項(xiàng) 楊

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淺談運(yùn)輸組織變化對列車能耗及列車電流的影響

項(xiàng) 楊

結(jié)合京廣鐵路北京局管段運(yùn)輸組織的發(fā)展趨勢，梳理了運(yùn)輸組織可能發(fā)生的主要變化，通過列車牽引計(jì)算，定量分析運(yùn)輸組織變化對列車能耗及列車電流的影響，為今后列車開行方案的確定和牽引供電能力的適應(yīng)性研究提供依據(jù)。

牽引供電；運(yùn)輸組織；列車能耗；列車電流

0 引言

鐵路牽引供電系統(tǒng)為鐵路運(yùn)輸服務(wù)，其供電能力需與鐵路運(yùn)輸需求相適應(yīng)。在正式運(yùn)營的電氣化鐵路中，既有建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高的高速、重載鐵路，也有大量建成于20世紀(jì)80、90年代，牽引供電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)較低的鐵路。近年來，隨著和諧號動車組及大功率和諧電力機(jī)車大量投入運(yùn)行，既有線運(yùn)輸能力大幅提升，但部分配套的牽引供電系統(tǒng)未及時(shí)得到升級改造，供電能力不能滿足運(yùn)輸需求，制約了運(yùn)輸能力的發(fā)揮。因此在運(yùn)輸組織發(fā)生變化后，必須校核牽引供電系統(tǒng)供電能力的適應(yīng)性，確定供電能力是否與新的運(yùn)輸需求相匹配。而校核牽引供電能力，必須掌握列車能耗及列車電流的變化情況[1，2]。本文以京廣鐵路北京局管段（以下簡稱京廣線）為例，分析運(yùn)輸組織的發(fā)展趨勢及運(yùn)輸組織變化對列車能耗、列車電流的影響。

1 京廣線運(yùn)輸組織現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.1 運(yùn)輸組織現(xiàn)狀

現(xiàn)階段京廣線采用客貨混跑的運(yùn)輸組織模式。根據(jù)2015年鐵路運(yùn)行圖，京廣線旅客運(yùn)輸主要為韶山系列、HXD系列電力機(jī)車牽引普速旅客列車和動車組（CRH5型），限速160 km/h。普通旅客列車牽引輛數(shù)17～19輛；動車組為重聯(lián)車組，16輛編組。貨物列車主要為貨運(yùn)班列（運(yùn)行速度 120 km/h）、普通貨運(yùn)列車（含摘掛列車，運(yùn)行速度80 km/h）。貨運(yùn)班列牽引類型為HXD2B，牽引質(zhì)量不超過2 500 t；直達(dá)、直通、區(qū)段貨運(yùn)列車牽引主要由HXD2B機(jī)車承擔(dān)，牽引質(zhì)量為5 500 t（超軸6 000 t）；摘掛列車牽引類型為DF4，牽引質(zhì)量4 200 t（超軸4 500 t）。京廣線采用雙線自動閉塞制式，信號機(jī)按6 min追蹤間隔布置，貨車追蹤間隔7 min，部分區(qū)段8 min；客車追蹤間隔 6 min。

1.2 運(yùn)輸組織發(fā)展趨勢

京廣鐵路（北京西—廣州）是貫通我國南北的重要鐵路干線，長期處于“?？蛪贺洝睜顟B(tài)，沿線貨運(yùn)需求難以得到充分滿足。隨著京廣高鐵（北京西—廣州南）的貫通，京廣通道內(nèi)逐漸形成既有普速鐵路和高速鐵路的4線格局，旅客運(yùn)輸將逐步轉(zhuǎn)移至高速鐵路。至2020年，京廣鐵路將承擔(dān)全部貨物運(yùn)輸及少量客運(yùn)任務(wù)，其長期“?？蛪贺洝边\(yùn)輸狀態(tài)將得到緩解，運(yùn)輸能力將得到釋放。京廣線的運(yùn)輸組織可能發(fā)生以下變化：

（1）電力機(jī)車牽引功率增加?？瓦\(yùn)電力機(jī)車額定牽引功率由SS8的3 600 kW、SS9的4 800 kW提升為HXD系列的7 200 kW。從運(yùn)輸部門獲取的資料顯示，2015年京廣線開行的旅客列車中，由HXD系列電力機(jī)車牽引的接近一半，隨著老車型的升級換代，作為替代車型的HXD系列機(jī)車占比逐年增加；貨運(yùn)方面，除少量摘掛、零擔(dān)列車采用DF4內(nèi)燃機(jī)車牽引外，普通貨車、貨運(yùn)班列均由大功率HXD機(jī)車牽引。大功率HXD系列電力機(jī)車將成為京廣線客貨列車牽引的主流配置。

（2）牽引質(zhì)量提高。京廣線牽引定數(shù)為 5 000 t，實(shí)際開行的普通貨車牽引質(zhì)量為5 500 t，超軸牽引質(zhì)量為6 000 t。中國鐵路總公司關(guān)于京廣線改造的批復(fù)文件中明確要求按照6 000 t牽引質(zhì)量校核，京廣線將來可能會開行牽引質(zhì)量6 000 t的貨運(yùn)列車。

（3）貨運(yùn)列車運(yùn)行速度提高，可能由目前的80 km/h提高至100 km/h。

（4）追蹤間隔縮短。京廣線信號系統(tǒng)升級改造正在實(shí)施，信號機(jī)按貨車6 min、客車5 min的追蹤間隔布置。改造完成后，京廣線貨車追蹤間隔很可能由現(xiàn)在的7 min縮短為6 min。

2 列車牽引計(jì)算

列車牽引計(jì)算的目的是求解出列車在供電分區(qū)的走行時(shí)分、給電走行時(shí)分（或稱為“牽引時(shí)間”）及列車能耗，進(jìn)一步計(jì)算列車在供電分區(qū)給電運(yùn)行的平均電流，為牽引供電能力的計(jì)算分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。列車牽引計(jì)算采用牽引電算程序2.0版[4]，對單列車進(jìn)行仿真，采用多質(zhì)點(diǎn)系、時(shí)間步長。該電算程序在國內(nèi)有關(guān)提速、高速鐵路的研究工作中得到了廣泛應(yīng)用。牽引計(jì)算流程如下：

（1）從工務(wù)部門獲取線路資料，包括線路坡度、曲線、橋梁隧道等，按照軟件要求編制規(guī)定的文件格式，并保存為線路文件；

（2）從行車部門獲取運(yùn)行圖技術(shù)資料，包括機(jī)車/車輛類型、機(jī)車特性曲線等，按照軟件要求編制并保存為機(jī)車車輛文件；

（3）按需要對機(jī)車、車輛進(jìn)行編組，保存為編組文件；

（4）設(shè)置牽引計(jì)算條件（停靠站、停站時(shí)分、計(jì)算范圍和初速）；

（5）讀入線路文件、機(jī)車車輛文件和編組文件，進(jìn)行牽引計(jì)算；

（6）牽引計(jì)算結(jié)束，保存結(jié)果。

牽引計(jì)算流程見圖1。

3 列車電流

列車在供電分區(qū)給電運(yùn)行時(shí)的平均電流計(jì)算式為

式中，為列車通過供電分區(qū)的能耗，kV·A·h；g為列車通過供電分區(qū)的給電走行時(shí)分，min；為牽引網(wǎng)額定電壓25 kV。

列車在供電分區(qū)給電運(yùn)行時(shí)的有效電流為

e=e= 1.05（A） （2）

圖1 牽引計(jì)算流程

4 運(yùn)輸組織變化對列車能耗及電流的影響

根據(jù)上述京廣線運(yùn)輸組織的變化趨勢，假設(shè)機(jī)車牽引功率、牽引質(zhì)量及運(yùn)行速度3個(gè)變量中，每次只有1個(gè)變量發(fā)生變化，其他2個(gè)變量保持不變，外界條件一致。牽引計(jì)算仿真條件設(shè)定：

（1）計(jì)算范圍選取線路條件較好的于家莊—新安村區(qū)間，線路長度96.7 km；

（2）列車運(yùn)行方式為直接通過，中途不停站。

4.1 機(jī)車額定牽引功率變化

列車編組為19輛客車，運(yùn)行速度為160 km/h，牽引機(jī)車由SS9（4 800 kW）變更為HXD3（7 200 kW）。計(jì)算結(jié)果見表1，各區(qū)段列車能耗及列車電流值對比見圖2、圖3。表1中能耗比及電流比為變化后列車數(shù)據(jù)與變化前列車數(shù)據(jù)之比（下同）。

可以看出，在于家莊—新安村上行區(qū)間，采用大功率HXD3機(jī)車牽引后，列車能耗增加約3%，給電運(yùn)行時(shí)分增加5%，列車給電平均電流減小2%；在于家莊—新安村下行區(qū)間，列車能耗增加10%，給電運(yùn)行時(shí)分增加3%，列車給電平均電流增加6%?？傮w來講，在其他條件相同的情況下，列車采用HXD3大功率機(jī)車牽引與SS9機(jī)車相比，列車能耗有所增加，但給電平均電流變化不大。

圖2 列車能耗對比（a）

圖3 列車給電平均電流對比（a）

4.2 牽引質(zhì)量變化

列車牽引質(zhì)量由5 500 t增加到6 000 t，采用HXD2B機(jī)車牽引，運(yùn)行速度80 km/h。牽引計(jì)算結(jié)果見表2，各區(qū)段能耗及電流值對比見圖4、圖5。

表2 列車能耗及電流對比表（不同牽引質(zhì)量）

圖4 列車能耗對比（b）

圖5 列車給電平均電流對比（b）

由表2可知，牽引質(zhì)量由5 500 t增加到 6 000 t后，能耗增加8%，給電運(yùn)行時(shí)分基本不變，列車給電平均電流增加約8%。在同一供電分區(qū)內(nèi)，同時(shí)存在多列車時(shí)，該增量需要重視。

4.3 運(yùn)行速度變化

貨車運(yùn)行速度由80 km/h提高到100 km/h，采用HXD2B機(jī)車牽引，牽引質(zhì)量6 000 t。牽引計(jì)算結(jié)果見表3，各區(qū)段能耗及電流對比見圖6、圖7。

表3 列車能耗及電流對比（不同運(yùn)行速度）

圖6 列車能耗對比（c）

圖7 列車給電平均電流對比（c）

由表3可知，列車運(yùn)行速度由80 km/h提高至100 km/h時(shí)，于家莊—新安村下行能耗增加18%，給電運(yùn)行時(shí)分減少20%，列車給電平均電流增加46%；于家莊—新安村上行能耗增加26%，給電運(yùn)行時(shí)分減少18%，列車給電平均電流增加54%。由此可見，列車運(yùn)行速度由80 km/h提高至100 km/h時(shí)對列車能耗，尤其是對列車電流影響較大。

4.4 追蹤間隔變化

列車追蹤間隔變化對單列車的能耗及電流沒有影響，但決定一個(gè)供電分區(qū)內(nèi)運(yùn)行的列車數(shù)量，是影響供電需求的重要因素之一。

5 結(jié)論

根據(jù)京廣線運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展趨勢可能造成機(jī)車牽引功率、機(jī)車牽引質(zhì)量、運(yùn)行速度、追蹤間隔等變化，通過列車牽引計(jì)算，分析各種變化對列車能耗及列車電流的影響。通過對比分析可知：列車速度由80 km/h提高到100 km/h對列車能耗及列車電流影響最大，能耗增加約2成，列車給電平均電流增加一半；牽引質(zhì)量由5 500 t提高到6 000 t對列車能耗和列車電流影響較大，都增加約1成，但在同一供電分區(qū)存在多列車時(shí)，累積效應(yīng)明顯，需要重視；變更大功率機(jī)車對列車能耗及列車電流影響不大；列車追蹤間隔變化對單列車的能耗及電流沒有影響，但決定著一個(gè)供電分區(qū)內(nèi)的列車數(shù)量。其他區(qū)段的計(jì)算數(shù)據(jù)因線路狀況差異會有所不同，但結(jié)論相同。

后續(xù)可根據(jù)京廣線列車運(yùn)行速度、牽引質(zhì)量、追蹤間隔的變化情況，組合排出列車開行方案，校核現(xiàn)有牽引供電系統(tǒng)的供電能力[2]是否滿足開行方案的需求，也可以為牽引供電系統(tǒng)的升級改造提供依據(jù)。

[1] 曹建猷. 電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M]. 北京：中國鐵道出版社，1983：26-30.

[2] 繆耀珊，曹東白. 電氣化鐵道設(shè)計(jì)手冊牽引供電系統(tǒng)[M]. 北京：中國鐵道出版社，1988.

[3] 崔久玲. 提高京廣線貨運(yùn)能力的對策研究[J]. 鐵道貨運(yùn)，2015（8）：12-14.

[4] 牽引電算程序2.0版使用說明書. 鐵道部科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，2000.

With connection to the developing tendency of transportation organization for the sections administered by the Beijing Railway Administration, the possible changes that may occur to the transportation organization are summarized and sorted, and quantitative analysis has been made for the influences to the energy consumption of train and current of train caused by the changes of transportation organization on the basis of train traction calculation, theses will provide references for researches of the decision of the train operation plan and adaption of traction power supply capability in the future.

Traction power supply; transportation organization; energy consumption of train; current of train

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.007

U223.5

B

1007-936X(2018)05-0025-04

2018-01-30

項(xiàng) 楊.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司供電處，工程師。