張亞賓 楊建興 辛榮亮

摘要：大秦線一期工程韓家?guī)X～大石莊段于1988年12月28日開通運(yùn)營(yíng)，牽引供電系統(tǒng)按年運(yùn)量1億噸設(shè)計(jì)，大秦線2002年完成貨運(yùn)量10231萬噸，已超過原設(shè)計(jì)的輸送能力，牽引供電能力極為緊張，尤以延慶～下莊段為甚，已嚴(yán)重影響機(jī)車正常運(yùn)行。本文介紹了延慶～下莊段應(yīng)急改造工程牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的四個(gè)“第一”，確保了大秦線2004年年運(yùn)量1.5億噸、2005年年運(yùn)量2億噸目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，供重載鐵路牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考。

Abstract： Hanjialing to Dashizhuang line， which is the first project of Datong-Qinhuangdao line， was opened and operated on December 28， 1988. The traction feeding system of Datong-Qinhuangdao line was designed on the base of 100 million tons per year volume， but the volume reached to 102.31 million tons in 2002， which was much more than original design transportation capacity. Over loading made traction power feeding system extremely tight， especially in Yanqing to Xiazhuang line， and this had seriously affected the normal operation of locomotives. This paper introduces four "NO.1" in the design of the traction power feeding system in emergency reconstruction project of Yanqing to Xiazhuang line， which can ensure to achieve the goal of year volume reaches up to 150 million tons in 2002 and 200 million tons in 2004. This paper can also be considered as the reference of the traction power feeding system design.

關(guān)鍵詞：延慶至下莊；應(yīng)急工程；牽引供電系統(tǒng)；改造方案

Key words： Yanqing to Xiazhuang；emergency project；traction feeding system；reconstruction plan

中圖分類號(hào)：TM922.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）29-0140-03

0 引言

大秦線是我國(guó)第一條雙線電氣化、開行重載單元式列車的運(yùn)煤干線，西起大同市，東至港口城市秦皇島，主要承擔(dān)晉北、蒙西及西北部的煤炭外運(yùn)任務(wù)。大秦線開通14年來，運(yùn)量逐年增長(zhǎng)，2002年完成貨運(yùn)量10231萬噸，已超過原設(shè)計(jì)10000萬噸的輸送能力，根據(jù)運(yùn)量預(yù)測(cè)，2004年大秦線的煤炭運(yùn)輸量為1.5億噸，2005年煤炭運(yùn)輸量將達(dá)到2億噸以上。因此，大秦線牽引供電能力普遍不適應(yīng)運(yùn)輸組織的需要，特別是延慶～下莊供電臂接觸網(wǎng)的供電能力成為限制大秦線運(yùn)量進(jìn)一步提高的瓶頸。為了緩和大秦線延慶～下莊段的供電能力緊張，以及為增加重載列車、減少車流密度、預(yù)留天窗時(shí)間為下階段的2億噸擴(kuò)能改造施工創(chuàng)造條件，有必要對(duì)延慶～下莊段實(shí)施應(yīng)急改造，對(duì)供電設(shè)備能力進(jìn)行加強(qiáng)，以滿足2004年大秦線年運(yùn)量1.5億噸目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1 既有牽引供電系統(tǒng)概況

1.1 牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行概況

根據(jù)運(yùn)營(yíng)資料，大秦線2004年1月完成運(yùn)量1225.9萬噸，較1.5億噸日歷進(jìn)度累計(jì)虧欠44.6萬噸，而牽引供電設(shè)備已處于過負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，1月份共發(fā)生饋線過負(fù)荷跳閘21次，較為嚴(yán)重的供電區(qū)段有5處，尤以延慶～下莊段為甚，該區(qū)段的過負(fù)荷跳閘有12次之多，接觸網(wǎng)傳導(dǎo)電流過載嚴(yán)重，供電臂末端電壓接觸網(wǎng)電壓低至16.3kV，經(jīng)常導(dǎo)致機(jī)車停車，牽引供電系統(tǒng)供電能力滿足不了運(yùn)輸組織需要。

1.2 牽引網(wǎng)供電方式和主要設(shè)備

大秦線牽引網(wǎng)供電方式采用AT供電方式，延慶至下莊區(qū)段牽引供電設(shè)施分布有延慶牽引變電所、鐵爐村開閉所和下莊分區(qū)所。所內(nèi)主要設(shè)備和接觸網(wǎng)設(shè)備選型如圖1所示。

1.3 外部電源概況

延慶牽引變電所的外部電源電壓為110kV，兩回電源進(jìn)線引自110kV康莊變電站，而康莊110kV進(jìn)線母線由聶各莊變電所供電，該變電所主變壓器容量為180MVA，從聶各莊變電所至延慶牽引變電所的輸電線線路長(zhǎng)度達(dá)74km。延慶牽引變電所的系統(tǒng)阻抗標(biāo)么值分別為：最大運(yùn)行方式為2.456；最小運(yùn)行方式為4.4。從上述數(shù)據(jù)可分析出，延慶牽引變電所的供電系統(tǒng)的短路容量?。ㄗ钚》绞较聻?27MVA），系統(tǒng)較為薄弱。

1.4 供電能力薄弱的原因分析

延慶至下莊供電臂供電能力薄弱，接觸網(wǎng)電壓水平低的原因分析如下：

①110kV電力系統(tǒng)短路容量小、外部電源輸電線路過長(zhǎng)，造成系統(tǒng)電壓損失過大。當(dāng)牽引負(fù)荷增大至1000A時(shí)，55kV母線的最低網(wǎng)壓將達(dá)到40kV以下，其中系統(tǒng)壓損將占到絕大部分，如功率因數(shù)為0.85時(shí)，系統(tǒng)壓降將達(dá)到14000V?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的實(shí)測(cè)也證明了這一點(diǎn)。

②牽引負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)計(jì)負(fù)荷，行車組織密度和運(yùn)量超過原設(shè)計(jì)的供電能力。

③線路坡度大，供電臂長(zhǎng)，牽引負(fù)荷大。

延慶～下莊供電臂長(zhǎng)度為47.3km，上行方向?yàn)橹剌d列車，除延慶至軍都山隧道約10km的上坡外，其余均為下坡，線路最大坡度為4‰；下行方向雖為空車，但上坡區(qū)段居多，線路最大坡度為12‰。因此，在延慶～下莊供電臂上下行方向負(fù)荷電流均較大，導(dǎo)致接觸網(wǎng)末端電壓過低。

2 牽引供電系統(tǒng)改造方案

改造方案的目標(biāo)是提高延慶至下莊段的接觸網(wǎng)最低網(wǎng)壓。

結(jié)合本段網(wǎng)壓偏低的主要原因，如能改善延慶牽引變電所所的外部電源，提高系統(tǒng)的最小短路容量，并通過增設(shè)牽引變電所，將可以從根本上解決網(wǎng)壓低的問題。但考慮到改善電源且增設(shè)牽引變電所需和電力部門進(jìn)行協(xié)商，周期較長(zhǎng)。為確保大秦線2004年實(shí)現(xiàn)年運(yùn)量1.5億噸目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)在既有的牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行增容補(bǔ)強(qiáng)，采取相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)網(wǎng)壓的措施，提高供電臂末端電壓水平。

2.1 主要設(shè)計(jì)原則

①充分利用既有的牽引供電設(shè)施，并與大秦線2億噸改造工程相結(jié)合，盡量減少電力設(shè)備廢棄；②本次改造為大秦線年運(yùn)量2億噸、牽引質(zhì)量2萬噸改造工程的應(yīng)急工程，牽引網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，機(jī)車受電弓電壓按不低于19kV設(shè)計(jì)，待正式工程實(shí)施后，通過增加牽引變電所方案，實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行情況下機(jī)車受電弓電壓不低于20kV。③通過本次的應(yīng)急工程改造，延慶至下莊段的接觸網(wǎng)最低電壓水平應(yīng)確保在19kV以上，保證大秦線2004年年運(yùn)量達(dá)到1.5億噸。

2.2 改造方案

目前在既有線電氣化鐵路通常采用提高接觸網(wǎng)電壓的措施主要有：增設(shè)串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置；牽引網(wǎng)增設(shè)加強(qiáng)導(dǎo)線，減少牽引網(wǎng)阻抗，降低壓損；增設(shè)牽引變電所，縮短變電所供電距離；采用增壓變壓器方案。

本段線路采用AT供電方式，目前牽引網(wǎng)最低網(wǎng)壓達(dá)到16kV，如提高網(wǎng)壓4kV以上，需結(jié)合既有可行的補(bǔ)強(qiáng)措施綜合考慮，本次網(wǎng)壓補(bǔ)償措施提出綜合網(wǎng)壓提高方案。

2.2.1 變電所增設(shè)自耦變壓器和有載自動(dòng)調(diào)壓裝置

①牽引變電所增設(shè)2臺(tái)自耦變壓器。

延慶牽引變電所內(nèi)既有牽引變壓器為十字交叉結(jié)線，所內(nèi)不設(shè)自耦變壓器，當(dāng)機(jī)車運(yùn)行在延慶牽引變電所與鐵爐村開閉所之間時(shí)，牽引變壓器二次繞組除承受55kV回路電流外，還承受27.5kV回路電流。另據(jù)運(yùn)行部門反映，隨著運(yùn)量的增長(zhǎng)，延慶～下莊供電臂T、N線間電流增至最大約1000A，變壓器與外部的電氣連接線（如導(dǎo)電桿等）出現(xiàn)過負(fù)荷現(xiàn)象，大秦線2億噸改造后，負(fù)荷將可能增至1500～2000A，過負(fù)荷現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

為均衡牽引網(wǎng)電流，緩解主導(dǎo)電回路傳導(dǎo)能力不足的壓力，在延慶牽引變電所內(nèi)增設(shè)2臺(tái)自耦變壓器，自耦變壓器的容量按照年運(yùn)量2億噸的需要選擇，即20MVA。

②增設(shè)有載自動(dòng)調(diào)壓裝置。

在延慶牽引變電所母線與自耦變壓器之間裝設(shè)有載自動(dòng)調(diào)壓裝置，增壓變壓器原邊額定電壓為2×27.5kV，副邊電壓為（2×27.5kV+2×（6×1kV）），額定結(jié)構(gòu)容量為（2×6000）kVA。

增壓變壓器的自動(dòng)控制器可以同時(shí)對(duì)T、F線電壓進(jìn)行同步聯(lián)鎖控制，并保證級(jí)位保持相同，分接開關(guān)每動(dòng)作一個(gè)檔位，T-F間電壓提高2kV，T-R間電壓提高1kV；當(dāng)上、下行饋線同時(shí)投入運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)控制器可以同時(shí)對(duì)兩臺(tái)有載調(diào)壓增壓變壓器進(jìn)行同步聯(lián)鎖控制，并保證級(jí)位保持相同；當(dāng)僅有上行或下行饋線投入時(shí)，自動(dòng)控制器可以單獨(dú)對(duì)一臺(tái)有載調(diào)壓增壓變壓器進(jìn)行控制。

對(duì)于增壓變壓器的增壓效果，一方面牽引負(fù)荷使得增壓變壓器原邊電壓低于額定工作電壓，導(dǎo)致增壓變壓器的效率降低；另一方面，考慮電力系統(tǒng)、牽引變壓器阻抗以及功率因數(shù)的影響后，增壓變壓器的增壓效果也有所降低，計(jì)算如表1所示。

表1中27.5kV側(cè)牽引負(fù)荷電流按2000A計(jì)算，增壓變壓器變比使得原邊負(fù)荷電流增大，導(dǎo)致電力系統(tǒng)、牽引變壓器上的電壓損失增大，因此分接開關(guān)調(diào)整一個(gè)檔位，T、R間實(shí)際增壓小于1kV（0.66kV）。

綜合考慮上述原因?qū)υ鰤鹤儔浩餍实挠绊懞?，牽引網(wǎng)的電壓仍可提高2kV以上。

2.2.2 分區(qū)所增設(shè)可調(diào)無功補(bǔ)償裝置和固定電容無功補(bǔ)償裝置

為減少牽引網(wǎng)電壓損失，提高延慶～下莊供電臂牽引網(wǎng)電壓水平，同時(shí)有利于改善延慶牽引變電所的功率因數(shù)，在下莊分區(qū)所下行母線上安裝1套可調(diào)無功補(bǔ)償裝置，并聯(lián)電容器安裝容量為5600kvar，串聯(lián)電抗器額定容量為646kvar，為限制空載情況下母線電壓升高，同時(shí)在分區(qū)所裝設(shè)磁閥式可調(diào)電抗器，額定容量為4500kvar。另外再裝設(shè)一組固定電容補(bǔ)償裝置，并聯(lián)電容器安裝容量為5600kvar，串聯(lián)電抗器額定容量為646kvar。

在下莊分區(qū)所裝設(shè)可調(diào)無功補(bǔ)償裝置以及固定電容補(bǔ)償裝置后，牽引網(wǎng)電壓可提高1.5～2kV。

方案確定時(shí)對(duì)將補(bǔ)償裝置安裝在延慶牽引變電所或下莊分區(qū)所兩種情況作以下分析，電容器的安裝容量及增壓效果如表2所示。

從表2中可以看出，當(dāng)相同容量的電容器組容量（5600kvar）安裝在分區(qū)所或變電所時(shí)，增壓效果是不同的，安裝在分區(qū)所時(shí)電壓增量是安裝在變電所的1.34倍。因此，為了提高牽引網(wǎng)的電壓，電容器組安裝在分區(qū)所較安裝在變電所更有效。

2.2.3 開閉所將上、下行接觸網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行

在延慶牽引變電所和下莊分區(qū)所中間的鐵爐村開閉所，將上、下行接觸網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行供電。接觸網(wǎng)上下行全并聯(lián)供電后，可改善牽引網(wǎng)的電流分布，提高牽引網(wǎng)電壓0.4～0.5kV，另外，通過對(duì)AT所并聯(lián)與不并聯(lián)情況下分別計(jì)算，牽引網(wǎng)能耗約可降低10%。

2.2.4 采用大截面合金牽引網(wǎng)導(dǎo)線和增設(shè)加強(qiáng)線

為進(jìn)一步提高網(wǎng)壓、增強(qiáng)傳導(dǎo)能力，對(duì)延下段的接觸網(wǎng)改造結(jié)合大秦線2億噸擴(kuò)能改造提前實(shí)施，改造后接觸網(wǎng)導(dǎo)線選擇為：

接觸線：CTHA-150；

承力索：THJ-150；

加強(qiáng)導(dǎo)線：延慶至軍都山隧道之間約10km設(shè)加強(qiáng)導(dǎo)線，型號(hào)為TJ-120，即既有的載流承力索利舊；

正饋線：延慶至軍都山隧道之間約10km選擇2×LGJ-185導(dǎo)線，剩余區(qū)段選擇LGJ-240導(dǎo)線；

保護(hù)線：LGJ-95；

通過對(duì)既有接觸網(wǎng)導(dǎo)線的更換，增大接觸網(wǎng)的等效載流截面和載流量，解決了接觸網(wǎng)傳導(dǎo)電流過載的問題，同時(shí)降壓了牽引網(wǎng)阻抗，降低了牽引網(wǎng)的電壓損失和牽引網(wǎng)損耗。

3 改造方案實(shí)施效果

在改造方案采取的四大措施中，有載自動(dòng)調(diào)壓方案和可調(diào)無功補(bǔ)償增壓方案均無在AT區(qū)段工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，為提高運(yùn)行中補(bǔ)償電壓的可靠性，兩種補(bǔ)償措施同時(shí)采取。

本方案的實(shí)施在鐵道部領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心下，經(jīng)建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位和供貨廠家的多次論證后得以實(shí)施，工程從2004年3月中旬開始至2004年4月25日全部完工。

從2004年4月25日至2004年底，延慶至下莊段接觸網(wǎng)最低網(wǎng)壓保持在20kV以上，保證了機(jī)車的正常運(yùn)行，牽引變電所功率因數(shù)由0.88提高至0.92，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。確保了大秦線增開萬噸列車、2004年年運(yùn)量1.5億噸目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

①本工程第一次在AT供電方式下采用了增壓變壓器方案提高網(wǎng)壓，效果良好。為既有AT供電方式的電氣化鐵路提高網(wǎng)壓提供了一種新的選擇。②第一次在AT供電方式下采用分區(qū)所加裝可調(diào)電容無功補(bǔ)償裝置提高網(wǎng)壓并兼有提高牽引變電所功率因數(shù)的嘗試，可在下一步實(shí)踐中進(jìn)行總結(jié)。③在電氣化鐵道中第一次采用了大截面的接觸網(wǎng)導(dǎo)線。接觸線采用CTHA-150mm2，承力索采用THJ-150mm2，與之配套的17種接觸網(wǎng)零部件新研制。為下一步實(shí)現(xiàn)大秦線擴(kuò)能2億噸的目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。④工程中采用鐵爐村開閉所上下行接觸網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，均衡了上下行的牽引網(wǎng)電流分布，改善了網(wǎng)壓。同時(shí)降低了牽引網(wǎng)電能損失，節(jié)省了運(yùn)營(yíng)成本。經(jīng)測(cè)算，大秦線年運(yùn)量2億噸，年用電量將達(dá)到21.7億度，如每度電計(jì)列0.5元，則年電費(fèi)為10.85億元；如將下一步擴(kuò)能改造工程中的AT所并聯(lián)運(yùn)行，可節(jié)省電費(fèi)約760萬元/年，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

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