大達到30%，電壓峰值最高達到450 V，波峰系數(shù)達到1.92；電壓諧波失真度最高達到29%，它們產(chǎn)生的相對高次諧波成分可能會隨機地介入到鐵路信號傳輸系統(tǒng)的頻帶內(nèi)，諧波失真對變壓器負荷和負載回路造成了安全隱患。波動電壓和不平衡電流對電源的供電質量產(chǎn)生很大的影響，對設備的安全構成了較大隱患，直接影響行車安全。

（3）不同機車，不同工況、不同地理位置下的問題各不相同。車站站點距離牽引變電所的距離遠近不同，所監(jiān)測出的技術數(shù)據(jù)也大不相同，電能質量方面的狀況也各不相同，數(shù)據(jù)顯示距離牽引變電所越遠的站點電能質量的問題越嚴重。

為了使接觸網(wǎng)電源能夠達到信號電源的使用要求，需對接觸網(wǎng)電源進行凈化，以確保信號設備的安全運行。為此，采用西安愛科電子有限責任公司研制的接觸網(wǎng)電源凈化裝置進行了上道試運行。該電源裝置根據(jù)功能劃分為4部分：配電單元、單相/三相逆變器、監(jiān)控單元、蓄電池。

配電單元提供系統(tǒng)配電及相應安全防護。

單相/三相逆變器完成接觸網(wǎng)電能質量變換，提供符合要求的單三相交流電。

監(jiān)控單元完成對裝置的運行參數(shù)和狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集、顯示、通訊、故障處理及實時監(jiān)測。

蓄電池單元可滿足電氣化鐵路“天窗”時間的設備用電。

接觸網(wǎng)電源凈化裝置的基本技術指標：

①輸入電源：接觸網(wǎng)電源經(jīng)降壓變壓器副邊電壓，AC220 V（+40～-30） %，50 Hz，波形失真度≤30%。

②輸出電壓：單相AC220 V±5%，三相AC220 V±5%/380 V±5%，三相相位差 120°±2°。

③輸出電壓波形失真度≤2%（非線性負載）。

④保護功能：輸出短路、過載保護；輸出限流保護；單元過溫保護；輸入雷電過壓保護。

2.2 利用接觸網(wǎng)電源供給沿線工區(qū)三相動力電源

近年來，既有電氣化鐵路牽引供電能力開始出現(xiàn)不能滿足運輸要求的情況，在電氣化鐵路技改方案中采取了加大主變壓器容量的方案。主變?nèi)萘吭龃蠛螅捎陔娏恳摵傻奶厥庑?，功率因?shù)較低，通過增加接觸網(wǎng)線路上的有功負荷可以改善系統(tǒng)的供電質量。云岡溝電氣化鐵路，在四臺溝設置牽引變電所，將三相的110 kV高壓交流電變換為兩個單相的27.5 kV的交流電，分東西兩個供電臂（云岡、燕子山方向）供給電力機車用電。改造前，各車站沿線接觸網(wǎng)云岡方向只有A相電，燕子山方向只有B相電。施工改造設計方案中，在接觸網(wǎng)線路的田野側順線路同桿架設供電線，在云岡方向架設B相供電線，在燕子山方向架設A相供電線，這樣鐵路沿線就有了27.5 kV的兩相電。采用保定尼爾變壓器廠生產(chǎn)的二相-三相特種變壓器，在需要三相電源的地段，從附近接觸網(wǎng)和供電線分別引接A、B相線，通過兩相-三相特種變壓器直接把27.5 kV的兩相電變成380 V三相電，可以用于驅動水泵、風機類電動機。

3 使用效果

圖6～圖8給出了接觸網(wǎng)電源凈化裝置在云岡鐵路專用線云西車站測試的電網(wǎng)和凈化裝置輸出參數(shù)的數(shù)據(jù)。

圖6 諧波變化曲線

圖7 電壓有效值變化曲線

圖8 電壓峰值變化曲線

接觸網(wǎng)電源凈化裝置自2010年10月在大同煤礦集團公司云岡溝電氣化鐵路各車站投入使用后，接觸網(wǎng)取電信號電源供電質量得到大幅度提高，接觸網(wǎng)電源波動產(chǎn)生的電源超限報警得到了根本解決，微機聯(lián)鎖及TDCS系統(tǒng)等微電子設備運行良好，無一損壞，收到了良好的效果。

新建晉華宮綜合領工區(qū)、燕子山車站、小站工區(qū)等地工區(qū)及電鍋爐房利用接觸網(wǎng)取電，給職工的生產(chǎn)、生活帶來了極大的便利。

4 結論

在電氣化鐵路區(qū)段，通過采用新技術、新設備，使接觸網(wǎng)電源供電有了更大的范圍。接觸網(wǎng)電源凈化裝置采用成熟的現(xiàn)代電子技術，解決了接觸網(wǎng)電源供電電壓品質差，電壓波動和諧波較大的技術問題。該裝置結構簡單、成本低，轉換輸出的電能具有電壓精度高、頻率精度高等顯著優(yōu)勢，很好地滿足了電氣化鐵路的信號系統(tǒng)對供電電源的要求，可以作為鐵路信號的主電源使用，對于利用接觸網(wǎng)電源為信號設備供電具有指導意義。二相-三相特種變壓器的采用，使工區(qū)食堂、鍋爐房的三相動力設備有了供電電源，既充分利用了牽引電源資源的潛力，又可以大大節(jié)省修建6 kV電力線路的投資。這兩者在經(jīng)濟效益和社會效益方面，都具有較大的推廣價值。

Discussion on Improving the Utilize of Electrified Railway Traction Power

Tian Guiying

This paper introduces the problem of solving to contact traction power,which is applied in the Electrified railway section,using the new technologies and new equipment.It makes full use of the traction power supply and saves the investment in building 6 kV electric power lines largely.

electrified railway；catenary；traction power supply

U223.5+2

A

1000-4866（2012）03-0004-03

田桂英，女，1971年1月出生，1991年7月畢業(yè)于阜新煤炭工業(yè)學校（電力系統(tǒng)專業(yè)），現(xiàn)在大同煤礦集團礦山鐵路分公司工作，工程師。

2012-06-25

2012-07-16