牽引供電系統在長期過負荷狀態下的策略分析

張偉

【摘 ?要】煤炭是我國從事工業生產和經濟建設的主要應用能源物資，目前，我國煤炭運輸的主要形式是鐵路運輸，且運輸模式也逐步發展。然而，在實際工作中，任有許多問題頻繁出現而沒有得到解決。針對鐵路牽引變壓器長期過負荷這一問題，進行了分析，并且提出相應的措施，充分發揮牽引變壓器的過負荷能力，做到既節約資金，又保證不間斷供電。

【關鍵詞】牽引供電系統;過負荷狀態;繼電保護

包神鐵路集團貨運以煤炭運輸為主，擁有包神線、塔韓、甘泉及新準等重載運輸通道。近年來，由于塔韓鐵路線運量逐年增加，牽引變電所主變壓器過負荷現象越來越頻繁，部分變電所主變壓器出現過負荷保護動作告警，影響鐵路正常行車組織。如何科學的制定措施，充分發揮牽引主變壓器的過載能力，做到既節約投資又保證供電安全，成為急需研究解決的課題。

一、牽引供電系統的特點

電氣化鐵道供電需要一次供電系統和牽引供電系統共同完成。其中一次供電系統是指電力系統向電氣化鐵道的供電部分。在我國，電力系統通常以110 kV或者220kV的電壓等級向電氣化鐵道供電，主要包括地方變電站或發電廠和交流高壓輸電線，這兩部分即為電氣化鐵道的一次供電系統。而牽引供電系統是指完成對電力機車供電的屬于鐵路部門管轄的部分，它由牽引變電所、饋電線、接觸網、鋼軌和鋼軌回流線等組成。

1、供電方式及設備種類多樣化，有直接供電方式、帶回流線的直接供電方式、串聯吸流變壓器供電方式、自耦變壓器供電方式，這些供電方式的技術和經濟特性有較大的差異。牽引變壓器有單相、阻抗匹配平衡接線、十字交叉接線等形式，它們具有不同的結構和性能特點。由于供電方式不同，接觸網結構類型也較多。

2、牽引供電系統和電力機車在電氣上是一個連續的整體，易于實現自動化和信息化管理。牽引供電系統中存在的主要技術問題，包括牽引變壓器供電能力的提高及增容、牽引網電壓的調節、電力系統要求對諧波、負序、無功的治理等。為解決這些技術問題，在設計和運行中需要對牽引供電系統進行深入研究，例如對各種供電方式的結構、參數、性能的分析計算和優化對變壓器過負荷能力及對負荷平衡能力的研究對諧波、負序、無功、電壓損失、防干擾能力等進行系統地分析和綜合治理研究等等。可見，對電氣化鐵道供電系統的基本要求可以概括如下：保證向電氣化鐵路安全、可靠、不間斷地供電;提高供電質量，保證必需的電壓水平;提高功率因數，減少電能損失，降低工程投資和運營費用;盡量減少單相牽引負荷在電力系統中引起的負序電流、負序電壓和高次諧波的影響;盡量減小對鄰近的通信線路的干擾影響，我國電氣化鐵道己運營了幾十年，在實踐中積累了大量的經驗，但與鐵路電氣化發達國家相比，在技術及裝備上仍有較大的差距。特別是在面臨高速和重載的要求下，電氣化鐵道供電系統中更有許多技術難題需要解決。

二、牽引供電系統設計主要內容

牽引供電系統設計一般包括預可行性研究階段、可行性研究階段、初步設計階段和施工圖階段。預可行性研究是牽引供電系統項目立項的依據，按鐵路建設的長遠規劃，經現場勘察后編制可行性研究文件是牽引供電系統項目決策的依據，根據批準的項目建議書，采用初測資料編制，可行性研究的工程數量和投資估算要有較高精度初步設計是牽引供電系統項目建設的主要依據，根據可行性研究鑒定意見，修改、補充供電方案，補充各項計算，初步設計文件經審查、修改、批準后，作為控制建設總規模和總概算的依據，滿足工程招標、設備采購、征用土地和進行施工準備的需要施工圖階段則需要解決兩個問題，一是根據初步設計審批意見校核供電方案，進行各項技術指標計算，二是配合建設、運營單位與電力部門協調、落實外部電源供電方案。在設計過程中，方案比選環節是最為關鍵的部分，一般牽引供電方案包括牽引網供電方式、牽引變電所、開閉所、分區所分布方案、牽引變壓器接線方式及容量計算、接觸導線和供電線選擇、牽引網電壓水平及補償措施、牽引能耗及電能損失計算、接觸網的供電及運行方式、無功補償和濾波裝置設計等。為了得到推薦方案，需要根據相關專業提供的詳細資料，進行電氣計算，并將計算結果和其他資料進行綜合技術經濟性比較，征求運營單位主要是上級單位的意見，進行最后的落實工作。

三、慨況

牽引供電系統設計方案：全線采用帶回流線的直接供電方式。在三個牽引變電所，并利用三個分區所工程設計如圖所示。

1、一階段：貨運專線開通后的繼電保護措施

在電氣化工程開通后，供電設備運行狀況基本良好。由于運輸組織部門在貨運方面不斷加大運量，貨運速度也有明顯提高，不斷提高貨車牽引質量;這些提高線路運輸能力的行車組織方式的變化，導致線路牽引負荷有較大增加，已經嚴重超越了單位批復意見中的設計條件，造成牽引供電系統繼電保護經常跳閘，給正常行車帶來一定影響。目前保護整定值經過多次調整已經接近設備極限能力，但是現場不斷增長的牽引負荷導致保護告警的現象仍然時有發生。目前實際的條件與單位批復意見發生了變化。

將牽引變壓器過負荷倍數調整為2 倍，供電專業按此值調整了牽引變壓器過負荷保護定值：過負荷段電流定值：I1FH = Kk ×IeH = 2× 165.33= 330.66 A過負荷Ⅰ段時間：T1FH = 60 s過負荷Ⅱ段電流定值：I2FH = Kk×IeH = 2× 165.33= 330.66 A過負荷Ⅱ段時間：T2FH = 90s，需要注意的是主變鐵心采用的是低損耗冷軋取向硅鋼片，繞組采用的是同一廠家的紙包無氧銅導線繞制。為避免匝間擊穿，過負荷倍數調整到2 倍后建議不要再調高。

2、二階段：建議對牽引供電系統進行改造措施

目前實際的運行條件已經嚴重超過了單位批復意見，建議在適當時機對牽引供電系統進行改造設計，并采取以下改造方案。

（1）牽引變壓器進行增容改造。為避免長期過負荷導致絕緣水平下降以及主變匝間擊穿等嚴重問題，建議對牽引變壓器進行增容改造，更換更大容量的變壓器。

（2）牽引變壓器二次側出線導線、上網供電線、接觸網導線擴能改造，在整個牽引供電系統長期嚴重過負荷時，牽引變壓器二次側出線導線、上網供電線、接觸網導線發熱會超過設計水平，為此，建議對以上設備加大導線線徑并精心校核其可靠性。

（3）增設接觸網加強線。可考慮在供電臂內增設接觸網加強線，牽引變電所內電流互感器需要更換設備增容牽引變電所110 kV進線、主變出線、27.5 kV 饋線電流互感器需要更換大電流互以適應;一次側電流根據實際情況校核后選取。為了更有效利用變壓器過負荷能力，牽引變電所內增設主變熱過負荷保護，熱積累效應同時考慮電流基波和諧波分量的作用，具有變壓器繞組超溫告警功能，當繞組達到一定溫度時發出告警信號，具備跳閘預告警功能，提前一段時間提示保護即將出口跳閘一般整定成只告警不跳閘，保護返回考慮散熱過程，根據繞組溫度的情況確定。

（4）主變增設牽引變壓器油色譜在線監測系統。為了提前發現變壓器因長時間過負荷運行等原因造成油質劣化帶來的故障隱患，避免使之擴大為事故影響供電系統安全運行，主變增設牽引變壓器油色譜在線監測系統。該裝置為成熟產品，在電氣化鐵道應用較多，定期投切主備牽引變壓器，使之均衡使用如可以規定主備牽引變壓器每3個月投切一次。

（5）安排相應的檢測檢修和試驗，及時處理設備缺陷比如縮短對牽引變壓器的色譜跟蹤和鐵心絕緣搖測周期，可以規定牽引變壓器色譜跟蹤和鐵心絕緣搖測周期，對變電所綜自系統及SCADA 遠動系統進行相應的接口及軟件擴容改造這是必須的優化措施，以適應供電系統改造需要。

（6）在所有供變電設備及接觸網改造完成后需對繼電保護整定值重新進行調整，根據新的供電系統參數如新的主變短路阻抗、主變容量、饋線最大負荷電流等，對主變、饋線等保護的相關整定值重新進行校核調整，此處不再贅述。

四、采取的技術措施

1、牽引主變壓器過負荷能力設定

V /V 結線的牽引主變壓器典型負荷曲線如。按環境溫度 30℃，繞組熱點溫度不超過 140℃，頂層油溫不超過 105℃。過負荷能力要求 24h 內出現200% 的負荷不超過 3 個，出現的時間間隔為 4h，其他時間按 100% 的負荷運行。考慮到牽引變壓器的負荷率較低，一般為 0.6，設定變壓器后備保護過負荷倍數為 2.5，過負荷延時 90s。結合某高速鐵路牽引供電系統的具體情況，按照牽引負荷逐步增大的順序分三個階段研究了牽引供電及其他系統在長期嚴重過負荷狀態下的策略：即研究了整個牽引供電系統的各個環節提升改造的方法以及行車組織等方面的應對策略，對目前電氣化鐵道長期過負荷這一普遍問題進行了分析。

2、饋線保護整定值修改

按實際運行的母線最低電壓及最大負荷電流進行整定

3、采取措施后的效果

牽引變電所保護整定值調整后，主變壓器過負荷現象得到明顯的改善，過負荷跳閘大幅度減小，線路運量較為合理，基本滿足鐵路運輸要求，牽引變壓器未發生異常現象，各項試驗數據均正常。

參考文獻：

[1]譚秀炳，劉向陽.電氣化鐵道供電系統[M]. 北京：中國鐵道出版社，2015.

[2]王術合.淺談變電所綜合自動化系統監測方案論證[J]. 鐵道工程學報，2016（4）.

[3]楊曉杰，鄧飛雯. 電所綜合自動化系統監測方案論證[J].巖石力學與工程學報，2016（4）.

[4]賀威俊，簡克良.淺談交流電氣化鐵道牽引供電系統[M]. 成都：西南交通大學出版社，2015.

（作者單位：神華包神鐵路公司）