牵引供电系统在长期过负荷状态下的策略分析

牵引供电系统在长期过负荷状态下的策略分析

向翔

（神华新准铁路有限责任公司内蒙古鄂尔多斯市017000）

摘要：重载列车的牵引功率高、牵引电流大，容易引起牵引供电系统电压波动。测试了重载列车运行时的电压与电流，研究了负荷变化对牵引变电所进线电源及馈线电压的影响，发现牵引负荷增大后变电所进线电压与馈线电压的波动范围都超出了规范的要求，认为线路阻抗与功率因数是造成电压波动过大的原因。本文分析了牵引供电系统在长期过负荷状态下的策略。

关键词：牵引供电系统；负荷状态；策略；

电气化铁路牵引负荷作为一种大功率单相整流负荷，其产生的负序和高次谐波电流注入到电力系统，将对旋转电机、电力变压器、继电保护装置等产生一定的影响，威胁到电力系统的安全稳定运行。负荷模型的准确与否对电力系统数字仿真的结果有很大影响。在某些情况下，采用不同的负荷模型会得出截然相反的结论。

一、负荷特性分类及综合

1.建模数据简介。测试仪器挂接在向电气化铁路供电的电网侧变电站母线上，网侧电压１１０ｋＶ。所采集的样本来自３个牵引变电站，均采用直接供电方式；牵引变压器的接线方式类型分别：ＹＮ－ｄ１１变压器接线，Ｖ／Ｖ变压器接线，阻抗匹配平衡变压器接线；均采用并联电容器进行无功补偿，由人工整体投切实施固定补偿，无源滤波器滤波。

2.负荷特性分类。负荷特性的分类需要确定能够反映负荷特性的特征向量，而特征向量的确定来源于牵引负荷特性的合理分析。牵引供电系统综合负荷的负荷特性主要取决于电力机车的电气特性、列车的负荷特性、铁路运行组织方案、牵引变电站的负荷特性、牵引变电站并联电容器等因素。列车牵引工况从电网中汲取有功功率和无功功率，再生制动工况向电网反馈有功功率和无功功率。由于牵引变电站采用的是固定电容补偿装置，因而会出现牵引工况中轻载时无功过补偿，重载时无功补偿不足的现象。受铁路运行组织方案的影响，牵引供电臂下行车密度的改变会使牵引变压器网侧实测动态响应相应发生变化。综上所述，这些因素对牵引供电系统综合负荷特性的影响综合表现为工况不同时牵引变电站网侧实测负荷有功和无功的数值不同、方向不同。通过负荷特性的分类，可得到牵引供电系统不同工况下的样本，再通过负荷特性的综合，就可得到对应于不同时间段的具有相应时间段上通用性的牵引供电系统综合负荷模型。这样在建模过程中就考虑了负荷时变性对负荷模型的影响，提高所建立的负荷模型的精确度和覆盖能力。

二、牵引供电系统在长期过负荷状态下的策略

1.继电保护调整。一是尽量均衡行车组织，避免大电流、大负荷对牵引供电设施的冲击。特别是应避免列车在区间的追踪时分大大小于牵引供电系统设计的追踪时分(6min)的情况。二是除以馈线流互变比即可。注意应用时可能会出现个别馈线的过流保护在进行灵敏度校验时灵敏系数小于1．2的情况，但为了保证保护的可靠性、选择性，只能暂时牺牲其灵敏性。另外需要注意的是过流保护作为距离保护的后备保护，要保护到线路全长，整定时要求躲过馈线最大负荷电流。当馈线最大负荷电流和线路末端最小短路电流比较接近时还是应按躲过馈线最大负荷电流整定。三是通过合理的限车措施，同时加强监控，可以在一定程度上缓解牵引变压器及其他供变电设施的过负荷状况，可使这种过负荷时刻处于有效监控范围内。

2.对牵引供电系统进行提升改造。一是牵引变压器进行增容改造为避免长期过负荷导致绝缘水平下降以及主变匝间击穿等严重问题，建议对牵引变压器进行增容改造，更换更大容量的变压器。二是牵引变压器二次侧出线导线、上网供电线、接触网导线扩能改造。在整个牵引供电系统长期严重过负荷时，牵引变压器二次侧出线导线、上网供电线、接触网导线发热会超过设计水平，为此，建议对以上设备加大导线线径并精心校核其可靠性。三是主变增设牵引变压器油色谱在线监测系统为了提前发现变压器因长时间过负荷运行等原因造成油质劣化带来的故障隐患，避免使之扩大为事故影响供电系统安全运行，主变增设牵引变压器油色谱在线监测系统。该装置为成熟产品，在电气化铁道应用较多。四是定期投切主备牵引变压器，使之均衡使用如可以规定主备牵引变压器每2个月投切一次。五是安排相应的检测检修和试验，及时处理设备缺陷比如缩短对牵引变压器的色谱跟踪和铁心绝缘摇测周期，可以规定牵引变压器色谱跟踪和铁心绝缘摇测周期为3个月。对变电所综自系统及远动系统进行相应的接口及软件扩容改造。这是必须的优化措施，以适应供电系统改造需要。在所有供变电设备及接触网改造完成后需对继电保护整定值重新进行调整。根据新的供电系统参数(如新的主变短路阻抗、主变容量、馈线最大负荷电流等)，对主变、馈线等保护的相关整定值重新进行校核调整。

三、实例分析

随着社会的发展，某铁路的运量不断增大，本铁路的行车密度己经饱和，提高列车载运量是增加既有线路运输能力的主要措施。牵引供电系统是重载铁路的动力来源，大功率机车的应用在提高列车负载能力的同时，也加大了牵引供电系统的负荷。牵引负荷增大之后，为了克服空气阻力与线路摩擦力，负荷电流也随之增大，对钢轨电位、末端电压均会产生较大的影响。为了了解牵引变电所对重载列车运行的承受能力，公司测试了列车运行时牵引负荷对供电系统的影响。

1.测试方案。为了研究牵引负荷对变电所的影响，本次测试对象包括进线电压、电流、馈线电压与电流、无功功率和功率因数等参数。朔黄铁路管内供电制式分为直供和AT供电两种，直供方式变压器二次侧绕组分别与接触网导线和钢轨相连，牵引电流从接触网流入列车，并通过钢轨流回变电所。AT供电方式又称为自耦变压器供电方式，铁路沿线布有自耦变压器，牵引变电所变压器绕组通过馈线和AF线(正馈线)与自耦变压器绕组两端相连，自耦变压器的中性点与钢轨相连，牵引电流通过馈线流入接触网，再通过钢轨与自耦变压器流到正馈线。由于自耦变压器一次侧和二次侧的变比是1∶1，因此直供方式变电所输出电压为27.5kV，AT供电方式变电所输出电压为55kV。此次测试方案中特意对两种供电方式进行分析，以确定哪种供电方式更适用于重载铁路。测试时运行的万吨列车采用的是机车“1+1”和“2+0”两种编组方式:“1+1”编组方式下机车位于万吨列车前部和中部;“2+0”编组方式下两个机车均位于万吨列车前部。测试时用重车与轻车来区分相同列车编组方式下满载与空载的情况，其中满载与空载对应朔黄铁路实际的煤炭运输方向和空车返回方向。测试信号分别取自中信盘、变送器盘和保护盘，为了保证测试的同步性，不同地点的测试装置及机车上、分相处和变电所内监测人员在测试前要进行时钟对时。

（1）进线侧电压波动分析。为了研究进线侧电压波动的规律，将测得的数据进行处理，提取变电所每次测试的最小相电压与最大相电流，变电所电源侧相电压随相电流的增大而减少，造成该现象的主要原因是:该区间内重车方向为下坡，机车长期处于低功率牵引或惰行方式运行，此时总牵引电流小。轻车方向为上坡，机车长期处于大功率牵引状态，因此牵引电流较大。通过对所有变电所进线侧相电压与相电流的关系进行分析发现，相电压总是随着电流的增大而减少，但两者不是线性关系。通过对多次数据进行对比，发现不仅不同牵引变电所相电压与相电流的关系曲线不相同，同一变电所不同车次的相电压与相电流关系曲线也不相同。造成该现象的主要原因是机车产生的无功功率与牵引功率有关，很难出现两次机车的牵引电流和无功功率完全相同的情况，因此相电流与相电压不存在确定的函数关系。

（2）当列车负荷很大时，变电所进线侧电压受到很大的影响，最严重时比额定电压低了11.5%。铁路牵引供电系统运行技术规程中规定:牵引供电系统电压偏差参照电力系统35kV的标准。因此此次测试结果表明，铁路部分变电所进线容量不能满足万吨重载的要求，需要扩能改造。馈线电压随着电流的增大而增大，这种现象比较明显;在AT供电方式中，由于受到钢轨电流流向的影响，电压随电流变化的比例要比直供方式小。牵引负荷增加之后，系统的损耗及无功损耗增大，造成实测的电压低于理论计算值。实测过程中发现，大部分直供区段内接触网末端网电压小于AT供电区间，这是由AT供电方式的特点导致的。在AT供电区段中，因为AT变电所并联于牵引网中，使得系统阻抗减少，供电电压大大提高，所以牵引网上电压损失和电

能损失都降低了。根据AT供电方式和直接供电方式的特点可知，在AT供电区段中的钢轨电流小于直供区段的钢轨电流，所以AT供电区段的钢轨电位较低。因此，相较于直接供电方式而言，AT供电方式是更适合于如重载这种大电流运行工况的牵引供电方式。

2.解决措施。通过研究发现，变电所进线电源和馈线均存在电压波动大及电压偏低等问题，在列车大量开行后，该问题将更加严重，会影响到列车的正常运行。经过对测得的电压、电流曲线进行分析，发现造成该现象的主要原因在于:一是系统阻抗较大，导致负荷增大后电压损失增大。系统阻抗比理论计算结果偏大，牵引负荷增大之后，线路电流增加，从而导致系统损耗增大，电流对电压的影响增加，电压波动范围增大。二是牵引负荷增大后，感性无功增加，而电容补偿的容性无功因母线电压降低而输出不足造成功率因数下降，电压损失增大。三是由于机车功率因数一般在0.78左右，因此负荷增大后牵引网电压损失随之增大。上述因素共同作用，造成接触网末端电压偏低，要解决这一问题，可以采取以下措施:一是增大系统进线电源供电能力。二是优化既有无功补偿方案。三是将牵引网最低电压水平不能满足机车正常运行要求的直供区段改造成AT供电方式。通过研究发现，重载列车开行后导致牵引电流上升，线路损耗加重，从而造成进线和馈线侧电压波动。当列车负荷很大时，变电所进线侧电压下降很严重，本次测试的四个变电所中，三个变电所最大下降比例超过了5%，最严重时比额定电压低了11.5%，超出了国家标准的要求。馈线侧受牵引负荷的影响更加严重，不论是AT供电方式还是直接供电方式，机车网电压均严重下降，影响了列车的正常运行。根据研究结果，朔黄铁路要开行万吨及以上的重载列车，要解决牵引网电压偏低的问题，需要从增大进线电源容量、优化无功补偿及AT供电方式改造三方面进行。

本文结合实例线牵引供电系统的具体情况，负荷特性的分类与综合是解决牵引负荷实测建模中时变性问题的有效途径。提升改造的方法以及行车组织等方面的应对策略，对目前电气化铁道长期过负荷这一普遍问题进行了详细分析。

参考文献：

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