匈牙利鐵路項(xiàng)目對(duì)國內(nèi)鐵路樞紐牽引供電設(shè)計(jì)的啟示

尚國旭，王會(huì)杰，楊振龍，董志杰

0 引言

2015年11月24日，中國政府與匈牙利政府在中東歐“16+1”會(huì)議上簽署了《關(guān)于匈塞鐵路項(xiàng)目匈牙利段開發(fā)、建設(shè)和融資合作的協(xié)議》，標(biāo)志著匈塞鐵路匈牙利段正式啟動(dòng)建設(shè)。作為中國-中東歐合作的標(biāo)志性項(xiàng)目，匈塞鐵路匈牙利段的推進(jìn)將對(duì)中東歐相關(guān)國家基建發(fā)展發(fā)揮帶動(dòng)效應(yīng)。

匈牙利鐵路電力牽引的歷史可以追溯到1932年的布達(dá)佩斯—科馬羅姆鐵路。在過去的90年中，匈牙利鐵路電氣化一直在進(jìn)行中，技術(shù)得到不斷發(fā)展。目前，匈牙利全國電氣化鐵路已超過2 500 km，約占其鐵路總長(zhǎng)的33%[1]。

匈塞鐵路匈牙利段全面執(zhí)行歐盟鐵路互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范，全面執(zhí)行匈牙利國家、行業(yè)、企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與國內(nèi)類似項(xiàng)目相比存在較大差異。本文結(jié)合匈塞鐵路匈牙利段設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)匈牙利鐵路牽引供電系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)，探討國內(nèi)樞紐牽引供電優(yōu)化方案，為牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

匈塞鐵路匈牙利段全長(zhǎng)約166 km，起自布達(dá)佩斯肖洛克莎爾站，終至匈塞兩國邊境，與塞爾維亞諾蘇鐵路相接，現(xiàn)狀為單線電氣化鐵路。該線路增建二線后設(shè)計(jì)速度為160 km/h（線下預(yù)留200 km/h條件），最小曲線半徑2 600 m，最大坡度5‰，電力機(jī)車/動(dòng)車組牽引，軸重22.5 t，采用自動(dòng)閉塞方式。

2 牽引供電系統(tǒng)概況

2.1 牽引供電系統(tǒng)構(gòu)成

匈牙利電氣化鐵路采用單相、交流、工頻（50 Hz）牽引供電系統(tǒng)，可直接取電自公用電網(wǎng)，無需專門的發(fā)電或變頻設(shè)備，因此牽引供電系統(tǒng)的構(gòu)成與國內(nèi)基本一致，區(qū)別在于除電力機(jī)車外，還需滿足部分軌旁固定設(shè)備（道岔融雪、車輛預(yù)冷預(yù)熱裝置等）的用電需求，如圖1所示。

圖1 匈牙利鐵路牽引供電系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2.2 外部電源的供電方式

外部電源的供電方式是指電力系統(tǒng)與牽引變電所的連接方式，其取決于牽引負(fù)荷的用電等級(jí)和電力系統(tǒng)的分布情況[2]。匈牙利常用的輸電電壓等級(jí)有400、220、120 kV等，其中400 kV和220 kV輸電網(wǎng)作為核心網(wǎng)絡(luò)主要用于國際間傳輸，電氣化鐵路一般采用120 kV作為外部電源輸入電壓等級(jí)。

匈塞鐵路匈牙利段外部電源供電方式如圖2所示，其中Dunavarsány為新建牽引變電所，由同一變電站的不同母線接引兩路獨(dú)立電源供電，Szabadszállás和Kishkunhalas為既有牽引變電所，分別由不同變電站接引兩路電源供電。

圖2 匈塞鐵路匈牙利段外部電源供電方式

2.3 牽引網(wǎng)的供電方式

牽引網(wǎng)的供電方式由牽引網(wǎng)完成特殊輸電功能的技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)性能決定，按設(shè)備類型不同，分為1×25 kV和2×25 kV兩種供電方式。匈牙利鐵路1×25 kV供電方式如圖3所示，其中電源線一般僅在單線電氣化鐵路中設(shè)置，主要為車站固定用電設(shè)備提供第2路電源，以提高供電可靠性。

圖3 匈牙利鐵路1×25 kV供電方式

匈牙利鐵路2×25 kV供電方式如圖4所示，按實(shí)現(xiàn)方式不同，2×25 kV系統(tǒng)又分為采用120/50 kV牽引變壓器和120/25 kV牽引變壓器兩種類型。在相同的傳輸功率下，2倍的供電電壓會(huì)導(dǎo)致1/4的系統(tǒng)損耗，因此2×25 kV供電方式允許相鄰牽引變電所的間距更大。

圖4 匈牙利鐵路2×25 kV供電方式

匈塞鐵路匈牙利段現(xiàn)狀為單線電氣化鐵路，沿線牽引供電設(shè)施分布具有唯一性，因此改造后維持1×25 kV牽引網(wǎng)供電方式，通過增設(shè)加強(qiáng)線滿足運(yùn)量增加后的用電需求。

3 牽引供電系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

3.1 牽引變壓器運(yùn)行方式

區(qū)別于國內(nèi)牽引變壓器一主一備的運(yùn)行方式，匈牙利鐵路牽引變電所內(nèi)的2臺(tái)牽引變壓器在正常運(yùn)行時(shí)分別為左右側(cè)供電臂供電，如圖5（a）所示；緊急情況下1臺(tái)牽引變壓器可以接管全所范圍內(nèi)用電負(fù)荷，如圖5（b）所示。

圖5 牽引變壓器運(yùn)行方式

3.2 饋線斷路器配置原則

區(qū)別于國內(nèi)每條饋線單獨(dú)配置1臺(tái)斷路器，匈牙利鐵路牽引變電所內(nèi)饋線斷路器采用“1帶2”的運(yùn)行方式。單線鐵路的電源線和接觸網(wǎng)在所內(nèi)共用1臺(tái)斷路器，如圖6（a）所示；雙線鐵路的上、下行接觸網(wǎng)在所內(nèi)共用1臺(tái)斷路器，如圖6（b）所示。

圖6 匈牙利鐵路牽引變電所27.5 kV側(cè)接線示意圖

3.3 雙線接觸網(wǎng)并聯(lián)方式

區(qū)別于國內(nèi)在分區(qū)所、AT所實(shí)現(xiàn)上、下行接觸網(wǎng)的并聯(lián)，匈牙利電氣化鐵路在相鄰牽引變電所間一般不設(shè)分區(qū)所，通過在每個(gè)車站設(shè)置開關(guān)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)上、下行接觸網(wǎng)的并聯(lián)及對(duì)站場(chǎng)的分束供電，如圖7所示。

圖7 匈牙利鐵路車站開關(guān)場(chǎng)接線示意圖

綜上，匈牙利電氣化鐵路牽引變壓器在近、遠(yuǎn)端均實(shí)現(xiàn)了備用，可靠性更高；接觸網(wǎng)強(qiáng)調(diào)供電單元?jiǎng)澐郑`活性更強(qiáng)；但由于系統(tǒng)多處采用隔離開關(guān)替代斷路器，導(dǎo)致在快速、精準(zhǔn)切除故障方面略顯不足。總體來講，匈牙利鐵路牽引供電系統(tǒng)區(qū)別于中國鐵路傳統(tǒng)模式，為國內(nèi)牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)拓寬了思路。

4 對(duì)國內(nèi)鐵路樞紐供電設(shè)計(jì)的思考

4.1 “由里向外”供電優(yōu)化建議

4.1.1 設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)鐵路樞紐牽引供電系統(tǒng)多采用“由里向外”供電方式[3]，即結(jié)合樞紐內(nèi)大型車站正線數(shù)目多、動(dòng)車所或機(jī)務(wù)段需設(shè)置獨(dú)立電源線等特點(diǎn)，在負(fù)荷中心（樞紐大型車站）設(shè)置1座牽引變電所，向多條鐵路干線供電，同時(shí)兼顧動(dòng)車運(yùn)用所、機(jī)務(wù)段等特殊用電設(shè)施，如圖8所示。

圖8 樞紐“由里向外”供電示意圖

4.1.2 存在問題

鐵路樞紐形成“由里向外”供電格局必然導(dǎo)致中心牽引變電所承擔(dān)大范圍、輻射狀的供電任務(wù)。國內(nèi)牽引變電所高壓進(jìn)線和牽引變壓器均采用100%固定備用，一般可靠性較高，但27.5 kV開關(guān)柜采用單母線集中布置，存在停電影響范圍大、越區(qū)支援能力不足、設(shè)備檢修不便等問題[4]。

4.1.3 優(yōu)化建議

當(dāng)樞紐規(guī)劃形成“由里向外”供電格局時(shí)，可考慮將牽引變電所內(nèi)1組牽引變壓器在正常時(shí)分列運(yùn)行，緊急時(shí)互為備用，同時(shí)取消備用牽引變壓器組的優(yōu)化方案，如圖9所示。為保證外部電源可靠性，2臺(tái)牽引變壓器可分別通過獨(dú)立的電源線接入地方變電站，并采取換相聯(lián)接方式降低對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)序影響。

考慮國內(nèi)設(shè)計(jì)中一般按緊密運(yùn)行校驗(yàn)牽引變壓器安裝容量[5]，優(yōu)化方案會(huì)導(dǎo)致牽引變壓器安裝容量偏大，但在大宗工業(yè)用戶根據(jù)實(shí)際最大需量繳納基本電費(fèi)后[6]，牽引變壓器安裝容量已不再制約運(yùn)營成本。在建設(shè)成本方面，2臺(tái)大容量牽引變壓器的造價(jià)也明顯低于4臺(tái)小容量牽引變壓器。

當(dāng)樞紐內(nèi)用地緊張或外電源路徑受限時(shí)，也可考慮將牽引變電所一分為二，分散布置，如圖10所示，此時(shí)中心牽引變電所的高壓進(jìn)線、變壓器、高壓室、控制室均實(shí)現(xiàn)了100%備用，可靠性最高。

4.2 “由外向里”供電優(yōu)化建議

4.2.1 設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

當(dāng)樞紐“由里向外”供電格局已基本形成，同時(shí)有新建線路引入時(shí)，為避免擴(kuò)大變電所的供電范圍，也可能會(huì)采用“由外向里”的樞紐供電方式，即在樞紐外新建牽引變電所供電至接軌車站，在樞紐新建分區(qū)所實(shí)現(xiàn)末端并聯(lián)和必要時(shí)的越區(qū)供電，如圖11所示。

圖11 樞紐線路“由外向里”供電示意圖

4.2.2 存在問題

新建線路采用“由外向里”的樞紐供電方式后，分區(qū)所鄰近中心牽引變電所設(shè)置，兩所之間的供電臂一般很短，不需要末端并聯(lián)提高供電能力，導(dǎo)致分區(qū)所僅發(fā)揮50%功能，利用率不高。同時(shí)由于樞紐總圖規(guī)劃不穩(wěn)定，若遠(yuǎn)期又有新線從圖11所示的中間站接軌，在采用“由外向里”供電方式的情況下，很難滿足車站不同正線的獨(dú)立供電需求。

4.2.3 優(yōu)化建議

當(dāng)樞紐線路采用“由外向里”的供電方式時(shí)，可在圖11所示的樞紐接軌站外設(shè)置1處電分相，中間站設(shè)置1座兩進(jìn)兩出開閉所，如圖12所示。開閉所電源取自中間站上、下行接觸網(wǎng)，引出兩路饋線為樞紐側(cè)區(qū)間接觸網(wǎng)供電，電分相上設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)以實(shí)現(xiàn)必要時(shí)的越區(qū)供電。優(yōu)化方案調(diào)整新建分區(qū)所為新建開閉所，既實(shí)現(xiàn)了分區(qū)所的必要功能，又提高了樞紐供電的靈活性。

圖12 樞紐線路“由外向里”供電優(yōu)化方案

4.3 動(dòng)車所（存車場(chǎng)）供電優(yōu)化建議

4.3.1 設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

由于大型樞紐車站始發(fā)終至車輛較多，一般設(shè)有動(dòng)車所或存車場(chǎng)以滿足動(dòng)車組快速檢修、高效運(yùn)營的需求。動(dòng)車所或有整備檢查作業(yè)的存車場(chǎng)要求由兩回電源供電，其中至少一回為獨(dú)立電源[7]。在設(shè)計(jì)過程中，一般由牽引變電所或開閉所引出獨(dú)立供電線為動(dòng)車所（存車場(chǎng)）供電，如圖13所示。

圖13 動(dòng)車運(yùn)用所供電方案現(xiàn)狀

4.3.2 存在問題

當(dāng)動(dòng)車所（存車場(chǎng)）由開閉所供電時(shí)，可較好地實(shí)現(xiàn)分束供電，但由于要求開閉所至少有1路電源取自牽引變電所，此時(shí)動(dòng)車所（存車場(chǎng)）往往也具備由牽引變電所直接供電的條件，其在經(jīng)濟(jì)性方面欠佳；當(dāng)動(dòng)車所（存車場(chǎng)）由牽引變電所供電時(shí)，由于牽引變電所27.5 kV饋線場(chǎng)地受限且距離動(dòng)車所（存車場(chǎng)）遠(yuǎn)，供電線投資高，一般通過2條饋線經(jīng)走行線為動(dòng)車所（存車場(chǎng)）供電，影響檢修作業(yè)的靈活性，在技術(shù)性方面欠佳。

4.3.3 優(yōu)化建議

當(dāng)動(dòng)車所（存車場(chǎng)）由牽引變電所供電時(shí)，可通過2臺(tái)斷路器經(jīng)多臺(tái)隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)分束供電，如圖14所示。為節(jié)省供電線投資，可將2路供電線引至動(dòng)車所（存車場(chǎng)）后再實(shí)施分束。由于故障影響范圍大、故障測(cè)距不易實(shí)現(xiàn)等原因，斷路器“1帶2”運(yùn)行方式在國內(nèi)雙線鐵路鮮有應(yīng)用，但若用于為動(dòng)車所（存車場(chǎng)）供電，則屬于介于兩種常規(guī)方案之間的折中選擇，可以兼顧技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性。

圖14 牽引變電所向動(dòng)車所供電優(yōu)化方案

5 結(jié)論

本文結(jié)合匈塞鐵路匈牙利段設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了匈牙利電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)，探討了國內(nèi)樞紐牽引供電優(yōu)化方案，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)樞紐規(guī)劃采用“由里向外”供電格局時(shí)，新建中心牽引變電所可設(shè)置2臺(tái)單相接線牽引變壓器，正常時(shí)分列運(yùn)行，緊急時(shí)互為備用，以提高樞紐供電可靠性。

（2）當(dāng)引入樞紐線路采用“由外向里”供電方式時(shí)，可在樞紐中間站新建開閉所，實(shí)現(xiàn)末端并聯(lián)的同時(shí)兼顧為其他線路供電，以提高樞紐供電靈活性。

（3）動(dòng)車所（存車場(chǎng)）可由牽引變電所通過2臺(tái)斷路器經(jīng)多臺(tái)隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)分束供電，既節(jié)省工程投資，又可保證供電靈活性。