提高接觸網末端電壓設計方案研究

悅 琳，鄭書慧

0 引言

大準線電氣化鐵路開行萬噸列車，由于供電臂電流的增大，供電臂末端接觸網電壓降低，經常發生電力機車在供電臂末端由于接觸網電壓過低造成電力機車跳閘的現象，嚴重影響鐵路運輸。通過認真分析研究，制定了技術合理、投資小、便于實施的設計方案，工程實施后，接觸網末端電壓得到了顯著的提高。

1 接觸網電壓過低的原因及改善措施分析

大準線電氣化鐵路開行萬噸列車，由于供電臂電流的增大，牽引供電設備及供電線路的電壓損失增大，造成供電臂末端接觸網電壓降低。電壓損失主要分布：110 kV 供電線路產生的電壓損失；牽引主變壓器產生的電壓損失；接觸網線路產生的電壓損失。

綜合考慮上述原因，提出相應的改善措施及可行性分析，參見表1。

表1 接觸網電壓過低原因分析對策表

通過表1 可以看出，可能采取的措施有三項：

（1）更換大容量、低阻抗變壓器，這樣可以降低變壓器的阻抗，減少變壓器的電壓損失，達到提高接觸網電壓的目的。

大準線牽引變電所主變壓器接線形式為V/v接線，主變壓器（下文簡稱主變）容量為（16+16）MV·A 或（10+16）MV·A，短路電壓百分比Ud% = 10.5。以變壓器額定容量10 MV·A 供電臂為例，其電壓損失：

式中，XT為牽引變壓器電抗值，0.105×27.52/10 = 7.94；IG為供電臂電流；按一列萬噸，雙S4機車運行，取704 A；φ為牽引負荷功率因數角，按cosφ = 0.8 計算，sinφ = 0.6。

若牽引變壓器更換為主變容量20 MV·A、短路電壓百分比Ud%為8.4 的牽引變壓器，其主變的電壓損失：

由此可以看出，利用上述方法可使其主變的電壓損失減少60%。

由于大準鐵路公司已經開始規劃大準二線工程，在該工程中將對牽引變壓器進行增容改造，故該次設計中暫不考慮更換大容量、低阻抗變壓器。

（2）采用動態電容補償裝置，減少變壓器的電壓損失，達到提高接觸網電壓的目的。

大準線各牽引變電所均采用靜態電容補償裝置，月平均功率因數可達0.9，但動態功率因數、特別是重負荷時功率因數遠小于0.9，故此，若采用動態電容補償裝置使動態功率因數大于0.9，其電壓損失：

較原來采用靜態電容補償裝置時，其主變的電壓損失可減少28%。

由于大準鐵路公司已經開始規劃大準二線工程，在該工程中將對牽引變電所改造，故該次設計中暫不考慮增設動態電容補償裝置。

（3）改造接觸網，降低接觸網阻抗，減少接觸網電壓損失，達到提高接觸網電壓的目的。

大準線接觸網主要參數：正線采用GLZC-120+FGLC-260 或LBGJ-120+GLCN-250，站線采用GLZE-30+FGLC-195 或LBGJ-70+GLCN-195，回流線采用LJ-185 單根單列，供電線采用LJ-185單根單列。

接觸網單位阻抗Z_1= 0.125 + j0.363，按牽引負荷功率因數0.8 考慮，接觸網等效阻抗：

Z_1*= cosφ×0.125 + sinφ×0.363 = 0.8×0.125+ 0.6×0.363 = 0.318 (Ω)

按供電臂長LGDB= 20 km、負荷電流IG仍按704 A 計算，接觸網電壓損失：

ΔUJCW= IGLGDBZ_1= 704×20×0.318 =4 478 (V)

故此，既有大準線牽引側電壓損失

ΔU = ΔUT+ ΔUJCW= 3 354 + 4 478 = 7 832 (V)

接觸網末端電壓為27.5 - 7.83 = 19.67 kV，小于規范規定的20 kV。這是按供電臂上有一列萬噸列車，且萬噸列車的功率因數是按0.8 計算的。實際運行中，供電臂上可能有一列萬噸列車以外的其它列車，這樣供電臂電流就大于704 A，牽引側的電壓損失就會更大。而且實際中SS4電力機車的功率因數因工況不同最低可達0.6，如按負荷功率因數0.6 計算：

ΔUT= sinφ XTIG= 0.8×7.94×704 = 4 472 (V)

Z_1*= cosφ×0.125 + sinφ×0.363 = 0.6×0.125+ 0.8×0.363 = 0.365 (Ω)

ΔUJCW= IGLGDBZ_1= 704×20×0.365 =5 140 (V)

牽引側電壓損失：

ΔU = ΔUT+ ΔUJCW= 4 472 + 5 140 = 9 612 (V)

接觸網末端電壓為27.5 - 9.61 = 17.89 (kV)，這樣就有可能引起電力機車跳閘。

通過上述分析還可以看出：接觸網的電壓損失占牽引側電壓損失的50%以上，降低接觸網阻抗，可有效減少牽引側電壓損失，以提高供電臂末端接觸網電壓。故此，該次設計，利用改造接觸網，降低接觸網阻抗，減少接觸網電壓損失達到了提高接觸網電壓的目的。

2 降低接觸網阻抗設計方案

2.1 更換接觸懸掛線型方案

在設計初期，大準鐵路公司提出將正線GLZC-120+FGLC-260 或LBGJ-120+GLCN-250 接觸懸掛線型，更換為THJ-120+CTHA-150 接觸懸掛線型，期望降低接觸網阻抗。

接觸網阻抗主要由接觸線承力索-地回路自阻抗（Zjcw）、鋼軌回流線-地回路自阻抗（ZHL）構成，接觸網等效電路如圖1 所示，接觸網單位阻抗：Z=為接觸線承力索與鋼軌回流線間互阻抗。

當更換接觸懸掛線型時，Zh、ZHL基本沒有變化，只有Zjcw因接觸網線材的改變發生變化。

承力索、接觸線-地回路自阻抗等效電路如圖2所示，ZC為承力索-地回路自阻抗、Zj為接觸線-地回路自阻抗、Zjc為接觸線與承力索間互阻抗，Zjc=0.05 + j0.145lgDg/ Djc，Djc為接觸線承力索平均間距。

圖1 接觸網等效電路圖

圖2 承力索、接觸線-地回路等效電路圖

當更換接觸懸掛線型時，Zjc基本沒有變化，只有Zj、ZC因接觸網線材的改變發生變化，且：

式中，rj為接觸線的有效電阻；Dg為等效地回線入地深度；Rej為接觸線的等效半徑；rc為承力索的有效電阻；Dg為等效地回線入地深度；Rec為承力索的等效半徑。

由此看出，影響接觸線或承力索-地回路自阻抗的因素有：線材的有效電阻r、等效地回線入地深度Dg、線材的等效半徑Re。Dg只與大地電導率有關，與接觸懸掛線材無關。只有r 和Re與接觸懸掛線材有關。

CTHA-150 銅接觸線的r 為0.118 3 ?/km，GLC120/260 鋼鋁接觸線的r 為0.143 ?/km。

線材的等效半徑Re= a×R，其中，a 為線材的等效系數，銅接觸線為0.78，鋼鋁接觸線為0.95。

CTHA-150 銅接觸線的半徑R 為7.125，等效半徑Re為5.558；GLC120/260 鋼鋁接觸線的R 為9.3，等效半徑Re為8.835。

由此可以看出，將鋼鋁線更換為銅線，接觸網電阻值減小、接觸網電抗值可能會增大，因鋼鋁線的等效半徑Re大于銅線，將鋼鋁線更換為銅線后Dg/Re會增大。

經計算：GLZC-120+FGLC-260、回流線LJ-185懸掛類型的接觸網單位阻抗為0.124+j0.364，其模為0.384 ?，阻抗角為71.152°；THJ-120+ CTHA-150、回流線LJ-185 懸掛類型的接觸網單位阻抗0.097 + j0.373，其模為0.386 ?，阻抗角為75.491°。

故此，將正線GLZC-120+FGLC-260 接觸懸掛線型更換為THJ-120+CTHA-150 接觸懸掛線型，不能降低接觸網單位阻抗。

2.2 增設接觸網加強線方案

在既有接觸網上增設LJ-185 型加強線，以降低接觸網阻抗。帶有加強線接觸網的阻抗主要由接觸線承力索加強線-地回路自阻抗（Zjcw）、鋼軌回流線-地回路自阻抗（ZHL）構成，接觸網單位阻抗：為接觸線承力索加強線與鋼軌回流線間互阻抗。接觸線、承力索、加強線-地回路自阻抗等效電路如圖3 所示，ZC為承力索-地回路自阻抗、Zj為接觸線-地回路自阻抗、Zq為加強線-地回路自阻抗、Zjcq為接觸線承力索加強線間互阻抗，Zjcq= 0.05 + j0.145lg Dg/ Djcq，Djcq為接觸線、承力索、加強線平均間距。Zjc為接觸線與承力索間互阻抗，Zjc= 0.05 + j0.145lg Dg/ Djc，Djc為接觸線承力索平均間距，加強線一般采用在支柱的田野側用增高肩架的方式架設，因此，Djcq＞Djc，Zjcq＜Zjc。

圖3 承力索、接觸線、加強線-地回路等效電路圖

通過比較圖2 和圖3，可以直觀的看出，增設加強線后接觸網阻抗會減小。

計算得到在既有接觸網上增設LJ-185 型加強線后接觸網單位阻抗為0.089 + j0.271，其模為0.285 ?，阻抗角為71.833°。

2.3 增設加強線后接觸網電壓損失計算

接觸網單位阻抗Z_2= 0.089 + j0.271，按牽引負荷功率因數0.8 考慮，接觸網等效阻抗：

Z_2*= cosφ×0.089 + sinφ× 0.271 = 0.8×0.089 + 0.6×0.271 = 0.233 8 (Ω)

按供電臂長LGDB= 20 km、負荷電流IG仍按704 A 計算，接觸網電壓損失：

ΔUJCW= IGLGDBZ_2*= 704×20×0.233 8 =3 292 (V)

牽引變壓器未更換，電壓損失ΔUT仍按3 354 V計算，故此，增設加強線后大準線牽引側電壓損失：ΔU = ΔUT+ ΔUJCW= 3 354 + 3 292 = 6 646 (V)接觸網末端電壓為27.5 - 6.65 = 20.85 (kV)，大于規范規定的20 kV。

按負荷功率因數0.6 進行校驗：

ΔUT= sinφ XTIG= 0.8×7.94×704 = 4 472 V

Z_1*= cosφ×0.089 + sinφ×0.271 = 0.6×0.089+ 0.8×0.271 = 0.27 (Ω)

ΔUJCW= IGLGDBZ_1= 704×20×0.27 = 3 802 V

牽引側電壓損失：

ΔU = ΔUT+ ΔUJCW= 4 472+3 802 =8 274 (V)

接觸網末端電壓為27.5 - 8.274 = 19.226 (kV)，大于規范規定的供電系統非正常運行時電力機車受電弓電壓不低于19 kV 的規定。

故此，在既有接觸網上增設加強線后，接觸網單位阻抗可降低26.5%左右，可有效地減少接觸網電壓損失，以提高供電臂末端接觸網電壓。

3 結語

大準線外西溝變電所的外西溝—雞鳴驛、外西溝—缸房矢供電臂及窯溝變電所的窯溝—王桂矢供電臂，按該設計進行增設加強線改造完畢，改造后接觸網末端電壓得到了顯著提高，至今未發生過因接觸網電壓過低造成電力機車跳閘的現象。該項工程的設計得到了大準鐵路公司的好評。

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