高速度鐵路牽引供電系統(tǒng)適應(yīng)性關(guān)鍵技術(shù)研究

智 慧 林宗良 李 劍 袁 勇 宋夢(mèng)容

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

1 研究背景

隨著京滬、成渝、魯南等速度350 km/h高速鐵路項(xiàng)目的開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，我國(guó)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)成套的設(shè)計(jì)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)更加成熟。目前，我國(guó)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)采用2×27.5 kV單邊全并聯(lián)AT供電模式，其特征為牽引變電所內(nèi)不設(shè)置AT，由牽引變壓器二次繞組中間抽頭與鋼軌直接相接，常規(guī)供電模式如圖1所示。

圖1 常規(guī)供電模式示意圖

常規(guī)供電模式滿(mǎn)足350 km/h高速動(dòng)車(chē)組連續(xù)追蹤運(yùn)行的供電能力需求[1-2]，但隨著行車(chē)速度和密度的進(jìn)一步提高，由列車(chē)的牽引阻力公式可知，400 km/h高速動(dòng)車(chē)組的功率將增大20%～30%[3-4]。當(dāng)同型大功率列車(chē)連續(xù)追蹤運(yùn)行時(shí)，牽引網(wǎng)供電臂首端載流能力將出現(xiàn)不足，故本文主要研究滿(mǎn)足速度400 km/h及以上高速鐵路牽引負(fù)荷需求的供電能力的提升優(yōu)化措施，為列車(chē)保持更高速度運(yùn)行提供技術(shù)保障。

2 供電能力提升措施

為滿(mǎn)足牽引網(wǎng)供電臂首端載流能力的需求，主要研究均衡牽引網(wǎng)內(nèi)上下行供電臂、相鄰牽引變電所間供電臂之間電流分布的兩種供電方式[5-6]。

2.1 供電臂中增加AT的供電模式

供電臂中增加AT的單邊全并聯(lián)AT供電模式如圖2所示。其特征為供電臂內(nèi)增設(shè)AT所，將原先 1個(gè)AT段三等分，在1/3處和2/3處分別增設(shè)1個(gè)AT所，縮短AT段間距，縮短列車(chē)在首端AT 段中的運(yùn)行時(shí)間。全并聯(lián)供電還可在上行供電臂間均衡電流，有效地提高供電系統(tǒng)的供電能力，

圖2 供電臂中增加AT 的AT供電模式示意圖

當(dāng)機(jī)車(chē)運(yùn)行在任意AT段時(shí)，牽引網(wǎng)的電流分布如圖3所示。

圖3 供電臂中增加AT的單邊全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)電流分布圖

假設(shè)AT為理想變壓器，且上下行在每個(gè)AT所進(jìn)行了并聯(lián)。根據(jù)回路方程，當(dāng)認(rèn)為接觸網(wǎng)與正饋線(xiàn)自阻抗近似相等時(shí)，簡(jiǎn)化的列車(chē)在AT段中的電流量值為：

(1)

根據(jù)以上分析，當(dāng)線(xiàn)路上僅有一列動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)，仿真得到牽引變電所出口處各導(dǎo)線(xiàn)的電流分配比例系數(shù)曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 供電臂中增加AT的單邊全并聯(lián)AT供電牽引變電所出口處各導(dǎo)線(xiàn)電流分配比例系數(shù)曲線(xiàn)圖(單機(jī)運(yùn)行)

當(dāng)線(xiàn)路上同時(shí)存在兩列新型動(dòng)車(chē)組追蹤運(yùn)行時(shí)(考慮運(yùn)行速度為400 km/h，追蹤運(yùn)行間隔為4 min)，繪制出牽引變電所出口處各導(dǎo)線(xiàn)的電流分配比例系數(shù)曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 供電臂中增加AT的單邊全并聯(lián)AT供電牽引變電所出口處各導(dǎo)線(xiàn)電流分配比例系數(shù)曲線(xiàn)圖(追蹤運(yùn)行)

2.2 雙邊AT供電模式

雙邊全并聯(lián)AT供電模式如圖6所示。其特征在于通過(guò)牽引變壓器二次繞組中間抽頭，將牽引變壓器出口的55 kV電壓輸送至2×27.5 kV 的T和F繞組，并在相鄰兩供電臂的分區(qū)所處實(shí)施雙邊供電。

圖6 雙邊AT供電模式示意圖

采用雙邊AT供電模式，機(jī)車(chē)在供電臂內(nèi)的每個(gè)AT段中均具有相同的電流分布規(guī)律，因此，對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行在任意AT段時(shí)牽引網(wǎng)的電流分布進(jìn)行分析即可，牽引網(wǎng)的電流分布如圖7所示。

圖7 雙邊全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)電流分布圖

假設(shè)AT為理想變壓器，且上下行在每個(gè)AT所進(jìn)行了并聯(lián)，則負(fù)荷點(diǎn)之前各AT段的上下行T線(xiàn)和F線(xiàn)電流大小相等，方向相反，且滿(mǎn)足左右兩側(cè)T線(xiàn)電流之和與F線(xiàn)電流之和的差等于機(jī)車(chē)電流。根據(jù)回路方程，當(dāng)認(rèn)為接觸網(wǎng)與正饋線(xiàn)自阻抗近似相等時(shí)，簡(jiǎn)化的列車(chē)在AT段中的電流量值為：

(2)

根據(jù)以上分析，當(dāng)線(xiàn)路上僅有一列動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)，仿真得到牽引變電所出口處各導(dǎo)線(xiàn)的電流分配比例系數(shù)曲線(xiàn)，如圖8、圖9所示。

圖8 雙邊全并聯(lián)AT供電牽引變電所A側(cè)各導(dǎo)線(xiàn)電流分配比例系數(shù)曲線(xiàn)圖(單機(jī)運(yùn)行)

圖9 雙邊全并聯(lián)AT供電牽引變電所B側(cè)各導(dǎo)線(xiàn)電流分配比例系數(shù)曲線(xiàn)圖(單機(jī)運(yùn)行)

當(dāng)線(xiàn)路上同時(shí)存在兩列新型動(dòng)車(chē)組追蹤運(yùn)行時(shí)，牽引變電所A、B兩側(cè)出口處各導(dǎo)線(xiàn)的電流分配比例系數(shù)曲線(xiàn)如圖10、圖11所示。

圖10 雙邊全并聯(lián)AT供電牽引變電所A側(cè)各導(dǎo)線(xiàn)電流分配比例系數(shù)曲線(xiàn)圖(追蹤運(yùn)行)

圖11 雙邊全并聯(lián)AT供電牽引變電所B側(cè)各導(dǎo)線(xiàn)電流分配比例系數(shù)曲線(xiàn)圖(追蹤運(yùn)行)

2.3 仿真分析

基于牽引網(wǎng)潮流計(jì)算原理，構(gòu)建高速鐵路牽引供電系統(tǒng)計(jì)算模型[7-8]，針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建模分析其供電能力需求(主要是牽引網(wǎng)電流分布)，并采用專(zhuān)業(yè)技術(shù)軟件仿真驗(yàn)證其牽引供電系統(tǒng)能力。

以成渝中線(xiàn)擬建的某牽引變電所右臂為例進(jìn)行仿真(新型動(dòng)車(chē)組以400 km/h速度追蹤運(yùn)行，雙邊供電時(shí)與相鄰牽引變電所左臂貫通)，在上坡方向，常規(guī)AT供電模式、供電臂中增加AT的AT供電模式以及雙邊AT供電模式下，牽引變電所供電臂電流的對(duì)比如圖12、圖13所示，不同供電模式下?tīng)恳冸娝╇姳垭娏鞯慕Y(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖12 不同供電模式下?tīng)恳冸娝╇姳垭娏鱐線(xiàn)電流對(duì)比圖

圖13 不同供電模式下?tīng)恳冸娝╇姳垭娏?F線(xiàn)電流對(duì)比圖

從圖11、圖12及表1可以看出，采用常規(guī)AT供電模式時(shí)，牽引變電所供電臂首端的接觸網(wǎng)載流能力(20 min有效電流)在400 km/h運(yùn)行時(shí)的最大需求為911 A，而現(xiàn)行設(shè)計(jì)中牽引網(wǎng)采用JTMH120+CTMH150導(dǎo)線(xiàn)組合的持續(xù)載流量為899 A，故需采取加強(qiáng)措施。采用供電臂中增加AT 的AT供電模式可將需求降低至862 A，采用雙邊AT供電模式可將需求降低至755 A，都有明顯的改善效果，均可提高牽引供電能力，延長(zhǎng)供電臂長(zhǎng)度，滿(mǎn)足更高行車(chē)速度的需求。

表1 不同供電模式牽引變電所供電臂電流統(tǒng)計(jì)表(A)

3 牽引供電系統(tǒng)方案

為進(jìn)一步提高供電能力，實(shí)現(xiàn)電能潮流合理調(diào)配、再生制動(dòng)能量利用和能耗綜合管理，解決速度 400 km/h高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的技術(shù)難題，以成渝中線(xiàn)高速鐵路為依托，擬定優(yōu)化的牽引供電系統(tǒng)方案。

(1)柔性連續(xù)牽引供電系統(tǒng)方案

牽引變電所采用單相變壓器，供電臂首端電分相處開(kāi)關(guān)可調(diào)整為常閉狀態(tài)，供電線(xiàn)分束上網(wǎng)，供電臂末端分區(qū)所處設(shè)置功率融通裝置，實(shí)現(xiàn)兩相鄰供電臂間的功率平衡。柔性連續(xù)牽引供電系統(tǒng)方案布置如圖14所示。

圖14 柔性連續(xù)牽引供電系統(tǒng)方案示意圖

該方案牽引變電所變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)左右供電臂同相供電。供電臂首端電分相處開(kāi)關(guān)僅在越區(qū)供電時(shí)打開(kāi)，配合供電線(xiàn)分束上網(wǎng)方向，實(shí)現(xiàn)不同供電方式的轉(zhuǎn)換，縮小故障范圍。但需利用廣域保護(hù)判斷故障方向，還需結(jié)合電網(wǎng)潮流分布校核負(fù)序等電能質(zhì)量問(wèn)題。若負(fù)序超標(biāo)，可在牽引變電所內(nèi)設(shè)置補(bǔ)償裝置。

只要兩個(gè)牽引變電所的最大需量(即峰值功率)不在同一時(shí)刻出現(xiàn)，就可通過(guò)兩個(gè)牽引變電所之間的能量調(diào)度，實(shí)現(xiàn)功率削峰填谷，即功率融通。

(2)單相變壓器雙供系統(tǒng)方案

牽引變電所采用單相變壓器，取消供電臂首端電分相，牽引變電所從供電范圍的供電臂中部上網(wǎng)向兩邊供電，并合理控制AT 段長(zhǎng)度，使連續(xù)的兩個(gè)AT 段同時(shí)僅有1列車(chē)運(yùn)行，供電臂末端仍設(shè)置分區(qū)所。單相變壓器雙供系統(tǒng)方案布置如圖15所示。

圖15 單相變壓器雙供系統(tǒng)方案示意圖

此方案牽引變電所變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)左右供電臂同相供電。取消了供電臂首端電分相，可保障列車(chē)高速運(yùn)行的需求。利用廣域保護(hù)判斷故障方向，且為保證連續(xù)的兩個(gè)AT 段同時(shí)僅有1列車(chē)運(yùn)行，相鄰兩個(gè)AT 段的長(zhǎng)度不能超過(guò)1個(gè)追蹤間隔，即牽引變電所的供電范圍不能超過(guò)2個(gè)追蹤間隔，可有效減小牽引網(wǎng)的載流量需求。如當(dāng)動(dòng)車(chē)組以400 km/h的速度4 min追蹤運(yùn)行時(shí)，1個(gè)追蹤間隔約為26 km，若采用常規(guī)供電方式，牽引變電所的供電范圍需控制在60 km以?xún)?nèi)；若采用雙向供電系統(tǒng)，牽引變電所的供電范圍需控制在52 km以?xún)?nèi)。同時(shí)供電范圍內(nèi)列車(chē)數(shù)少，可有效降低負(fù)序等電能質(zhì)量問(wèn)題。以成渝中線(xiàn)為例，若采用此供電方案，結(jié)合線(xiàn)路方案，全線(xiàn)不需增設(shè)牽引變電所，且電分相數(shù)量可減少一半，還可取消接觸網(wǎng)首端的加強(qiáng)線(xiàn)，方案適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

為滿(mǎn)足牽引網(wǎng)供電臂首端載流能力的需求，本文主要研究了均衡牽引網(wǎng)內(nèi)上下行供電臂、相鄰牽引變電所間供電臂之間的電流分布的供電方式，提出了在供電臂中增設(shè)AT和雙邊AT的供電模式，并建模仿真其供電能力提升效果；提出了適應(yīng)400 km/h及以上高速鐵路的柔性連續(xù)牽引供電系統(tǒng)方案，通過(guò)在供電臂末端分區(qū)所處設(shè)置功率融通裝置，實(shí)現(xiàn)兩相鄰供電臂間的功率平衡與能量調(diào)度；提出了牽引變電所采用單相變壓器、取消供電臂首端電分相的雙向供電方案，并分析了其在成渝中線(xiàn)高速鐵路工程上的適用性和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。