提高山區(qū)鐵路直供方式供電能力的研究

杜瑞建

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 概述

圖1 典型的山區(qū)鐵路縱斷面縮圖

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,鐵路運(yùn)量迅速增長(zhǎng),越來(lái)越多的鐵路需要經(jīng)過(guò)山區(qū)。帶回流線的直接供電方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小,又便于運(yùn)營(yíng)維護(hù),比較適合山區(qū)鐵路的地形情況復(fù)雜的特點(diǎn)。受地形條件的限制,山區(qū)鐵路一般具有線路坡度大,隧道多等特點(diǎn),典型的山區(qū)鐵路縱斷面縮圖如圖1所示。與之對(duì)應(yīng)的牽引特性為：上坡方向牽引負(fù)荷重,機(jī)車(chē)牽引電流大；下坡方向牽引負(fù)荷小甚至無(wú)需牽引取流。這將導(dǎo)致雙線鐵路的2個(gè)方向接觸網(wǎng)供電能力需求差異很大,上坡方向成為制約牽引網(wǎng)供電能力的瓶頸。如何在較少的經(jīng)濟(jì)投入下改善這種情況,是需要深入研究的問(wèn)題。

2 研究思路

傳統(tǒng)的直供方式雙線鐵路接觸網(wǎng)上下行僅供電臂末端并聯(lián)1次,哈大線采用了全并聯(lián)方式[1],在每個(gè)車(chē)站設(shè)并聯(lián)點(diǎn)。新建山區(qū)鐵路站間距大、隧道多,缺少全并聯(lián)的條件,通過(guò)在供電臂中部增設(shè)并聯(lián)點(diǎn),來(lái)研究對(duì)比其對(duì)牽引網(wǎng)供電能力的影響。

3 接觸網(wǎng)載流能力分析

(1)有效電流

接觸網(wǎng)傳輸波動(dòng)劇烈的牽引負(fù)荷電流而產(chǎn)生焦耳熱,載流能力計(jì)算中負(fù)荷電流的有效值起決定作用。有效電流值相當(dāng)于等效直流電流,它在周期T內(nèi)如同隨時(shí)間變化的電流那樣,在電阻上會(huì)引起相同的發(fā)熱。因此,有效電流是決定接觸網(wǎng)載流能力的基本依據(jù),其表達(dá)式為[2]

(1)

在列車(chē)速度恒定的情況下連續(xù)緊密追蹤時(shí),周期負(fù)荷的有效電流表達(dá)式可以等效為[3]

(2)

(2)僅末端并聯(lián)時(shí)的電流分配

僅供電臂末端并聯(lián)情況下,一列車(chē)在供電臂中運(yùn)行時(shí)其上下行接觸網(wǎng)上電流分配如圖2所示。

圖2 僅末端并聯(lián)的電流分配示意

列車(chē)連續(xù)緊密追蹤時(shí),上下行總電流為每列車(chē)電流分配的疊加,即

(3)

其中,Iu為上行接觸網(wǎng)瞬時(shí)電流；Id為下行接觸網(wǎng)瞬時(shí)電流。

(3)中部、末端均并聯(lián)的電流分配

中部、末端均并聯(lián)情況下,牽引網(wǎng)被分為2個(gè)網(wǎng)孔,定義靠近牽引所的網(wǎng)孔為第1個(gè)網(wǎng)孔,另外網(wǎng)孔為第2個(gè)網(wǎng)孔。列車(chē)在供電臂中運(yùn)行時(shí),2個(gè)網(wǎng)孔內(nèi)上下行接觸網(wǎng)上電流分配如圖3、圖4所示。

圖3 列車(chē)在第1網(wǎng)孔時(shí)的電流分配示意

圖4 列車(chē)在第2網(wǎng)孔時(shí)的電流分配示意

連續(xù)緊密運(yùn)行情況下,列車(chē)由供電臂首端駛向末端的1個(gè)周期內(nèi),若n為偶數(shù),存在于每個(gè)網(wǎng)孔的列車(chē)數(shù)不變,上下行接觸網(wǎng)的電流分別為

x∈[0,1]

(4)

若n為奇數(shù),列車(chē)由供電臂首端駛向末端的1個(gè)周期內(nèi),靠近中部并聯(lián)點(diǎn)的列車(chē)將經(jīng)過(guò)并聯(lián)點(diǎn),每個(gè)網(wǎng)孔內(nèi)列車(chē)數(shù)量將發(fā)生變化,上下行接觸網(wǎng)的電流分別為

(5)

(6)

(4)上下行接觸網(wǎng)電流分配比較

將x∈[0,1]的電流代入公式(2),供電臂中部是否并聯(lián)時(shí)的上下行接觸網(wǎng)的電流分配如表1所示。

表1 上下行接觸網(wǎng)電流分配對(duì)照

由表1可以看出,供電臂中部設(shè)并聯(lián)點(diǎn)后,上下行電流分布更為均勻,下行接觸網(wǎng)分流能力約為38%,相比中部不并聯(lián)情況下分流能力的25%提高了13%,分流作用明顯。

4 接觸網(wǎng)電壓損失分析

(1)僅末端并聯(lián)時(shí)的接觸網(wǎng)電壓損失

下行不取流情況下,上下行接觸網(wǎng)在分區(qū)所并聯(lián)時(shí),由第j列車(chē)產(chǎn)生的接觸網(wǎng)電壓損失表達(dá)式為[4]

(7)

式中Z′——線路單位等效自阻抗；

lj——第j列車(chē)與牽引變電所的距離。

按連續(xù)緊密追蹤的最嚴(yán)重情況考慮,追蹤間隔為n,供電臂末端有車(chē),接觸網(wǎng)電壓損失表達(dá)式為

(8)

(9)

(2)中部、末端均并聯(lián)的接觸網(wǎng)電壓損失

(10)

列車(chē)在第2個(gè)網(wǎng)孔時(shí)的接觸網(wǎng)電壓損失分為2部分：第1部分為列車(chē)在網(wǎng)孔內(nèi)的電壓損失,其與式(10)一致,但lj為第j列車(chē)與中部并聯(lián)點(diǎn)的距離；第2部分為列車(chē)在第1孔內(nèi)引起的電壓損失,即

按連續(xù)緊密追蹤的最嚴(yán)重情況考慮,供電臂末端有車(chē),綜合考慮2個(gè)網(wǎng)孔的列車(chē)分布,若n為偶數(shù)時(shí),接觸網(wǎng)電壓損失為

(11)

簡(jiǎn)化為

(12)

若n為奇數(shù)時(shí),接觸網(wǎng)電壓損失為

(13)

簡(jiǎn)化為

(14)

(3)接觸網(wǎng)電壓損失的比較

接觸懸掛為JTM-95+CTS-120,回流線為L(zhǎng)BGLJ-185的接觸網(wǎng)在典型結(jié)構(gòu)下的計(jì)算阻抗為

cosφ=0.8時(shí),Z′=0.303 Ω/km,

cosφ=0.97時(shí),Z′=0.206 Ω/km,

根據(jù)以上公式,供電臂中部是否并聯(lián)時(shí)的接觸網(wǎng)電壓損失對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 接觸網(wǎng)電壓損失對(duì)照

由表2可以看出,供電臂內(nèi)超過(guò)1列機(jī)車(chē)運(yùn)行情況下,供電臂中部設(shè)并聯(lián)點(diǎn)后,接觸網(wǎng)電壓損失較僅末端并聯(lián)的情況減小約10%,從而提高了牽引網(wǎng)的電壓水平。

5 結(jié)論

針對(duì)山區(qū)鐵路長(zhǎng)大坡度、上下行負(fù)荷不均衡的特點(diǎn),考慮利用上下行牽引網(wǎng)導(dǎo)線截面同時(shí)傳輸功率[5],對(duì)比研究了在供電臂中部增設(shè)并聯(lián)點(diǎn)與傳統(tǒng)的僅末端并聯(lián)情況2個(gè)方案的電流分配和接觸網(wǎng)電壓損失。通過(guò)量化計(jì)算、分析,結(jié)果表明增設(shè)并聯(lián)點(diǎn)方案在接觸網(wǎng)上下行電流的均衡及網(wǎng)壓的提高方面均有改善作用,能夠有效地提高直供方式牽引網(wǎng)的供電能力。

[1] 孫震洋.哈大線牽引供電技術(shù)特點(diǎn)分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2004(6).

[2] KieBling, Puschmann, Schmieder.電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2004.

[3] 楚振宇.復(fù)線電氣化鐵路直供牽引網(wǎng)載流能力的計(jì)算[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2010(8).

[4] 譚秀炳,劉向陽(yáng).交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社,2002.

[5] 楊振龍.串并聯(lián)電容補(bǔ)償調(diào)壓的比較[J].電氣化鐵道,1997(3).