既有電氣化鐵路長距離供電改造方案研究*

周志成，劉童童，劉雪晴

（1 神華包神鐵路集團，內(nèi)蒙古包頭 014014；2 西南交通大學 電氣工程學院，成都 611756）

隨著鐵路運輸速度越來越快、運輸需求功率越來越高，我國現(xiàn)行單相工頻電氣化鐵路牽引供電技術在實現(xiàn)列車高速與重載電力牽引時，存在以下幾個突出問題［1-3］：

（1）過分相時存在必不可少的機電轉(zhuǎn)化過程，會造成列車牽引力減小和速度下降。

（2）自動過分相裝置動作頻繁、壽命短、可靠性低。

（3）在高速、重載鐵路中因牽引功率的增大會使得負序問題更加嚴重。

（4）重載鐵路線路發(fā)車間隔較大，制動能量不能被相鄰機車及時利用，造成制動能量利用率較低。

為解決上述問題，最好的方法就是減少電分相數(shù)目，延長供電臂距離。李群湛教授提出的同相供電技術［4］，眉山牽引變電所、山西中南部通道沙浴牽引變電所以及溫州市域鐵路S1 線成功應用，效果顯著，不僅可取消牽引變電所出口處電分相，且能使系統(tǒng)功率因數(shù)達0.95 以上，提高系統(tǒng)供電能力，其中組合式同相供電方案更加經(jīng)濟靈活。實現(xiàn)長距離供電可以采用無功補償、減小牽引網(wǎng)阻抗等方法，具體技術包括并聯(lián)加強導線、裝設無功補償裝置、AT 供電等。

文中采用無功補償和同相供電技術相結合的方法實現(xiàn)既有線路長距離供電改造。相較于固定電容補償，動態(tài)無功補償能夠跟蹤牽引負荷的變化，在重負荷情況下容量利用率較高［5-7］，是未來的發(fā)展趨勢。動態(tài)無功補償裝置包括靜止無功補償器SVC、靜止無功發(fā)生器SVG 等，組合式同相供電與傳統(tǒng)的同相供電方式相比優(yōu)勢明顯［8-9］：牽引變壓器與同相補償裝置在結構上相互獨立，互不影響，容量配置上也不相互制約，并且當補償裝置退出時不影響系統(tǒng)中的正常供電，既滿足國標限值又能保證同相補償裝置容量最小，可減少系統(tǒng)投資，經(jīng)濟性良好。

文中所提的既有電氣化鐵路長距離供電改造方案，在牽引變電所內(nèi)設置SVG 和組合式同相供電裝置，將牽引變壓器設置或改造為單相變壓器，并實現(xiàn)貫通式供電。電氣化鐵路長距離供電改造后，可以提高線路的供電能力，提高再生制動能量利用率，提高變壓器負載率，并解決過分相帶來的各種問題。

1 既有線改造方案

隨著動態(tài)無功補償技術和同相供電技術的發(fā)展和成熟，提出一種既有電氣化鐵路長距離供電改造方案：在牽引變電所內(nèi)設置SVG，延長供電距離，減少牽引變電所數(shù)量；將牽引變壓器設置或者改造為單相變壓器TT，與同相補償裝置CPD 共同構成組合式同相供電方案，如圖1 所示；取消牽引變電所出口處的電分相，在分區(qū)所設置開關，且開關閉合，實現(xiàn)全線的貫通。

圖1 單相組合式同相供電方案示意圖

以國內(nèi)某重載鐵路為例，介紹具體的實施方案。全線原有4 個牽引變電所，牽引變電所內(nèi)設置Vv 接線變壓器，牽引變電所接至不同的外部電源。改造后牽引供電系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 長距離供電改造方案系統(tǒng)結構圖

具體改造內(nèi)容包括：全線牽引所內(nèi)均設置SVG 進行無功補償，延長供電臂距離，中間2 個牽引變電所Ts2、Ts3 進行全線的供電，其余牽引變電所退出運行，可作為備用（備用牽引所的SVG 是否投入運行由線路負荷情況決定）；取牽引變電所內(nèi)Vv 接線變壓器中容量較大的繞組作為單相變壓器，并進一步改造為單相組合式同相供電裝置，取消全線電分相，在分區(qū)所sp1、sp2、sp3 裝設開關，正常工況下開關閉合，實現(xiàn)全線貫通式供電；對牽引變電所的外部電源接線進行改造，使2 個牽引變電所接至同1 個外部電源S1 或S2，避免出現(xiàn)均衡電流。

在系統(tǒng)運行過程中，可能會出現(xiàn)牽引變電所解列情況，以Ts2 解列為例，此時僅保留Ts3 進行全線供電，Ts1、Ts2、Ts3、Ts4 的SVG 均投入運行，解列后的牽引供電系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 Ts2 解列后的牽引供電系統(tǒng)圖

經(jīng)仿真分析，對于重載線路，可能在供電臂末端出現(xiàn)網(wǎng)壓越限問題，此時應減負荷運行，且應優(yōu)先切除Ts3 左供電臂上的負荷，以保證電力機車正常運行。

2 牽引供電系統(tǒng)建模及潮流計算

電氣化鐵道交流牽引供電系統(tǒng)的研究已日趨成熟，牽引供電系統(tǒng)元件的建模與算法改進等在大量文獻中均有詳細介紹［10-12］，文中針對上述所提長距離供電改造方案，主要探討當牽引變電所處設置SVG 和組合式同相供電裝置后，次邊端口電壓降的計算模型。

考慮SVG 的實際容量和所需無功補償?shù)娜萘浚?jīng)計算可得補償后的負荷電流。根據(jù)該負荷電流的大小，考慮經(jīng)濟性原則，選擇合適的補償策略，由此可知單相組合式同相供電裝置可提供的補償電流，繼而可知單相組合式同相供電裝置中牽引變壓器和同相補償裝置的端口電流。

次邊端口的電壓降落應包括2 部分：一部分為原邊三相電力系統(tǒng)側(cè)輸電線路的電壓損耗，負荷電流均會在原邊產(chǎn)生電壓損耗；另一部分為單相牽引變壓器漏抗的電壓損耗，此處只有流經(jīng)單相牽引變壓器支路的電流產(chǎn)生電壓損耗。

2.1 一次供電系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓降落

當不考慮諧波電流時，牽引負荷電流iL（t）為式（1）：

式中：IL為負荷電流的有效值；?為負荷電流的相位；ω=2πf，f為頻率，Hz。

將該電流進行分解，可得基波有功電流ILp和基波無功電流ILq，式（1）可表示為式（2）：

SVG 可以根據(jù)負載的特點，動態(tài)調(diào)節(jié)輸出無功功率的大小，無論牽引負荷從外部電源獲取能量的方式如何，SVG 輸出的無功補償電流ip（t）為式（3）［13］：

式中：I′Lp為考慮SVG 補償裝置容量后的SVG 輸出無功電流有效值，I′Lp=mILq（m<1）。

則經(jīng)過補償后的負荷電流i′L(t) 為式（4）、式（5）：

式 中：i′Lp(t)、i′Lq(t)為 經(jīng) 過SVG 補 償 后 的 有 功 電 流和無功電流。同理，設負序補償度為KN，無功補償度為，如圖1 所示，次邊α 端口的電壓為Uα，β端口的電壓為Uβ，且兩端口電壓之間滿足的關系為Uβ=nUα（n<1），當考慮負序和無功補償度時，同相補償裝置端口的補償電流為式（6）［15］：

設α 端口的接線角為ψ，由以上各式，可得式（8）：

在文中所提的既有線改造方案中，采用單相組合式同相供電系統(tǒng)，單相牽引變壓器與高壓匹配變壓器構成了類Scott 接線變壓器，根據(jù)原次邊電壓電流變換關系，可得式（9）：

式 中：IABC為 原 邊 三 相 電 流 矩 陣 的 向 量；Iαβ為 類Scott 接線變壓器端口輸出電流的向量；M′為類Scott 接線變壓器的電流變換矩陣。

一次供電系統(tǒng)的三相阻抗矩陣記為ZS，則原邊三相電壓UABC可表示為式（10）：

牽引變壓器選用單相變壓器，取線電壓UBC=UB-UC，并將該電壓折算至變壓器的二次側(cè)，可得在采用單相組合式同相供電系統(tǒng)結構時，一次供電系統(tǒng)在牽引變壓器二次側(cè)產(chǎn)生的電壓降Ubc可表示為式（11）：

式中：k為單相變壓器的變比。

2.2 牽引變壓器支路產(chǎn)生的電壓降落

由以上分析可知，加入同相補償裝置后，饋線電壓U′為式（15）：

式中：UN為饋線額定電壓，kV。

3 改造方案分析

以上述既有重載鐵路為例，進行算例分析。全線長約130 km，設有車站5 座，采用直供帶回流供電方式。改造前，全線共有4 個牽引變電所，各個牽引變電所的具體參數(shù)見表1。

表1 傳統(tǒng)供電方案牽引變電所設置

改造后，全線有2 個牽引變電所參與供電，且設置組合式同相供電裝置和SVG，具體參數(shù)見表2。

表2 長距離供電改造方案牽引變電所設置

該線路為運煤線路，上行滿載去，下行空載回，車輛為交流電力機車，功率因數(shù)設置為0.98，發(fā)車間隔為1 h，運行圖如圖4 所示。

圖4 發(fā)車間隔1 h 運行圖

在以上條件設置下，進行負荷過程仿真，仿真結果見表3。

表3 仿真結果統(tǒng)計

通過仿真結果，可得經(jīng)過長距離供電改造后，在滿足線路供電能力的基礎上，所需牽引變電所的數(shù)量減少，牽引變壓器的容量能夠得到更合理的利用，再生制動能量利用率也有明顯的提高，貫通式供電還解決了列車過分相時的各種問題。同時在該方案中，組合式同相供電裝置的投資費用為600 萬元/臺，SVG 的投資費用約為300 萬元/臺，改造后兩所總的投資費用為1800 萬元，參考某牽引變電所的電費為0.75 元/kW?h，則每年制動能量利用可以節(jié)省的電費為267.8 萬元，經(jīng)計算，該改造方案的回收年為6.7 a，小于鐵路行業(yè)基準投資回收期16.7 a，經(jīng)濟性良好。

4 結 論

文中提出一種既有電氣化鐵路長距離供電改造方案，在牽引變電所內(nèi)設置SVG 和組合式同相供電裝置，將牽引變壓器設置或者改造為單相變壓器，取消牽引變電所出口處的電分相，實現(xiàn)全線的貫通式供電。

文中對牽引變電所設置SVG 和組合式同相供電裝置后母線電壓的求解進行了探討，并在牽引供電系統(tǒng)建模和連續(xù)性潮流計算的基礎上，結合工程實際進行負荷過程仿真。通過對既有電氣化鐵路改造前后的各項指標比較，可得長距離供電改造后，平均功率因數(shù)和負載率都得到提高，制動能量利用率大幅度增加，同時線路能耗減小。