張超

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)鐵路建設(shè)不斷加快，對(duì)牽引供電系統(tǒng)提出了更高的要求。當(dāng)前來(lái)說(shuō)，已投入運(yùn)行的電氣化鐵路在初期的運(yùn)量普遍不高，系統(tǒng)供電能力未得到充分的利用，也就造成了資源上的極大浪費(fèi)。因此，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)對(duì)電氣化鐵路牽引供電容量?jī)?yōu)化問(wèn)題展開深入的分析，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定的同時(shí)，盡可能的減少投資成本，實(shí)現(xiàn)效益的最大化。本文將對(duì)電氣化鐵路牽引供電容量?jī)?yōu)進(jìn)行研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：電氣化;鐵路牽引;供電容量?jī)?yōu)化

引言

在鐵路的電力牽引供電工程之中，必須建立健全相應(yīng)的質(zhì)量控制管理體系，提高鐵路電力牽引工程的質(zhì)量管理工作成效，為我國(guó)鐵路貨物運(yùn)輸作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

1電氣化鐵路和供電方式

電氣化鐵路供電安全問(wèn)題中，要對(duì)供電方式有所了解。接觸網(wǎng)和變電站是鐵路電氣化中最主要的兩部分，牽引供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行需要兩者之間的有效配合。在變電站中有多種的電器零件組成，例如斷路器、變壓器、電流、電壓互感器等，在三相高壓轉(zhuǎn)變的過(guò)程中轉(zhuǎn)換成電能，而三相高壓從國(guó)家電網(wǎng)發(fā)出，這與電力機(jī)車的輸入極不吻合，變電站反而與轉(zhuǎn)變后的電能相吻合，而變電站還具有將電能傳入到另一個(gè)系統(tǒng)中的功能，形成新的接觸網(wǎng)。

2電氣化鐵路牽引供電容量?jī)?yōu)化的意義

牽引供電系統(tǒng)，主要用于為列車運(yùn)行提供穩(wěn)定、可靠的電能，以滿足列車的用電需要。其主要由牽引變電所、牽引網(wǎng)等組成，前者實(shí)現(xiàn)了電能的轉(zhuǎn)換與控制，進(jìn)而為列車運(yùn)行提供電能支持;后者則主要是實(shí)現(xiàn)了電能的安全傳輸。在當(dāng)前的鐵路系統(tǒng)，有著眾多牽引變電所，能夠?qū)?10kV、220kV的電壓通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)變換為27.5kV、2×27.5kV的電壓，并利用牽引網(wǎng)，對(duì)列車進(jìn)行供電。電氣化鐵路牽引負(fù)荷具有以下特點(diǎn)：（1）隨機(jī)波動(dòng)性。由于受到行駛過(guò)程中不同路況的影響，牽引負(fù)荷會(huì)發(fā)生一定的波動(dòng)，從而對(duì)供電容量的利用率造成影響。（2）非線性。列車對(duì)電能的獲取屬于非線性，會(huì)形成電壓波動(dòng)，對(duì)供電容量也就有了不同的需求。目前，電氣化鐵路的設(shè)計(jì)多分為近期及遠(yuǎn)期規(guī)劃。牽引供電系統(tǒng)作為重要的基礎(chǔ)設(shè)備，一般要按遠(yuǎn)期運(yùn)行規(guī)劃做到一次設(shè)計(jì)到位，以滿足鐵路未來(lái)發(fā)展的需要。鐵路系統(tǒng)所要求的輸送能力對(duì)牽引供電容量有著很大的影響。但是，遠(yuǎn)、近期的運(yùn)輸需要存在很大差別，近期需求往往較小，遠(yuǎn)期需求往往較大。再加上不同地域在經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面的影響，造成了運(yùn)輸需求的不確定性，也就給牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。如果依照近期運(yùn)行需要來(lái)設(shè)計(jì)，則很可能在極短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)運(yùn)能不足的問(wèn)題。因此，對(duì)電氣化鐵路牽引供電容量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)就變得尤為重要。當(dāng)前，已投入運(yùn)行的電氣化鐵路在開始階段的運(yùn)量普遍不高，供電能力未得到充分的利用，也就造成了資源上的極大浪費(fèi)。通過(guò)提出更加靈活的牽引供電運(yùn)行方案，希望能夠既保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠，又節(jié)省運(yùn)行成本，這對(duì)提高牽引供電容量利用率具有重要的意義。

3牽引變壓器容量傳統(tǒng)算法

（1）確定牽引變壓器容量計(jì)算條件：根據(jù)線路年運(yùn)輸量、列車牽引定數(shù)等要求確定正常運(yùn)行所需的列車對(duì)數(shù)N;根據(jù)列車在供電臂走行時(shí)間、帶電運(yùn)行時(shí)間及平均能耗等計(jì)算兩供電臂的平均電流Iav1、Iav2和有效電流Ie1、Ie2。（2）確定牽引變壓器計(jì)算容量S計(jì)：根據(jù)供電臂平均電流、有效電流與變壓器繞組電流的關(guān)系，確定不同接線變壓器的容量計(jì)算公式;確定滿足正常列車對(duì)數(shù)N所需的變壓器容量S計(jì)。（3）確定牽引變壓器校核容量S校：計(jì)算滿足列車緊密運(yùn)行時(shí)（對(duì)應(yīng)最大列車對(duì)數(shù)Nmax）所需的容量Smax;根據(jù)變壓器的過(guò)負(fù)荷倍數(shù)k，確定牽引變壓器的校核容量S校（S校=Smax/k）。（4）確定牽引變壓器安裝容量S安：比較計(jì)算容量S計(jì)與校核容量S校，二者取其大，綜合考慮變壓器的備用方式與變壓器產(chǎn)品規(guī)格等確定安裝容量S安。這種方法計(jì)算牽引變壓器容量時(shí)，每列車的能耗都按重車考慮，Nmax取最嚴(yán)重情況時(shí)的列車對(duì)數(shù)，確定S安時(shí)選擇大于S計(jì)或S校的一個(gè)容量等級(jí)。因此，采用這種傳統(tǒng)算法確定的牽引變壓器容量，不僅能夠滿足最大負(fù)荷的供電能力要求，而且一般都會(huì)有較大富余量。

4傳統(tǒng)算法存在的不足

上述算法簡(jiǎn)捷且能有效保證變壓器供電能力要求，但是存在以下兩點(diǎn)不足。（1）采用的過(guò)負(fù)荷倍數(shù)k所對(duì)應(yīng)的牽引變壓器負(fù)載率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其實(shí)際負(fù)載率，這種情況下，牽引變壓器具有更高的過(guò)載能力，可以允許比k更高的過(guò)負(fù)荷倍數(shù)，傳統(tǒng)算法未考慮這一實(shí)際因素。（2）決定變壓器容量是否合適的關(guān)鍵是變壓器實(shí)際運(yùn)行時(shí)的電流限值、溫度限值與壽命損失是否滿足規(guī)定要求，傳統(tǒng)算法未對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，易使變壓器容量設(shè)置偏大。

5電氣化鐵路牽引供電容量?jī)?yōu)化方案

通過(guò)上述分析，在鐵路建設(shè)的早期階段，鐵路里程相對(duì)有限，對(duì)牽引供電容量的需求不是很大，會(huì)導(dǎo)致一定程度的過(guò)剩問(wèn)題，影響到牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此，有關(guān)技術(shù)人員需要進(jìn)一步提出牽引供電容量的優(yōu)化方案。第一種：考慮將一部分變電所暫停運(yùn)行，由臨近的變電所提供電能，從而通過(guò)減少變電所數(shù)量來(lái)提升電能的利用率。第二種：更改接線，由傳統(tǒng)的Vx轉(zhuǎn)變?yōu)镮i，可以減少單相變壓器數(shù)量，從而節(jié)省供電容量。

6對(duì)方案的可行性分析

為實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路牽引供電容量的優(yōu)化，要對(duì)提出的優(yōu)化方案進(jìn)行可行性分析。該過(guò)程需要對(duì)供電指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析，通過(guò)構(gòu)建全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)的仿真模型，包括外部電源、牽引變壓器、牽引網(wǎng)等，基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)來(lái)建立模型，對(duì)相應(yīng)的供電指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)某些數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。首先，需要進(jìn)行的是阻抗特性分析，結(jié)果表明，方案一的牽引網(wǎng)抗阻能力低于方案二;其次，對(duì)牽引網(wǎng)電壓水平進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，方案二中，盡管將接線更改為Ii，但仍然能夠順利實(shí)現(xiàn)2×27.5kVAT供電的支持，且運(yùn)行穩(wěn)定。對(duì)變壓器溫升和壽命損失情況進(jìn)行對(duì)比分析如下：首先，我們將一部分牽引變電所暫停運(yùn)行，變壓器溫升和壽命損失有所升高，但并未達(dá)到限值（一般來(lái)說(shuō)，溫升的限值為140℃，壽命損失的限值為24小時(shí)），可以滿足供電容量?jī)?yōu)化的需要，該方案具有一定的可行性。要想進(jìn)一步發(fā)揮該方案的優(yōu)勢(shì)，技術(shù)人員要在有效控制變壓器溫升、壽命損失的同時(shí)，盡量實(shí)現(xiàn)供電容量的優(yōu)化。其次，將接線更改為Ii后，變壓器溫升盡管已接近140℃，但壽命損失遠(yuǎn)未達(dá)到限值，同樣可以滿足安全運(yùn)行的需要，該方案同樣具有可行性。不過(guò)，要特別注意的一點(diǎn)是，如果選擇方案二進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)著重考慮到變壓器壽命損失的有關(guān)限制因素。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，鐵路電力牽引供電工程施工較為復(fù)雜，所以對(duì)其質(zhì)量的管理工作更要予以重視。通過(guò)建立專門的質(zhì)量管理監(jiān)督組織，在整個(gè)施工過(guò)程中對(duì)工程的質(zhì)量進(jìn)行有效地質(zhì)量控制，保證工程的質(zhì)量，確保鐵路工程建設(shè)的順利推進(jìn)，為鐵路運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)、做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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