交直交機車應用對牽引供電系統的新要求

陳 敏

0 引言

大秦線開行的2萬噸列車由交直交型機車（包括 HXD1、HXD2型號）牽引，萬噸組合列車仍采用SS4型機車牽引，2類機車在牽引功率、功率因數和制動方式等方面存在較大差異，對牽引供電系統的供電能力提出更高要求。

現場測試表明，在長大下坡區段，機車再生制動向系統反饋電能，接觸網電壓多處抬升至31 kV以上，導致電制動功率下降甚至封鎖；在供電臂較長、負荷集中區段，接觸網最低電壓降至16.4 kV，導致中途停車。

結合大秦線年運量4億噸運輸目標，從牽引供電仿真模擬、適用供電方案等方面進行研究，提出相應的解決措施，以提高牽引供電系統的供電能力和供電質量，滿足大秦線運量大幅度增長需要。

1 交直交機車對牽引網電壓的要求

HXD1、HXD2型機車分別是從西門子和阿爾斯通公司引進的大功率交流傳動電力機車，SS4、HXD2機車主要性能參數如表1所示。

由表1見，同SS4型電力機車相比，交直交型電力機車具有以下特點：主整流器采用交直交IGBT逆變，功率因數高，牽引、制動功率大；電制動為再生制動方式，機車上無電阻，再生電能全部回饋至牽引供電系統；對供電電壓質量要求高，當機車電壓低于17.5 kV或高于31 kV時，電壓保護裝置動作，機車功率降至0，在大秦線實際運用中，接觸網電壓過高或過低都會造成機車牽引封鎖。牽引供電系統必須適應交直交機車的上述特點。

表1 SS4、HXD1、HXD2機車主要性能參數表

HXD1、HXD2機車的功率發揮與網壓的關系分別見圖1和圖2。

圖1 HXD1機車功率/網壓限制曲線圖

圖2 HXD2機車功率/網壓限制曲線圖

從圖1可以看出，HXD1機車正常工作網壓范圍為22.5～30 kV。網壓22.5～19 kV，機車功率從100%線性下降到84%；網壓19～17.5kV，機車功率從84%線性下降為0；網壓30～31 kV，機車功率從100%線性下降為0。

從圖2可以看出，HXD2機車正常工作網壓范圍為25～30 kV。網壓25～17.5 kV，機車功率從100%線性下降到64%；網壓低于17.5 kV，機車功率為0；網壓30～31 kV，機車功率從100%線性下降為64%；網壓高于31 kV，機車功率為0。

機車功率不同引起的需求可通過調整牽引變壓器配套開關及接觸網設備的容量來解決；因此，下面將重點研究如何改善接觸網電壓質量的問題。

2 大秦線接觸網電壓水平分析

按大秦線年運量 4億噸運輸組織計劃及調整后的牽引供電設施分布，采用動態模擬及靜態分析相結合的方法，對全線各供電臂接觸網最高及最低電壓進行校核，結果如下。

2.1 接觸網最高電壓

經對全線各牽引變電所進行模擬計算，受機車再生電能回饋影響，導致接觸網電壓抬升超過30 kV的牽引變電所如表2所示。

為保證分析結論的全面性，對上述牽引變電所，結合線路坡道情況，另采用靜態計算的方法，在不考慮再生能量被相鄰機車吸收利用的情況下，進一步校核網壓抬升情況。結果如表2所示。

表2 接觸網最高電壓校核結果表

接觸網電壓抬升大小主要與牽引變電所外部電源短路容量、牽引變壓器容量、供電范圍內線路坡度、列車位置及其再生電流大小有關。從表2可以看出，再生制動回饋電能導致網壓抬升，機車運行存在隱患的區段主要集中在重車方向持續長大下坡的區段，分別為K137～K196和K275～K327，相關牽引變電所為永安堡、東城鄉、涿鹿、沙城東和下莊，接觸網電壓抬升最大為3 kV。

2.2 接觸網最低電壓

電氣化鐵路接觸網電壓水平受電力系統電壓損失、牽引變壓器電壓損失和牽引網電壓損失三方面的制約。經校核，永安堡、東城鄉、沙城東及撫寧北牽引變電所供電范圍內，接觸網最低電壓為20 kV，雖滿足鐵標要求，但供電質量不高，具體如表 3所示；其余供電臂接觸網最低電壓均可達21 kV以上，滿足要求。

表3 接觸網最低電壓校核結果表

3 改善接觸網電壓水平的措施

3.1 永安堡和沙城東等牽引變電所

4億噸擴能改造中，永安堡、沙城東、下莊和撫寧北牽引變電所變壓器需增容，設備重新采購，可采用裝設有載自動調壓牽引變壓器的方案，解決接觸網電壓偏高和偏低問題。

大秦線地處山區，外部電源極其薄弱，據調查，除木林和遷西牽引變電所外，110 kV側進線供電電壓正負偏差絕對值之和均超出國標規定的 10%的要求，最高達30%，導致接觸網最低電壓多次低至16 kV（鐵標中規定正常運行情況下機車受電弓電壓不低于 20 kV）。外部電源供電能力加強工程勢在必行，但受諸多因素限制，短期內無法實現。因此，在有載分接開關選擇時，通過合理確定電壓調整范圍，確保牽引變電所 110 kV進線電壓在90～121 kV間波動時，牽引變壓器低壓側輸出電壓均為55 kV。有載自動調壓牽引變壓器由牽引變壓器本體、有載分接開關、電動機構及其自動控制器組成。對于大秦線的斯柯特結線變壓器，在低壓側T座、M座各裝設1臺有載分接開關，T座、M座電壓可分別獨立調整。

迄今為止，國內外使用的油浸式有載分接開關，其油室內的油絕大多數既是分接開關的絕緣介質，又是切換過程中主通斷觸頭及過渡觸頭電弧熄滅的介質，同時兼作機械傳動部分的潤滑劑和觸頭與導電部件的冷卻介質，因此也可稱作油中熄弧的有載分接開關。該開關在運行中油的碳化不可避免，隨著操作次數的增加，油中的碳化物不斷增多。油中熄弧的有載分接開關使用在除了中性點調壓之外的其他部位上時，不得不添加輔助設備—在線濾油裝置以保證油的絕緣性能并減少油中碳粒。

目前，油浸式真空熄弧有載分接開關研制成功，用真空管替代電弧觸頭，絕緣油僅為開關的絕緣介質，在長時間的運行中始終保證油的良好絕緣性能及良好機械潤滑性能。這樣，不管分接開關用于何種場合，維護工作量均很小，可使運行成本降到最低。大秦線牽引變壓器采用了該種開關，并已投入運行，實際運行效果很好。

3.2 東城鄉牽引變電所

4億噸擴能改造工程中，東城鄉牽引變電所內變壓器不需增容，設備也不必更換。

該所僅需加強機車上和牽引變電所內監測，若出現接觸網電壓抬升，擾亂運輸秩序的問題，可采取將牽引變電所高壓側分接開關分接位置由 3位調至2位或1位的方法解決。

對于網壓偏低的問題，結合東城鄉牽引變電所電能質量綜合治理工程，在牽引變電所55 kV側T座和M座母線上各裝設1套TCR（并聯可調電抗器）及3次、5次單調諧濾波裝置，可將牽引變電所高壓側功率因數提高至0.95，電力系統和牽引變壓器上的電壓損失也相應減少約1.5 kV，使得接觸網末端最低電壓提高至21 kV以上。

3.3 涿鹿牽引變電所

4億噸擴能改造工程中，涿鹿牽引變電所內變壓器不需增容，設備也不需更換。因此，涿鹿牽引變電所同樣需加強機車上和牽引變電所內監測，適時調整牽引變壓器高壓側分接開關分接位置，穩定接觸網電壓。

4 結語

目前，有載調壓牽引變壓器已投入使用，實際運行效果很好。牽引變壓器采用有載調壓方式，可作為外部電源薄弱地區，提高接觸網電壓質量的有效措施之一，供其他電氣化鐵路參考。

[1]繆耀珊，曹東白.電氣化鐵道設計手冊 牽引供電系統[M].北京：中國鐵道出版社，1998.

[2]Kie?ling, Puschmann, Schmieder.電氣化鐵道接觸網[M].中鐵電氣化局集團譯.北京：中國電力出版社，2004.

[3]賀威俊，簡克良.電氣化鐵道供變電工程[M].北京：中國鐵道出版社，1983.