牽引變電所變壓器增容容量的驗證分析

許 冰，袁立忠

0 引言

京哈鐵路（北京至秦皇島段）由于運量的增加及行車組織方式的變化，特別是自2008 年始開行大量重聯動車組和重載鐵路運輸，使得電力機車通過接觸網取流增大，牽引變電所負荷急劇增加，頻繁發生變電所內主變壓器過負荷保護動作跳閘，線路停電現象，嚴重影響了鐵路運輸秩序，浪費了鐵路企業人力物力。

北京至秦皇島段鐵路運輸量的增長幅度較大，既有牽引供電設備設計能力已不能滿足當前運輸需求，原牽引網設計載流能力不能滿足目前運輸狀況，為防止牽引變電設備過負荷故障，保證鐵路正常運輸秩序，必須對牽引供電系統進行擴能改造。

1 京哈鐵路牽引供電系統擴能改造狀況

京哈鐵路于2008—2009 年實施了所內變壓器更換為較大額定容量變壓器，牽引網進行相應配套升級的增容改造方案，該段300 km 電氣化鐵路分三段（北京至燕郊、燕郊至狼窩鋪、狼窩鋪至秦皇島）在不同的年代建成，其設計技術標準和牽引供電能力均不同，其中北京至燕郊段牽引網采用直供加回流線供電方式，建有雙橋牽引變電所，所內牽引變壓器額定容量由2×25 MV·A 增容至2×31.5 MV·A；燕郊至狼窩鋪段采用AT 供電方式，建有薊縣南、狼窩鋪2 座牽引變電所，所內牽引變壓器額定容量由2×40 MV·A 增容至2×63 MV·A；狼窩鋪至秦皇島段牽引網采用直供加回流線供電方式，建有馬柳、昌黎2 座牽引變電所，所內牽引變壓器額定容量由2×25 MV·A 單相變壓器增容至2×31.5 MV·A。

牽引變電所變壓器容量增容后，饋線斷路器、隔離開關、母線等設備容量也相應升級，并在設備增容基礎上改造所內配套繼電保護系統，對牽引網載流能力進行了相應提升，以滿足運量增加要求。

根據變電所供電臂長度和線路通過列車參數，本文對直供加回流區段變電所單相變壓器的增容容量進行驗證。

2 牽引變壓器額定容量確定依據

2.1 額定容量確定步驟

牽引變壓器額定容量確定分3 個步驟：

（1）按照鐵道部規定年運量大小和行車組織要求，根據線路通過機車的運行參數和行車密度，進行牽引計算，計算饋線電流的平均電流、有效電流，確定變壓器的計算容量。

（2）根據機車緊密運行情況下，2 個方向供電臂最大電流、有效電流，確定變壓器最大負荷；充分考慮變壓器的過載能力，計算其校核容量。

（3）對比計算容量與校核容量，選擇兩者較大者，并根據實際變壓器系列產品的規格確定變壓器額定容量。

2.2 容量確定計算公式

對于單相接線變壓器，其計算容量如式（1）：

式中，S 為所內變壓器計算容量，kV·A，∑Iε為牽引變電所母線有效電流；U 為牽引變電所牽引母線額定電壓，取27.5 kV。

當存在2 個供電臂時：

式中，Iεα為一供電臂有效電流，Ipα為其平均電流；Iεβ為另一供電臂有效電流，Ipβ為其平均電流。

2.3 容量確定校核公式

單相接線變壓器最大負荷為

式中，Smax為最大負荷，kV·A；Iα,max為重負荷供電臂最大電流；Iεβ為輕負荷供電臂有效電流；U 為牽引變電所牽引母線額定電壓，取27.5 kV。

根據牽引變壓器過負荷能力規定，考慮充分利用牽引變壓器過負荷能力，北京至秦皇島段牽引變電所過負荷能力按2.0 倍校核。

式中，S校為變壓器校核容量；K 為過負荷倍數，取2.0。

2.4 額定容量確定

當變壓器計算容量與校核容量確定后，選擇兩者中較大者，并按照既有牽引變壓器系列產品和備用方式，確定最后額定容量的大小。

2.5 變電所饋線電流確定公式

在牽引計算中，饋線電流是確定牽引供電設備（如變電所中電源進線、變壓器、饋線斷路器、接觸導線等）容量的重要數據，饋線電流有許多計算方法，常用的方法有3 種，分別為負荷過程法、同型列車法與概率統計法，本文采用負荷過程法對饋線電流進行計算。

負荷過程法是根據一定時間T（一般為1 天）內，饋線電流與時間兩者之間曲線關系，iF= f(t)，t∈T，計算出規定時間內饋線有效電流、平均電流。

全日平均電流：

全日平均有效電流：

3 京哈鐵路變電所變壓器增容容量的驗證

3.1 京哈鐵路通過列車運行參數

目前北京至秦皇島段通過列車情況如下：電力牽引列車96 對/日，其中貨車72 對/日（5 000 t，SS1、SS3、SS4）；客車14 對/日（SS9）；動車組10對/日（CHR5重聯）。列車追蹤間隔為5 min；為充分考慮變壓器容量裕度，按線路滿足全部開行重聯動車組CRH5（2×8 輛編組），5 min 追蹤運行條件計算牽引變電所饋線電流，考慮變電所取流最大的情況進行計算。

參考現場記錄重聯動車組運行電氣參數數據，200 km/h 勻速取流120～200 A；加速、曲線、上坡出現大電流450～490 A。

3.2 雙橋牽引變電所變壓器增容容量驗證

（1）雙橋牽引變電所北京方向供電臂饋線電流計算。雙橋牽引變電所北京方向有2 個供電臂，兩者長度之和26.12 km；動車組按200 km/h 運行，運行7.836 min，按5 min 追蹤間隔，上行（下行）供電臂有2 列動車組共同運行的時間為2.836 min；重聯動車組勻速取流120～200 A，取最大值200 A進行計算。

根據式（5），得出北京方向供電臂（上行+下行）平均電流Ipα：

根據式（6），得出北京方向供電臂（上行+下行）平均有效電流Iεα：

（2）雙橋牽引變電所秦皇島方向供電臂饋線電流計算。雙橋牽引變電所秦皇島方向供電臂長度23.84 km；動車組按200 km/h 運行，運行7.15 min，按5 min 追蹤間隔，上行（下行）供電臂有2 列動車組共同運行的時間為2.15 min。

重聯動車組勻速取流120～200 A，取最大值200 A 進行計算。

根據式（5），得出秦皇島方向供電臂（上行+下行）平均電流Ipβ：

根據式（6），得出秦皇島方向供電臂（上行+下行）平均有效電流Iεβ：

（3）雙橋牽引變電所重負荷臂（北京方向供電臂）最大電流取值。雙橋牽引變電所重負荷臂為北京方向供電臂，最大電流取重聯動車組加速、曲線、上坡出現的電流490 A 進行計算，兩列重聯動車組運行取流為980 A，北京方向供電臂上下行最大電流取1 960 A。

（4）計算雙橋牽引變電所變壓器增容后的額定容量。

a.雙橋牽引變電所變壓器計算容量。將上述計算所得北京方向供電臂平均電流Ipα= 544.77 A，平均有效電流Iεα= 577.69 A，秦皇島方向供電臂平均電流Ipβ= 520.28 A，平均有效電流Iεβ= 551.67 A代入式（1）和式（2），得出變壓器計算容量S 為

b.雙橋牽引變電所變壓器校核容量。將重負荷臂最大電流1 960 A，輕負荷臂有效電流Iεα= 551.67 A 代入式（3），得到變壓器最大負荷容量為

充分利用牽引變壓器過負荷能力，北京至秦皇島段牽引變電所過負荷能力按2.0 倍校核。將Smax=69.071 MV·A，K = 2 代入式（4），得到校核容量S校為34.535 MV·A。

c.雙橋牽引變電所變壓器額定容量。對比變壓器計算容量S = 30.187 MV·A 與校核容量S校=34.535 MV·A，選擇其中最大者S校作為確定額定容量的依據，根據目前牽引變壓器系列產品，充分利用變壓器的過負載能力，綜合考慮以上因素，雙橋牽引變電所主變壓器額定容量確定為2×31.5MV·A（一主一備），是符合運行要求的。

3.3 馬柳牽引變電所變壓器增容容量驗證

馬柳變電所供電臂，北京方向長21.90 km，秦皇島方向長28.95 km，重聯動車組勻速取流120～200 A，取200 A 計算驗證，依據上述公式，計算得北京方向供電臂平均電流Ipα= 496.98 A，平均有效電流Iεα= 525.71 A，秦皇島方向供電臂平均電流Ipβ= 577.78 A，平均有效電流Iεβ= 611.01 A，得出變壓器計算容量S = 30.424 MV·A，校核容量S校=34.179 MV·A，取兩者中最大者S校作為確定額定容量的依據，根據目前牽引變壓器系列產品，充分利用變壓器的過負載能力，綜合考慮以上因素，牽引變電所主變壓器額定容量確定為2×31.5MV·A（一主一備），是符合運行要求的。

3.4 昌黎牽引變電所變壓器增容容量驗證

昌黎變電所供電臂，北京方向長34.10 km，秦皇島方向長26.107 km，重聯動車組勻速取流120～200 A，取200 A 計算驗證，按照上述公式，計算得北京方向供電臂平均電流Ipα= 600 A，平均有效電流Iεα= 632.46 A，秦皇島方向供電臂平均電流Ipβ= 544.57 A，平均有效電流Iεβ= 577.48 A，得出變壓器計算容量S = 32.387 MV·A，校核容量S校=34.890 MV·A，取兩者中最大者S校作為確定額定容量的依據，根據目前牽引變壓器系列產品，充分利用變壓器的過負載能力，綜合考慮以上因素，牽引變電所主變壓器額定容量確定為2×31.5MV·A（一主一備），是符合運行要求的。

4 結論

京哈鐵路的北京至秦皇島段隨著運量的增大，牽引負荷的急劇增加使沿線牽引變電所過負荷現象頻繁發生，經常發生保護動作跳閘線路停電現象，嚴重影響了運輸秩序，牽引供電系統擴能改造勢在必行，該段線路實施了變電所內更換較大額定容量變壓器，牽引網進行相應配套升級的增容改造方案，確定直供加回流區段變壓器額定容量由25 MV·A 增至31.5 MV·A，AT 區段變壓器額定容量由40 MV·A 增至63 MV·A，并對其他變電設備、牽引網容量進行配套設計，通過驗證計算和實際運行證明，牽引變壓器增容后的額定容量和其他牽引供電設備的配套升級是滿足目前運量增大后線路牽引負荷要求的。

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