牽引變電所主變過負荷分析及對策

■ 王榮利

牽引變電所變壓器是電氣化鐵路的重要供電設備，牽引變壓器的工作狀態直接影響到電氣化鐵路的運輸能力。變壓器容量太大，會增加鐵路運輸成本；變壓器容量太小，會影響鐵路運輸能力。最大限度地利用牽引變壓器殘值，將帶來可觀的經濟效益。

朔黃鐵路運量逐年遞增，在運輸組織上采取了增加列車密度、提高列車運行速度、增加列車編組、開行萬噸列車等措施，這就對牽引變壓器帶來了很大的負荷壓力，牽引變電所過負荷越來越多，給安全供電帶來了較大隱患。

1 變壓器壽命與過負荷的關系

變壓器過負荷引起變壓器各部分溫度升高、絕緣老化、使用壽命降低，直至損壞。變壓器運行時，其繞組和鐵芯中的電能損耗都將轉變為熱能，使變壓器的溫度升高。這些熱量由繞組和鐵芯內部以傳熱方式傳至導體或鐵芯表面， 再以對流方式傳至變壓器油中。變壓器的絕緣老化，主要是因為溫度、濕度、氧氣和油中劣化產物的影響，高溫是老化的直接原因。運行中絕緣的工作溫度愈高，化學反應（主要是氧化作用）進行得愈快，引起機械強度和電氣強度喪失得越快， 即絕緣的老化速度愈大，變壓器的使用年限也愈短。在短時嚴重過負荷時，由于繞組時間常數較小，溫度上升較快，溫升相對較高；但對于變壓器油，由于時間常數較大，溫度變化較慢。當熱點溫度升高，突然超過臨界值時，在絕緣紙中可能產生氣泡，使變壓器整體絕緣降低，可見運行溫度對變壓器壽命起著決定性的作用。油浸式變壓器繞組匝絕緣用的電纜紙，溫度為80～140 ℃時，其壽命L與溫度的關系，可用蒙特辛格（Montsinger）公式表示：

式中，θ0為保證變壓器絕緣正常壽命的繞組熱點溫度，θ0=98 ℃；θh為實際的繞組熱點溫度（℃）；Ln為θh=θ0條件下的變壓器絕緣正常壽命。

主變壓器長期在過負荷情況下運行，除考慮對主變壓器自身的危害外，還應考慮套管、引線、隔離開關、電流互感器等設備的過負荷能力及過電流能力。因此必須對變壓器的過負荷倍數進行限制。

2 朔黃鐵路概況

（1）鐵路等級：國家Ⅰ級電氣化鐵路。

（2）正線數目：雙線。

（3）限制坡度：上行4‰，下行12‰。

（4）最小曲線半徑：400 m。

（5）牽引種類：電力機車。

從表2可以看出：在知識導入和體驗上，浙教版以數學問題直接進入，但缺少知識體驗過程，而美GMH版沒有知識導入，是讓學生在解決瓷磚問題的過程中，通過平方運算思考平方根與平方數的關系，從而引入開平方和平方根.在知識應用上，浙教版先以例1幫助學生鞏固開平方和平方根的概念以及開平方與平方的互逆關系，再以例2強化學生對平方根、算術平方根、負平方根的區別(見圖3)；而美GMH版則直接以例題來介紹正負平方根和平方根，以及平方根在解方程中的應用(見圖4).相比之下，浙教版的例題安排更合理，有利于學生對不同知識點的區分.另外，兩版教材均以文字、符號來表征平方根的概念，且都沒有知識拓展.

（6）機車類型：SS4型機車、大功率交流機車、DF4B型機車。

（7）到發線有效長：2 800 m、1 800 m或1 050 m。

（8）閉塞類型：自動閉塞。

（9）聯鎖方式：計算機聯鎖、電氣集中聯鎖。

（10）列車編組：普通貨物列車C64：66輛；萬噸貨物列車C70；116輛；C80：116輛。

（11）牽引質量：普通貨物列車6 000 t；萬噸貨物列車11 600 t。

（12）列車間隔：技術站普通貨物列車追蹤間隔時間為9 min；萬噸列車追蹤間隔時間為12 min。中間站根據設備情況按黃燈開車掌握列車追蹤間隔時間。

（13）列車運行速度：不同區段的列車運行速度見表1。

（14）機車類型、牽引重量：具體的機車類型和牽引重量見表2。

3 過負荷分析

3.1 過負荷概況分析

2013年1—3月，朔黃鐵路15個變電所共發生過負荷675次，過負荷主要集中在龍宮變電所227次、肅寧北變電所263次、滄州西變電所80次、狼坨子變電所28次。2013年1—3月的過負荷參數（平均值）見表3。

（1）過負荷跳閘分析。2012年1月—2013年4月，龍宮變電所由于過負荷Ⅱ段動作造成跳閘共4次。2012年12月11日04：01龍宮變電所2#主變C相過負荷Ⅱ段跳閘，主變一次跳閘電流：A：133.14 A；B：363.42 A；C：260.04 A。龍宮—寧武西上行車次：S4052、S694；龍宮—寧武西下行車次：S4063、S631；龍宮—北大牛上行車次：S2070、S884、S 6 3 2；龍宮—北大牛下行車次：S2005、S963、S2163。龍宮變電所供電范圍內共有列車10列，其中萬噸列車5列，共計15臺機車取流。由于車流密度大，機車追蹤時間短，萬噸機車多造成龍宮變電所過負荷Ⅱ段跳閘。

（2）典型過負荷分析。龍宮變電所的過負荷時間都非常長，超過50 min的有9次，2013年前3個月中過負荷時間最長的是2013年3月17日08：06的4500S，主變一次電流A：222.5 A；B：350.2 A；C：200.5 A，A相過負荷倍數為1.53倍，整個供電范圍內共有列車11列，其中萬噸列車4列（上行1列，下行3列），由于上行重車在該區段是下坡道，牽引負荷相對較小，主要是下行長大上坡道取流大，下行12‰的坡道就在龍宮變電所的供電臂范圍內。

3.2 過負荷原因分析

表1 列車運行速度

表2 機車類型和牽引重量

表3 2013年1—3月過負荷參數（平均值）

（1）列車的載重量增大。隨著運量的增加，朔黃鐵路牽引重量由原來的全部小列5 676 t增長到現在部分萬噸列11 352 t（C64車型）、10 788 t（C70車型）和11 600 t（C80車型），由于列車取流加大，造成牽引變電所主變壓器過負荷次數增加。

（2）列車通過對數增加。朔黃鐵路由原來的每天130多對小列增加到現在的160多對小列和萬噸列混跑，單位時間內通過的列車對數增多，牽引力加大，牽引變電所輸出的電流增大，造成主變壓器過負荷次數增加。

（3）線路坡度大。朔黃鐵路線路特點是由西部山區逐步過渡到東部平原，東部平原的坡度很小，長大坡道主要集中在原平南—神池南，平均坡度為6‰左右，最大上坡道為12‰左右。線路的夾角大，坡道長，列車牽引分力和水平分力越大，列車取流越大，造成主變壓器過負荷次數增加。

4 采取的對策

（1）增大牽引變壓器的容量。通過增大牽引變壓器的容量，并采用V/X接線方式的牽引變壓器。一臺額定容量一定的這種牽引變壓器其負載能力可提高一個容量級，過載能力可提高約25%，可節省容量20%～22%，可以節省電氣化鐵路的基建投資和運營成本。在減少基本電費方面，帶來的經濟效益尤為顯著。隨著列車牽引重量和列車密度的雙增加，更換大容量、利用率更高的V/X接線方式的變壓器已提上日程，公司有關部門正在積極與地方電業局聯系外部電源改造及主變壓器增容的事宜，目前這種“小馬拉大車”的情況馬上就能改觀。

（2）均衡運輸。減少列車集中啟動、集中加速，盡量做到上、下行均衡運輸。目前過負荷情況最嚴重的就是龍宮變電所，在主變壓器增容之前，按主變壓器1.8倍額定容量來計算，需要對龍宮變電所供電臂內的車流密度進行限制，結合現有運行圖要求，運行前方為萬噸列車追蹤最小間隔控制在12 min，運行前方為普列列車追蹤最小間隔控制在9 min，同時采取2列萬噸列車中間加開1列普通列車，3列萬噸列車不連發等措施，控制同一供電臂上的列車對數，減少牽引變壓器的過負荷。

（3）加強設備檢修。加強設備檢修，提高設備檢修水平，保證一臺牽引變壓器過負荷跳閘后，另一臺牽引變壓器能及時投入，縮短全所停電時間，減少對鐵路運輸生產的影響。日常運行時，應定期投切主備供牽引變壓器，使2臺變壓器能均衡使用。

（4）兩臺變壓器并列運行。該方案在目前的情況下，完全可以滿足運行需要，但是否經濟，則必須考慮變壓器的實際損耗和基本電費之間存在的矛盾。如果變壓器自身損耗產生的費用大于基本電費，則可以采用。

5 結論

目前變壓器雖然存在過負荷，但仍然可以滿足運量需求，除龍宮變電所需要加強監視測量及限制車流密度外，其他各所可以滿足運行需要。變壓器的過負荷是一種不正常的運行模式，但如果合理利用，對提高企業經濟效益有顯著效果。況且，隨著運量的增長，在每次增容改造前都會遇到階段性過負荷問題，因此對變壓器安全運行的監視尤為重要，建議對增容后的變壓器增加絕緣在線監測、變壓器繞組溫度監測等項目，在有效的監測措施下，變壓器的過負荷能力得到充分發揮，可最大程度地節約基本電費。

[1] 楊乃成，李喆，馮國新. 牽引變壓器過負荷原因及對策[J]. 鐵道技術監督，2012(1)

[2] 朔黃鐵路2013年運行圖技術資料[G]

[3] 朔黃鐵路過負荷統計[G]

[4] GB/T 15164—1994 油侵式電力變壓器負載導則[S]