復(fù)興號動車組與既有線牽引供電能力適應(yīng)性研究*

趙 強(qiáng)，張琳娜，任維亮，趙亞男，張 鵬

（1 中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司，北京 100860；2 中國國家鐵路集團(tuán)有限公司 北京安全監(jiān)督管理特派員辦事處，北京 100055；3 蘭州交通大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，蘭州 730070）

為提高既有線鐵路運(yùn)輸服務(wù)品質(zhì)和使用效率，利用既有線的運(yùn)輸資源和既有機(jī)車、客車的檢修資源，中國中車研制了速度160 km/h的動力集中型動車組，適用于所有普速電氣化鐵路，其動力集中在列車頭部或尾端，內(nèi)部服務(wù)設(shè)施設(shè)備與既有動車組基本一致。動力車為FXD1G或FXD3G客運(yùn)車的“一般改進(jìn)型”產(chǎn)品，對車頭流線型、受電弓主斷路器冗余、互聯(lián)互通互控功能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計［1］。

1 問題的提出

京滬高速鐵路設(shè)計時考慮了動車時速和功率的需求，能滿足開行復(fù)興號動車組要求，2017年6月26日復(fù)興號中國標(biāo)準(zhǔn)動車組在京滬高鐵正式雙向首發(fā)［2］。2017年9月21日起，復(fù)興號動車組在京滬高鐵實(shí)現(xiàn)350 km/h運(yùn)營［3］。為滿足京津城際鐵路復(fù)興號CR400BF動車組350 km/h開行，對牽引供電系統(tǒng)的適應(yīng)性進(jìn)行了校核，經(jīng)校核對亦莊、武清變電所的主變壓器安裝風(fēng)冷設(shè)備提高變壓器容量，并對ATS6自耦變壓器進(jìn)行了增容改造，增設(shè)了加強(qiáng)線（LBGLJ-240）38.6條公里。

2019年1月23日起，速度為160 km/h動力集中型動車組在普速京滬線開始運(yùn)行，2019年4月調(diào)整為8對開行。2019年5月24日，京哈線開行了CR400AF復(fù)興號動車組。由于既有普速鐵路供電能力與動車組功率不匹配，造成變電所饋線過負(fù)荷跳閘，對動車組的開行和運(yùn)輸秩序構(gòu)成嚴(yán)重影響。通過對列車牽引功率研究，以及現(xiàn)場添乘和進(jìn)行動車組限流試驗，解決了復(fù)興號動車組在普速鐵路運(yùn)行的不適應(yīng)問題，為復(fù)興號動車組在普速鐵路進(jìn)入動車時代創(chuàng)造了條件。

2 京哈線供電能力與CR400AF復(fù)興號動車組功率不適應(yīng)問題及解決方案

2.1 京哈線基本情況

京哈線北京局集團(tuán)公司管內(nèi)設(shè)5座變電所，北京站至燕郊分區(qū)所為直供方式，燕郊分區(qū)所至狼窩鋪?zhàn)冸娝鶠锳T供電方式，狼窩鋪?zhàn)冸娝燎乇遍_閉所為直供方式，秦北開閉所至石河子AT所為AT供電方式。其中薊縣南變電所供電臂為90.5 km，燕郊方向供電臂為50.4 km，薊縣南變電所供電臂長度相當(dāng)于現(xiàn)在2個AT變電所的供電范圍；昌黎變電所供電臂為62.9 km，朱各莊方向供電臂為35.9 km，朱各莊方向供電臂相當(dāng)于1個普速變電所的供電范圍。京哈線北京局集團(tuán)公司管內(nèi)牽引變電所供電臂范圍見表1。

表1 京哈線北京局集團(tuán)公司管內(nèi)牽引變電所供電臂范圍

2.2 京哈線供電能力

京哈線北京至秦皇島2019年5月24日開行CR400AF復(fù)興號動車組，每日開行4對。京哈線正線接觸懸掛的載流量為1 020 A。

開行前統(tǒng)計的變電所、開閉所最大負(fù)荷電流一般不超過1 000 A，最低電壓一般不低于23.5 kV。2019年5月24日~2019年6月1日開行后的變電所饋線最大負(fù)荷電流超過1 000 A共9次，其中最大電流值為1 798 A；分區(qū)所電壓低于23.5 kV共8次，其中最低20.44 kV。通過對開行后的負(fù)荷統(tǒng)計與接觸網(wǎng)載流能力對比分析后，已經(jīng)超過或接近變電所饋線最大負(fù)荷電流，所以會發(fā)生變電所饋線過負(fù)荷跳閘。

2.3 復(fù)興號CR400AF變電所發(fā)生饋線過負(fù)荷跳閘

京哈線原設(shè)計中沒有CR400系列復(fù)興號動車組車型，京哈線開行復(fù)興號動車組后，2019年5月24日豐潤開閉所242饋線和2019年6月1日雙橋變電所219饋線連續(xù)發(fā)生過負(fù)荷跳閘，過負(fù)荷跳閘數(shù)據(jù)見表2。

表2 2019年5月24日京哈線開行復(fù)興號動車組后饋線過負(fù)荷跳閘情況

2.4 過負(fù)荷跳閘分析

2019年5月24日19時31分，京哈線豐潤開閉所242跳閘，重合成功。跳閘時D4522次出唐山北站后提速運(yùn)行，另有一輛貨車在唐山北站整備，其中D4522次為CR400AF復(fù)興號重聯(lián)動車組。

2019年6月1日15時28分37秒，雙橋變電所219饋線跳閘，重合成功。跳閘時219饋線供電臂內(nèi)共有2列重聯(lián)動車組，D27次通州站出站，D4521次雙橋站出站。D27次為CRH5型動車組，D4521次為CR400AF復(fù)興號動車組。

從跳閘時的電壓、電流和阻抗角可以判斷為過負(fù)荷跳閘。CR400AF和CRH5動車組供電相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 CR400AF和CRH5動車組供電基本參數(shù)

從表3可以看出1列短編CR400AF額定功率9 750 kW，全負(fù)載高壓側(cè)電流為560 A，重聯(lián)全負(fù)載高壓側(cè)電流可達(dá)1 120 A，豐潤開閉所242饋線跳閘時有1列貨車，1列貨車的電流按100 A計算，超出了過流Ⅰ段的整定值1 200 A后發(fā)生跳閘。

1列短編CRH5額定功率5 500 kW，全負(fù)載高壓側(cè)電流為283 A，重聯(lián)全負(fù)載高壓側(cè)電流可達(dá)566 A，1列CRH5重聯(lián)動車組和1列CR400AF重聯(lián)動車組最大負(fù)荷電流為1 686 A，阻抗保護(hù)電阻邊整定按照躲過最大負(fù)荷電流1 200 A來整定，超過了最大負(fù)荷電流1 200 A發(fā)生跳閘。

2.5 京哈線解決方案

2.5.1京哈線CR400AF復(fù)興號動車組添乘取流情況

通過添乘CR400AF重聯(lián)動車組和CRH5A動車組，觀測到CR400AF重聯(lián)動車組最大負(fù)荷電流1 100 A，CRH5A重聯(lián)動車組最大負(fù)荷電流560 A。只要1個供電臂有1列CR400AF重聯(lián)動車組和CRH5A重聯(lián)動車組同時起動加速時，就可能發(fā)生變電所饋線過負(fù)荷跳閘。

通過對CR400AF復(fù)興號動車組進(jìn)行添乘，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)最大負(fù)荷電流的幾個特點(diǎn)：

（1）出站后的提速階段；

（2）過分相后速度損失后的提速；

（3）晚點(diǎn)后趕點(diǎn)，將手柄推到最大牽引級位進(jìn)行的提速。

2.5.2京哈線CR400AF復(fù)興號動車組限流試驗

為解決復(fù)興號動車組功率與既有線供電能力的匹配問題，供電方面解決方案是提高變電所饋線最大負(fù)荷電流保護(hù)定值，可以避免發(fā)生饋線過負(fù)荷跳閘。但是，最大負(fù)荷電流的選取由接觸網(wǎng)的載流能力決定，不能隨意提高。為保證接觸網(wǎng)的載流安全，變電所饋線保護(hù)定值已沒有提高的空間。

對不同廠家的不同動車組限流功能進(jìn)行專題研究，動車組限流主要有2種方式：

（1）通過限制手柄級位進(jìn)行限流，見表4，不同的級位對應(yīng)接觸網(wǎng)側(cè)不同的電流值；

表4 動車組手柄級位對應(yīng)電流

（2）通過限流軟件進(jìn)行限流，有300、400、500、600 A和最大不限制電流5項可選，動車組通過軟件選擇限制電流如圖1所示。

圖1 動車組通過軟件進(jìn)行限制電流

由于CRH5沒有限流功能，不能進(jìn)行限流。而且在未開行CR400AF復(fù)興號前也沒有發(fā)生變電所饋線過負(fù)荷跳閘。CR400AF復(fù)興號動車組全負(fù)載高壓側(cè)電流1 120 A，只1列重聯(lián)車接近變電所饋線跳閘定值。CR400AF復(fù)興號動車組可以通過控制軟件進(jìn)行限流，通過在京哈線進(jìn)行實(shí)車驗證，對運(yùn)行時分和動車組的各項性能均沒有影響，根據(jù)試驗成果下發(fā)了CR400AF復(fù)興號動車組在京哈線限流運(yùn)行的電報。

2.5.3京哈線CR400AF復(fù)興號動車組限流運(yùn)行方案

CR400AF重聯(lián)動車組或單編動車組采用通過司機(jī)室顯示屏設(shè)置受電弓受流限制的方案。操作步驟為：進(jìn)入司機(jī)室顯示屏“線路選擇”界面，功率選擇設(shè)置為“300 A”；取消限流時選擇“最大”。制動手柄可正常操作［4］。

CR400AF單編動車組限制電流不超過300 A，CR400AF重聯(lián)動車組限制電流不超過600 A，動車組功率與既有牽引供電能力相適應(yīng)，既滿足了CR400AF動車組的開行，也不會造成變電所饋線過負(fù)荷跳閘。

3 京滬線供電能力與動力集中型復(fù)興號動車組功率不適應(yīng)問題及解決方案

3.1 京滬線基本情況

京滬線設(shè)計的車型：客SS9，貨SS6B，200 km/h客車采用動車組，列車追蹤間隔按貨車7 min、客車6 min、動車5 min。原設(shè)計沒有速度160 km/h動力集中型動車組。

根據(jù)2019年列車運(yùn)行圖資料，2019年1月23日起速度為160 km/h動力集中型動車組在京滬線開始運(yùn)營，2019年4月調(diào)圖后增加8對夕發(fā)朝至160 km/h動力集中型動車組，動力集中動車組到達(dá)北京時間主要集中在7∶00和9∶00這2個時間段，最短追蹤間隔時間為5 min。

3.2 京滬線供電能力

京滬線正線接觸懸掛最大載流量為1 035 A。2019年4月160 km/h動力集中型動車組增加開行對數(shù)后，京滬線各變電所饋線最大負(fù)荷電流普遍出現(xiàn)增大現(xiàn)象。除呂家寨變電所外其余各所的最大負(fù)荷電流均出現(xiàn)大于1 000 A的情況，呂家寨變電所饋線最大負(fù)荷電流約900~1 000 A。

為配合豐臺站改造工程，2018年7月將京滬線K24處分相改移至K20處，安定變電所北京側(cè)供電臂供電范圍從原來的27 km延長到了31 km，導(dǎo)致該供電臂供電能力有所下降，尤其是在下行天窗作業(yè)時，上行供電臂內(nèi)開行動力集中型動車組時，引發(fā)了安定變電所214饋線過負(fù)荷跳閘。

3.3 開行速度160 km/h動力集中型動車組后變電所發(fā)生過負(fù)荷跳閘

開行速度160 km/h動力集中型動車組后變電所發(fā)生過負(fù)荷跳閘見表5。

表5 2019年京滬線開行復(fù)興號動車組后饋線過負(fù)荷跳閘情況

3.4 過負(fù)荷跳閘分析

2019年5月30日~2019年11月7日，共發(fā)生4次變電所饋線過負(fù)荷跳閘，其中安定變電所發(fā)生3次過負(fù)荷跳閘，豆張莊變電所發(fā)生1次過負(fù)荷跳閘，均發(fā)生在夕發(fā)朝至動車組集中到達(dá)北京時間段。跳閘時段有2次饋線供電臂范圍內(nèi)有3列動車（車次：D716次、D718次、D702次）、1次2列動車和2列直快車（車次：D718次、D702次、Z52次、Z30次）。

速度160 km/h動力集中型動車組動力車輪周牽引功率（持續(xù)）大于等于5 600 kW，動力車輪周牽引功率（半小時）大于等于6 400 kW，全負(fù)載高壓側(cè)電流290 A左右，最大全負(fù)載高壓側(cè)電流可達(dá)320 A。

京滬線速度160 km/h動力集中型動車組16輛編組，運(yùn)行時2個動力車均投入運(yùn)行，因此最大負(fù)荷電流可達(dá)640 A。當(dāng)1個供電臂內(nèi)有2列16輛編組動車組運(yùn)行，最大負(fù)荷電流可達(dá)1 280 A，超出變電所饋線整定的1 200 A保護(hù)定值而發(fā)生跳閘。

3.5 京滬線解決方案

3.5.1京滬線速度160 km/h動力集中型動車組添乘取流情況

為掌握動力集中型動車組的取流情況，通過添乘觀測到動車組最大取流為630 A，對應(yīng)變電所饋線出現(xiàn)的最大電流637 A，出現(xiàn)時間與機(jī)車加速時間吻合，比以往的單臺HXD機(jī)車功率增加了1倍。

3.5.2京滬線速度160 km/h動力集中型動車組限流試驗

動力集中型動車組沒有手柄控制限流功能，也沒有控制軟件限流功能，只能通過隔離電機(jī)進(jìn)行限制功率。為研究動力集中型動車組與既有線供電能力的匹配性，在FXD1-J0011/0012擔(dān)當(dāng)?shù)腄712次動車組上進(jìn)行隔離電機(jī)試驗，試驗結(jié)束后對隔離電機(jī)和未隔離電機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。頭尾動力車取流規(guī)律一致，下面只對其中1個車進(jìn)行分析，2019年11月26日未隔離電機(jī)取流數(shù)據(jù)如圖2所示。2019年11月28日隔離電機(jī)取流數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖2 2019年11月26日未隔離電機(jī)取流數(shù)據(jù)

圖3 2019年11月28日隔離電機(jī)取流數(shù)據(jù)

對比分析原邊電流數(shù)據(jù)，可以明顯地看出在同時隔離了FXD1-J0011/0012車的電機(jī)1后，單臺動力車的最大原邊電流值有明顯降低，從270 A左右降低至210 A左右。

通過對試驗情況綜合分析，在每臺車切除1臺電機(jī)功率的情況下，列車牽引力能滿足動車組的動力需要，不影響機(jī)車性能和運(yùn)行時分。開行后對變電所和分區(qū)所的電壓監(jiān)測均正常，變電所最低電壓26 kV，分區(qū)所末端電壓24 kV，均正常。同時對變電所的電能質(zhì)量進(jìn)行關(guān)注，未發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常現(xiàn)象。根據(jù)試驗成果下發(fā)了動力集中型動車組在京滬線限制功率運(yùn)行的電報。

對京滬線管內(nèi)9個變電所的月平均用電量、月平均負(fù)荷率、月平均利用率進(jìn)行了統(tǒng)計分析，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表6。

表6 京滬線管內(nèi)9個變電所的月平均用電量和月平均負(fù)荷率、月平均利用率

對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，開行動車組后用電量、負(fù)荷率、主變壓器利用率明顯增加。開行動車組后未限制功率前用電量比原來提高了0.38×106kW?h，開行動車組后限制功率后用電量比原來提高了0.53×106kW?h；開行動車組后未限制功率前負(fù)荷率比原來負(fù)荷率提高了3.0%，開行動車組后限制功率后負(fù)荷率比原來提高了4.8%；開行動車組后未限制功率前主變壓器利用率比原來負(fù)荷率提高了1.0%，開行動車組后限制功率后主變壓器利用率比原來提高了2.2%。通過切除1臺電機(jī)功率在不影響機(jī)車性能的前提下，把210~270 A之間的電流削掉，起到削峰填谷挖掘潛力的作用。雖然列車啟動及通過分相后的提速會略有延遲，但仍能實(shí)現(xiàn)在規(guī)定的運(yùn)行時分內(nèi)完成運(yùn)行里程，防止負(fù)荷過于集中超出保護(hù)整定值發(fā)生變電所饋線跳閘故障。對動力集中型動車組限制功率運(yùn)行后，不但實(shí)現(xiàn)了動車組在普速鐵路的安全正點(diǎn)運(yùn)行，同時也提高了供電的各項指標(biāo)。

3.5.3京滬線速度160 km/h動力集中型動車組限流運(yùn)行方案

FXD1-J/FXD3-J型動力車司機(jī)顯示屏設(shè)有“設(shè)備隔離界面”，在主控車顯示屏該界面可手動隔離/取消隔離軸功率。此操作可在行車過程中操作，為避免沖動，在隔離主變流器前，將牽引手柄回零位。如下為隔離/取消隔離軸功率操作流程：

（1）司機(jī)顯示屏“牽引模式界面”點(diǎn)擊“設(shè)備控制”按鈕，進(jìn)入“設(shè)備控制界面”。

（2）點(diǎn)擊“設(shè)備隔離”按鈕，進(jìn)入“設(shè)備隔離界面”。

（3）先點(diǎn)擊“變流器1或電機(jī)1”和“變流器3或電機(jī)3”按鈕，再點(diǎn)擊“隔離”按鈕，等待約2 s后，“變流器1或電機(jī)1”和“變流器3或電機(jī)3”變?yōu)榧t色背景帶黑色小手的圖標(biāo)表示手動隔離完成。

（4）取消限制功率操作。

先點(diǎn)擊“變流器1或電機(jī)1”和“變流器3或電機(jī)3”按鈕，再點(diǎn)擊“取消隔離”按鈕，等待約2 s后，“變流器1或電機(jī)1”和“變流器3或電機(jī)3”背景變?yōu)檎５木G色表示取消隔離完成［5］。

進(jìn)行限流后動力集中型動車組的最大電流不超過480 A，比原來的最大640 A下降了160 A，動車組功率與既有牽引供電能力做到了相適應(yīng)，既滿足了動車組的開行需要，也不會造成變電所饋線過負(fù)荷跳閘。

4 結(jié)論

（1）采取限流的車型相關(guān)機(jī)務(wù)段做好司機(jī)培訓(xùn)工作，確保限流方案正確實(shí)施。采用通過司機(jī)室顯示屏設(shè)置限流的動車組，應(yīng)在始發(fā)站停車狀態(tài)下進(jìn)行操作，或者接近限流區(qū)段的車站或前一個營業(yè)站停車狀態(tài)下進(jìn)行操作。取消限制功率時應(yīng)在通過限制功率區(qū)段后的停車站停車狀態(tài)下進(jìn)行操作。

CR400AF復(fù)興號動車組經(jīng)過限流300 A試驗可以滿足運(yùn)行要求，因此，不管是單編還是重聯(lián)應(yīng)按同樣值進(jìn)行操作，防止司機(jī)發(fā)生錯誤操作。

（2）CR400AF復(fù)興號動車組提速時實(shí)際速度低于目標(biāo)速度值2 km/h，就會滿功率運(yùn)行，動車組取流與目標(biāo)速度值大小無關(guān)，與動車組的功率有關(guān)。因此，只要CR400系列復(fù)興號動車組在普速鐵路運(yùn)行，就需要限制動車組運(yùn)行電流。

（3）供電部門對普速鐵路開行復(fù)興號動車組的牽引供電能力要做好核算，根據(jù)接觸網(wǎng)的載流能力提前做好饋線保護(hù)定值的整定。開行復(fù)興號動車組數(shù)量較多的線路要提前委托設(shè)計院進(jìn)行供電能力校核，根據(jù)校核結(jié)果需要進(jìn)行改造時，提前做好供電設(shè)備改造工作。

（4）對用于普速鐵路的復(fù)興號動車組在設(shè)計之初做好功率設(shè)計，避免功率過大，不但造成容量的浪費(fèi)，同時也造成與牽引供電能力的不適應(yīng)。

（5）在鋪畫列車運(yùn)行圖時盡可能均勻鋪畫，避免同1個供電臂內(nèi)多列復(fù)興號動車組運(yùn)行。

通過在普速鐵路對復(fù)興號動車組進(jìn)行限流，在保證列車性能、安全正點(diǎn)和供電設(shè)備安全運(yùn)行的情況下，為復(fù)興號動車組在普速鐵路的運(yùn)行創(chuàng)造了條件。