浅谈运输组织变化对列车能耗及列车电流的影响

项 杨



浅谈运输组织变化对列车能耗及列车电流的影响

项 杨

结合京广铁路北京局管段运输组织的发展趋势，梳理了运输组织可能发生的主要变化，通过列车牵引计算，定量分析运输组织变化对列车能耗及列车电流的影响，为今后列车开行方案的确定和牵引供电能力的适应性研究提供依据。

牵引供电；运输组织；列车能耗；列车电流

0 引言

铁路牵引供电系统为铁路运输服务，其供电能力需与铁路运输需求相适应。在正式运营的电气化铁路中，既有建设标准高的高速、重载铁路，也有大量建成于20世纪80、90年代，牵引供电系统标准较低的铁路。近年来，随着和谐号动车组及大功率和谐电力机车大量投入运行，既有线运输能力大幅提升，但部分配套的牵引供电系统未及时得到升级改造，供电能力不能满足运输需求，制约了运输能力的发挥。因此在运输组织发生变化后，必须校核牵引供电系统供电能力的适应性，确定供电能力是否与新的运输需求相匹配。而校核牵引供电能力，必须掌握列车能耗及列车电流的变化情况[1，2]。本文以京广铁路北京局管段（以下简称京广线）为例，分析运输组织的发展趋势及运输组织变化对列车能耗、列车电流的影响。

1 京广线运输组织现状及发展趋势

1.1 运输组织现状

现阶段京广线采用客货混跑的运输组织模式。根据2015年铁路运行图，京广线旅客运输主要为韶山系列、HXD系列电力机车牵引普速旅客列车和动车组（CRH5型），限速160 km/h。普通旅客列车牵引辆数17～19辆；动车组为重联车组，16辆编组。货物列车主要为货运班列（运行速度 120 km/h）、普通货运列车（含摘挂列车，运行速度80 km/h）。货运班列牵引类型为HXD2B，牵引质量不超过2 500 t；直达、直通、区段货运列车牵引主要由HXD2B机车承担，牵引质量为5 500 t（超轴6 000 t）；摘挂列车牵引类型为DF4，牵引质量4 200 t（超轴4 500 t）。京广线采用双线自动闭塞制式，信号机按6 min追踪间隔布置，货车追踪间隔7 min，部分区段8 min；客车追踪间隔 6 min。

1.2 运输组织发展趋势

京广铁路（北京西—广州）是贯通我国南北的重要铁路干线，长期处于“保客压货”状态，沿线货运需求难以得到充分满足。随着京广高铁（北京西—广州南）的贯通，京广通道内逐渐形成既有普速铁路和高速铁路的4线格局，旅客运输将逐步转移至高速铁路。至2020年，京广铁路将承担全部货物运输及少量客运任务，其长期“保客压货”运输状态将得到缓解，运输能力将得到释放。京广线的运输组织可能发生以下变化：

（1）电力机车牵引功率增加。客运电力机车额定牵引功率由SS8的3 600 kW、SS9的4 800 kW提升为HXD系列的7 200 kW。从运输部门获取的资料显示，2015年京广线开行的旅客列车中，由HXD系列电力机车牵引的接近一半，随着老车型的升级换代，作为替代车型的HXD系列机车占比逐年增加；货运方面，除少量摘挂、零担列车采用DF4内燃机车牵引外，普通货车、货运班列均由大功率HXD机车牵引。大功率HXD系列电力机车将成为京广线客货列车牵引的主流配置。

（2）牵引质量提高。京广线牵引定数为 5 000 t，实际开行的普通货车牵引质量为5 500 t，超轴牵引质量为6 000 t。中国铁路总公司关于京广线改造的批复文件中明确要求按照6 000 t牵引质量校核，京广线将来可能会开行牵引质量6 000 t的货运列车。

（3）货运列车运行速度提高，可能由目前的80 km/h提高至100 km/h。

（4）追踪间隔缩短。京广线信号系统升级改造正在实施，信号机按货车6 min、客车5 min的追踪间隔布置。改造完成后，京广线货车追踪间隔很可能由现在的7 min缩短为6 min。

2 列车牵引计算

列车牵引计算的目的是求解出列车在供电分区的走行时分、给电走行时分（或称为“牵引时间”）及列车能耗，进一步计算列车在供电分区给电运行的平均电流，为牵引供电能力的计算分析提供基础数据。列车牵引计算采用牵引电算程序2.0版[4]，对单列车进行仿真，采用多质点系、时间步长。该电算程序在国内有关提速、高速铁路的研究工作中得到了广泛应用。牵引计算流程如下：

（1）从工务部门获取线路资料，包括线路坡度、曲线、桥梁隧道等，按照软件要求编制规定的文件格式，并保存为线路文件；

（2）从行车部门获取运行图技术资料，包括机车/车辆类型、机车特性曲线等，按照软件要求编制并保存为机车车辆文件；

（3）按需要对机车、车辆进行编组，保存为编组文件；

（4）设置牵引计算条件（停靠站、停站时分、计算范围和初速）；

（5）读入线路文件、机车车辆文件和编组文件，进行牵引计算；

（6）牵引计算结束，保存结果。

牵引计算流程见图1。

3 列车电流

列车在供电分区给电运行时的平均电流计算式为

式中，为列车通过供电分区的能耗，kV·A·h；g为列车通过供电分区的给电走行时分，min；为牵引网额定电压25 kV。

列车在供电分区给电运行时的有效电流为

e=e= 1.05（A） （2）

图1 牵引计算流程

4 运输组织变化对列车能耗及电流的影响

根据上述京广线运输组织的变化趋势，假设机车牵引功率、牵引质量及运行速度3个变量中，每次只有1个变量发生变化，其他2个变量保持不变，外界条件一致。牵引计算仿真条件设定：

（1）计算范围选取线路条件较好的于家庄—新安村区间，线路长度96.7 km；

（2）列车运行方式为直接通过，中途不停站。

4.1 机车额定牵引功率变化

列车编组为19辆客车，运行速度为160 km/h，牵引机车由SS9（4 800 kW）变更为HXD3（7 200 kW）。计算结果见表1，各区段列车能耗及列车电流值对比见图2、图3。表1中能耗比及电流比为变化后列车数据与变化前列车数据之比（下同）。

可以看出，在于家庄—新安村上行区间，采用大功率HXD3机车牵引后，列车能耗增加约3%，给电运行时分增加5%，列车给电平均电流减小2%；在于家庄—新安村下行区间，列车能耗增加10%，给电运行时分增加3%，列车给电平均电流增加6%。总体来讲，在其他条件相同的情况下，列车采用HXD3大功率机车牵引与SS9机车相比，列车能耗有所增加，但给电平均电流变化不大。

图2 列车能耗对比（a）

图3 列车给电平均电流对比（a）

4.2 牵引质量变化

列车牵引质量由5 500 t增加到6 000 t，采用HXD2B机车牵引，运行速度80 km/h。牵引计算结果见表2，各区段能耗及电流值对比见图4、图5。

表2 列车能耗及电流对比表（不同牵引质量）

图4 列车能耗对比（b）

图5 列车给电平均电流对比（b）

由表2可知，牵引质量由5 500 t增加到 6 000 t后，能耗增加8%，给电运行时分基本不变，列车给电平均电流增加约8%。在同一供电分区内，同时存在多列车时，该增量需要重视。

4.3 运行速度变化

货车运行速度由80 km/h提高到100 km/h，采用HXD2B机车牵引，牵引质量6 000 t。牵引计算结果见表3，各区段能耗及电流对比见图6、图7。

表3 列车能耗及电流对比（不同运行速度）

图6 列车能耗对比（c）

图7 列车给电平均电流对比（c）

由表3可知，列车运行速度由80 km/h提高至100 km/h时，于家庄—新安村下行能耗增加18%，给电运行时分减少20%，列车给电平均电流增加46%；于家庄—新安村上行能耗增加26%，给电运行时分减少18%，列车给电平均电流增加54%。由此可见，列车运行速度由80 km/h提高至100 km/h时对列车能耗，尤其是对列车电流影响较大。

4.4 追踪间隔变化

列车追踪间隔变化对单列车的能耗及电流没有影响，但决定一个供电分区内运行的列车数量，是影响供电需求的重要因素之一。

5 结论

根据京广线运输的发展趋势可能造成机车牵引功率、机车牵引质量、运行速度、追踪间隔等变化，通过列车牵引计算，分析各种变化对列车能耗及列车电流的影响。通过对比分析可知：列车速度由80 km/h提高到100 km/h对列车能耗及列车电流影响最大，能耗增加约2成，列车给电平均电流增加一半；牵引质量由5 500 t提高到6 000 t对列车能耗和列车电流影响较大，都增加约1成，但在同一供电分区存在多列车时，累积效应明显，需要重视；变更大功率机车对列车能耗及列车电流影响不大；列车追踪间隔变化对单列车的能耗及电流没有影响，但决定着一个供电分区内的列车数量。其他区段的计算数据因线路状况差异会有所不同，但结论相同。

后续可根据京广线列车运行速度、牵引质量、追踪间隔的变化情况，组合排出列车开行方案，校核现有牵引供电系统的供电能力[2]是否满足开行方案的需求，也可以为牵引供电系统的升级改造提供依据。

[1] 曹建猷. 电气化铁道供电系统[M]. 北京：中国铁道出版社，1983：26-30.

[2] 缪耀珊，曹东白. 电气化铁道设计手册牵引供电系统[M]. 北京：中国铁道出版社，1988.

[3] 崔久玲. 提高京广线货运能力的对策研究[J]. 铁道货运，2015（8）：12-14.

[4] 牵引电算程序2.0版使用说明书. 铁道部科学研究院机车车辆研究所，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

项 杨.中国铁路北京局集团有限公司供电处，工程师。