神朔重载铁路扩能工程电气化新技术

杨振龙

0 引言

神朔重载铁路西接包神线和西延线，东连北同蒲线和朔黄线，是承接我国“三西”煤炭外的重要运输通道。该铁路于2000年10月全线电气化通车。投入运营以来，至2006年虽进行过增建第二线、自动闭塞、对朱盖塔等7个车站的站改工程等扩能改造，在一定程度上可缓解该线的运输压力，但随着我国能源需求的强劲增长和煤炭运输量的快速增加，神朔线能力紧张问题越来越严重，作为大秦铁路和朔黄铁路的前方重要通路，既有神朔铁路已不能满足日益增长的煤炭外运需求，因此安排了该线的万吨列车扩能改造工程。为了实现逐年增加运量的目的，对其中成为瓶颈的部分区段的电气化供电能力进行了应急加强，并在电气化工程和设计中采用了一些新技术。

1 线路与供电

1.1 线路能力

既有神朔线线路输送能力为14 900万 t/年。2006年神朔线完成运量12 800万t，2007年神朔线计划完成14 500万t，线路能力已趋于饱和。

设计神朔铁路万吨扩能最大货流密度区段2010年为20 000万t；2015年为22 000万t。煤炭运量占运输总量比重的98%以上。

远景年输送能力3亿t，客车1对。

1.2 电气化供电方案

（1）既有神朔线电气化铁道大柳塔—桥头镇为带回流线的直接供电方式；桥头镇—神池南为AT供电方式；神池南—朔西为带回流线的直接供电方式。

（2）神朔线电气化铁道开行万吨列车扩能方案将桥头镇—王家寨既有AT供电方式改造为带回流线的直接供电方式，其余区段维持既有供电方式不变。新建朱盖塔、南梁、桥头镇直供牵引站共3座，对不能满足容量需求的牵引变压器予以更换，增设分区所、AT所，单线铁路供电方式改为 AT方式。

2 电气化新技术

2.1 阴塔牵引站超大容量SVC应急工程[1]

神朔线既有牵引系统中的薄弱环节在桥头分区所处。由于系统短路容量小，行车密度大，重车连续上坡牵引负载大，SS4型交直机车功率因数低等原因，桥头分区所的2条供电臂末端电压水平偏低，阴塔—桥头供电臂尤为严重。为了完成 2007年神朔线年运量1.5亿t的运输能力，当年年初启动了“加强神朔铁路牵引供电能力”应急工程，工程内容包括：调整阴塔、神池南电分相位置，改阴塔至桥头镇供电臂重车方向接触线为铜合金导线，在阴塔牵引站增设动态补偿装置等。

原SVC方案在Scott牵引变压器每座（相）设置3，5，7次滤波补偿以及可调电抗支路。补偿支路通过隔离开关和双极真空断路器接入 55 kV母线。电容器额定电压9 kV、额定容量400 kvar，4串多并构成电容器组。桥头臂3，5，7次补偿支路电容量分别为28.8，16，16 Mvar，总计60.8 Mvar，相控电抗器28.73 Mvar；韩家楼臂3，5，7次补偿支路电容量分别为22.4，12.8，12.8 Mvar，总计48 Mvar，相控电抗器21.83 Mvar。

考虑了场地、工期、SVC装置运行稳定以及电力系统在义井地区变电站采用了SVC综合补偿等因素，从解决主要问题出发，设计中对动态补偿方案进行了以下优化：

（1）只在阴塔牵引站桥头镇一侧安装动态补偿装置。

（2）取消原来的5，7次滤波支路，滤波支路设为2个3次滤波支路，总补偿出力容量不变。

（3）桥头镇牵引站建成后，桥头镇分相装置两侧网压低的问题可得到解决，届时阴塔至桥头镇的动态补偿装置作用就不再明显，可将其中一个支路拨接到韩家楼臂，实现平衡补偿。

设计中采用了以下新技术：

（1）取消原来滤波电容支路接地的中性点，每支路只有一组电容器和一组电抗器。

（2）电容支路采用110 kV双极FS6断路器。

（3）采用集合式电容器，单台8 900 kvar，额定电压40 kV，每支路电容器2串2并。

如此，首次在国内电气化铁道牵引站形成电容量为71 200 kvar、以提高电压为主要目的的超大容量SVC装置。

值得指出的是，桥头镇牵引站建成投产后，阴塔牵引站SVC容量过剩，曾做过将其中一个电容支路的电容器退出一串，补偿度由12%变为6%作为 5次滤波器的试验，试验表明该支路运行不稳定，反过来看，设计优化是正确的。

2.2 先期实施桥头牵引站工程

考虑到新建牵引站外部电源工程的困难以及开行万吨列车必须先进行有关的试验等因素，2007年6月，按开行万吨列车方案，安排了先期实施新建桥头牵引站工程项目，工程内容包括新建桥头牵引站、新建保德、王家寨分区所及重车方向自动过分相等。

新建桥头牵引站在既有桥头AT与直供混合方式分区所原址建设，站址非常困难，地处山区，地形狭小、复杂，该处并非铁路车站，其上行端为隧道口，下行端是大桥，右线为峭壁，左线紧邻分区所原址，距铁路60 m是神池—保德省道，铁路与公路高差约20 m。从公路到桥头分区所，汽车须上盘山道，牵引变压器只能靠铁路驳运。

虑及供电能力、越区供电方便以及既有的牵引网供电方式，原设计桥头牵引站—王家寨供电臂维持AT方式，桥头牵引站—保德供电臂维持直供加回流线方式，牵引变压器采用Vy接线型式。后根据意见，桥头牵引站采用直供方式。

工程设计中采用了以下新技术：

（1）110 kV高压设备采用GIS组合电器。结合桥头极端最低气温-38℃的气象条件，采用110 kV室内型GIS高压设备，可减少110 kV高压设备占地面积，以适应场地条件。

（2）牵引变压器无励磁调压分接范围为（110±3）×2.5% kV。考虑了牵引站投产后近几年地区电网尚不发达，电源电压偏低，但是远期该地区规划有多个发电厂，将来电源电压会偏高的因素，设计加大了调压分接范围以适应电源电压的大幅度变化，可延长牵引变压器使用期限。

（3）牵引变压器阻抗电压采用8.0%。估计该线电力机车更换为交流传动机车的时间较长，SS4型直流传动机车还要运行相当长时间。由于SS4机车功率因数低，电源短路容量小，采用较低的短路阻抗有利于电压调整和功率因数的提高。

（4）补偿装置容量比2∶1分组投切、大出力集合式电容器、带5次滤波抽头干式空心电抗器。新建桥头镇牵引站每牵引侧每相母线设 2套并联补偿装置，安装容量均为（6 000 ＋ 3 200）kvar，分组投切以适应负载变化。采用集合式电容器以减少占地面积。电容器额定基波电压32.8 kV，设计额定耐受电压43.7 kV，出力大。与3 200 kvar电容器适配的电抗器基本补偿度为11.7%，作为3次滤波装置，另外增加了4.5%抽头，可改变为5次滤波装置，根据需要可灵活使用。

（5）王家寨 AT与直供分区所在国内电铁行业首次采用32 MV · A最大容量AT变压器。设计考虑按AT变压器一主一备的运行方式和备用原则以及越区供电能力的需要。

（6）在重车上坡的电分相处采用机车带负荷通过电分相的自动过分相装置。由于列车运行的坡道阻力很大，电力机车取流就很大，普通的电分相对列车牵引力、运行速度影响非常大，甚至可能引起机车在无电区时“途停”，造成行车事故。因此采用了地面开关切换的相分段自动转换装置，该自动过分相装置工作原理见图1。

图1 相分段自动转换装置系统工作原理图

在接触网分相处嵌入一个中性段，其两端分别由绝缘器1JY、2JY与两相接触网绝缘。1JY、2JY采用锚段关节结构空气绝缘，以保证机车受电弓滑过时能连续受流。2台真空负荷开关1ZK、2ZK及其串联、并联备有真空开关 3ZK、4ZK、11ZK、22ZK分别跨接在1JY、2JY上，使两相接触网能通过它们轮流向中性段供电。在线路边设置3台列车位置传感器CG1、CG2、CG3，由它们将机车位置信息发送给控制屏，经逻辑运算发出相应命令控制开关动作，实现中性段供电相位的自动转换，机车可带负荷通过相分段。

2.3 南梁牵引站工程

为了满足开行万吨列车试验的需要，在扩能工程中紧接着安排了新建南梁牵引站工程。该所选址位于转龙湾隧道东口，场坪是劈土山开出来的，地形狭小。设计除了110 kV高压设备采用GIS组合电器外，室外高压设备采用了紧凑型布置方案。

工程中采用了以下新技术：

（1）高压设备楼房布置，27.5 kV高压室在一层，110 kV气体绝缘GIS设备在二层。

（2）110 kV电源进线与牵引变压器在高压开关同侧布置，充分利用防火距离空间，110 kV电源居中，牵引变压器在两边。

（3）支持 110 kV出线到牵引变压器导线的110 kV绝缘子和悬挂27.5 kV进线绝缘子的门型架构合用，避免采用27.5 kV电缆进线。

（4）110 kV避雷线越过高压室楼顶锚接在27.5 kV馈线铁塔，提高了防雷水平。

2.4 新型AT供电方案

考虑到大柳塔至南梁段新增朱盖塔、南梁牵引站的方案存在供电臂较短，电分相过多，外部电源投资大，所址选择难以及基本电费支出高等缺点，笔者结合该段电气化铁道的实际情况，提出了一种不同于传统方式的新型AT方式供电方案，见图2。

图2 大柳塔—南梁段新型AT方式供电方案示意图

新型AT方式供电方案特点：

（1）上下行共用一路正馈（AF）线，采用大截面导线技术[2]，AF线可用2×LGJ-240。

（2）采用V/x接线变压器并增容[1]，T线圈容量等于高压侧线圈容量，利用既有场地增设 2×27.5 kV馈线设备，T线进既有高压室，高压室进、馈线维持不变，每方向只一路AF线引出。

（3）供电臂中的 AT所、开闭所以及末端分区所只设1台大容量（32 MVA）AT变压器，只设T线的母线，AF线传输的功率经AT变压器反相后其T线以及上下行接触网引线共同纽接在T线的母线。

（4）不改造接触网，工程对运输影响小。

（5）当出现AT变压器等故障不能构成AT方式时，牵引网可恢复成直接供电方式，若AF线正常还可作为加强线使用，供电容量不减少，AT所、开闭所以及末端分区所的 T线母线是直接供电方式的并联点。

（6）由于采用 AT方式提高了传输电压、增加了并联点使上下行接触网同时传输功率，因此这种可以灵活输电的新型AT方案在坡度大的电气化铁道上不仅对于运行交直机车具有节能、提高供电能力的效果，而且更能适应具有高功率因数和再生制动功能的交流传动机车运行，其下坡制动机车产生的电能可就近被附近出力的机车使用，节能效果更好。

3 结束语

2009年11月，南梁牵引站投产，其高压设备、电容补偿等设备与2008年11月投产的桥头牵引站一样，经历开行由4台SS4机牵引的万吨列车考验，验证了采用新技术的设计方案、设备选择的正确性。

希望本文介绍的神朔重载铁路扩能电气化新技术能为电气化铁道工作者提供有益的借鉴，在既有直接供电方式电气化铁道改造为AT方式的扩能工程中，本文介绍的新型AT方式提供了一种可选择的供电方案，通过实践可进一步完善，成为我国电气化铁道技术发展的一项贡献。

[1]杨振龙.V/X接线牵引变压器的研究和应用[J].电气化铁道，2004，（4）.

[2]易辉，纪建民.交流架空线路新型输电技术[M].北京：中国电力出版社，2006.