电气化铁路牵引供电容量优化的研究

文稳利

（中铁十七局集团电气化工程有限公司，山西太原030000）

0 引言

近年来，在社会经济发展速度不断加快的同时，对于铁路运力的需求在不断提高，特别是在电气化铁路牵引供电系统方面，要求明显提升。当前，已经投入运行的电气化铁路在初期的运量普遍偏低，暴露出来的问题颇多。对此，技术人员要加强关注，将重点放在容量问题方面，深入剖析和研究，不断优化和创新，促进系统运行的稳定性和可靠性，进而从整体的角度上提升效益。

1 电气化铁路牵引供电容量优化的必要性

1.1 电气化铁路牵引供电系统概述

在铁路系统运行过程中，牵引供电系统是其中极为重要的部分，可以确保系统能力得到充分发挥。该系统在实际应用期间，为铁路列车的安全、稳定运行提供保障，为列车提供质量更高且更加稳定的电能。与一般的线路所存在的问题区别很大，因为电气化铁路中电力牵引系统所需要的牵引功率要比常规大许多，因此对电力水平也有很高的要求，弓网作用关系的烦琐性明显。所以，这种特点的出现，使得对其牵引供电系统的供电能力提出了更高要求，电力稳定性也较强，只有在各种条件下均达到标准，输送给列车的电力才会安全而有效。同时，铁路的牵引系统在运营阶段，对功率要求较大、谐波含量低等特征也比较明显[1]。

1.2 牵引供电系统构成

铁路大多应用的是电力机车牵引，需要的功率比较大，速度极快，要想保证电能充足，需要有专门的外部设备作保障。而针对牵引供电而言，具体是指在电气化铁路上由动力系统向输电网络接引供电，经过降压转换后，将电能直接输送给为电力机车供电的电力网络。在当前铁路运行阶段，应用的牵引供电系统实际可以分成两个方面，一方面为牵引变电所，另一方面为牵引网。其中，牵引变电所发挥的经济价值极大，可转换为电力，也可以对电能严格控制。在实际的工作中，对电力系统所供给的电能合理变化，以保证能够适应电力牵引系统及其供电方案所要求的电能，以便真正意义上实现三相交流一次供电和单相电力牵引系统共同变化的目标。在转变过程中，牵引变压器属于至关重要的部件。而对牵引网来说，能使电力机车直接送电的工作已经完成。而对于牵引网而言，能将电力机车送电的工作顺利完成。通常情况下，在铁路沿线，建立的牵引变电所很多，数量能达到上千个，可以将110kV、220kV 的电压借助先进的技术手段，合理转变为27.5kV、2×27.5kV 的电压，之后再经过牵引网，顺利将电力机车供电过程全部完成。由于供电方式存在的差异性很显著，所以在牵引网内部，还囊括了很多辅助设施[2]。

1.3 铁路牵引变电所主变压器接线

所谓的牵引变压器，是牵引系统供电中非常重要的装置之一，起到的影响较大，其形式的选用与牵引供电能力和工程投资等有直接关系。如果所选用牵引变压器与接线形式之间存在的差异过多，会造成整个供电系统出现运行速度不平衡的状况。其中，牵引变压器是整个牵引变电所中的重点装置，一般有两个，一主一备，定期倒换运行。由于技术水平的不断提升，我国在高速铁路方面的投入也越来越多，从各个方面进行了规划，整体的速度更快，密度也明显上升，有效提升了牵引供电主变压器和外部电源能力，实现了系统的高效稳定运行。就目前来看，电气化铁路应用的牵引变压器接线形式类型非常多，依照我国规划的铁路现状可以看出，纯单相接线这种设计手段的使用比较常见。如果电源容量不大，可以对Vx 接线方式高效利用[3]。

一是纯单相接线牵引变压器。经分析可知，单相变压器能够向负载供给较大电压，而且与额定电流保持一致。与常见的设备不同，这种变压器并没有对电力产生太大的消耗，具有容量利用效率较高、能量消耗低、构造简易、设备投资较少、占地面积小、运营维修简单、可以合理使用列车的再生制动力系统等特点，展现出来的优势非常多。同时，在一般条件下，使用纯单相接线牵引变压器较使用其他接地形式牵引变压器降低一半的接触网电分相量，可更好的与铁路的高速运动相匹配，因此其在铁路上也获得了大范围应用。但因为使用该接地方式对电力系统的负序影响较大，所以这种变电所一般只应用在供电条件较强的地区[4]。

二是V 接线牵引变压器。针对这一设备来说，国内外的应用都比较普遍。通过对V 接线牵引变压器的研究，确定了接线牵引变压器在实际应用期间，次边绕组电流与供电臂电流相同，容量能满足既定要求，并且其供电容量也可以得以充分利用。为使接头牵引变压器可以更好地适应铁路的技术条件，将它运用在2×27.5kV 的AT 系统中，可以将变电所内的自耦变压器全部省略，对二次侧中点抽出式单相接线牵引变压器进行使用，效率更高，对系统的运行可靠性有很大帮助。

1.4 电气化铁路牵引供电容量优化的必要性

现阶段，在对电气化铁路进行设计的过程中，主要可以体现在两个方面，一方面为近期规划，另一方面为远期规划。在此过程中，因为牵引系统是其中不能缺少的关键设备，所以必须以远期规划为基础，科学而合理地实施总体设计，最好达到设计一次便可实现的目标，从而使得铁路的可持续发展要求能得以实现。在具体的铁路系统运营阶段，其所需要的运输能力对牵引电力容量也会形成不同程度的影响。然而，不论是在近期计划或远期规划中，在实际的运输环节上，均有着较大区别。经分析，近期的需求一般很小，但远期却有着非常大的需求。

同时，由于区域的不同，经济发展存在的差异也非常显著，最终导致运输需求出现了很大的不确定性。这一情况的存在，给牵引供电系统的设计带来了很大难度，也让设计面临了较大挑战，一旦某个环节没有注意到，很有可能导致设计缺乏实效性。在设计环节，若将近期运行作为设计的依据，极易出现在短时间内不能平稳运行的问题。故而，设计人员在组织开展电气化铁路牵引供电容量设计期间，必须提高重视程度，从不同角度分析和考虑，采取先进的方式方法，加大优化设计力度。就目前来看，已经投入运行的电气化铁路，在初期阶段，运量普遍偏低，供电能力的利用率相对较低，最终导致大量资源被浪费。对此，需要将实际现状作为核心，制订灵活性更强的牵引供电运行方案，在确保系统运行的稳定性、安全性以及可靠性的前提下，最大限度地节约运行成本，以便牵引供电容量利用率能整体提升[5]。

2 电气化铁路牵引供电容量优化方案

当前，针对已经开通的高速铁路，在运行的初期阶段，运量整体偏小，根本不能达到设计的发车密度，最终导致电气化铁路牵引供电能力的利用率偏低，随之而来的便是牵引供电资源出现了过剩问题，甚至还要面临巨额运行费用的支出问题，造成的后果极大，对牵引供电系统运行经济性的持续提升非常不利。故而，相关技术人员在研究期间，必须将电气化铁路牵引供电系统的运行现状作为基础，借助相对科学的方式，对牵引供电容量进行不断优化，并有针对性地制定优化措施。

一是将系统运行的具体情况作为依托，停止部分变电所，然后让邻近的变电所提供电能，借助减少变电所数量的方式来对电能的利用率进行提升，保证能从根源规避资源浪费问题，实现资源利用最大化。

二是在综合现状的基础上，采取更改接线的方式，改变以往的线路，让其从Vx 转变为Ii，确保单相变压器数量能合理减少，进而达到对供电容量全面节约的目标。

3 电气化铁路牵引供电容量优化方案的可行性分析

为了能到达到电气化铁路牵引供电容量全面优化和改进的目的，在实际的工作阶段，相关人员应该以制订的优化方案为基础，对其可行性进行综合对比研究。在对方案进行可行性分析环节，对牵引供电系统的供电指标精准计算，同时将计算的结果作为依据，借助合理的手段，对全并联AT 供电系统的仿真模型加以构建，将涉及到的内容都涵盖其中，注入外部电源、牵引变压器、牵引网等，确保仿真模型的作用能充分凸显出来。同时，在Matlab/Simulink 仿真平台中，技术人员可以对模型科学建立，准确地分析牵引网电压水平，合理地展开计算和研究，然后结合所获得的数据信息，及时对三相电压不平衡度实施校验工作。

在进行三相电压不平衡度校验期间，应该从两个方面展开，一方面，分析全并联AT 供电系统的阻抗特性，掌握实际情况，并将电气化铁路牵引供电容量优化方案一的牵引网抗阻能力比方案二弱的特点作为依据，合理地开展工作。另一方面，在供电系统的运行阶段，对其牵引网电压水平仿真进行深入分析。通过对电气化铁路牵引供电容量优化方案二的研究可以明确，虽然将接线由Vx 转变为Ii，但依然能获得2×27.5kVAT 供电的支持，并且线路在运行过程中，电压一直处于稳定的运行状态。

在电气化铁路牵引供电系统运行期间，通过对变压器温升和寿命损失情况的进一步计算可以明确，在对电气化铁路牵引供电容量优化方案一和方案二进行对比之后，具体可以体现在两个方面：一方面，对部分牵引变电所采取停运措施，在这种情况下，变压器温升和寿命损失会出现显著增长的现象，但不会达到限值。一般情况下，温升的最高温度能达到140℃，寿命损失限值具体是24h，与供电容量优化的要求能达到一致。由此可见，方案二具有很强的可行性。而为了能将电气化铁路牵引供电容量优化方案的效果和价值充分发挥出来，相关人员在实际处理期间，应该对变压器温升、寿命损失以及供电系统优化运行之间的关联性处理好，保证系统在实际运行期间，整个过程能更加高效且安全，减少问题的出现。同时，在对电气化铁路牵引供电容量进行优化期间，为增强优化的有效性，将接线改为Vx，此时，牵引变压器温升能达到接近140℃的限值，即便如此，寿命损失依旧与既定的限值距离很远，因此可以达到实际运行标准件和需求。通过深入地分析和研究，制订的优化方案有很高的可行性。但需要明确的是：在对电气化铁路牵引供电容量优化方案二的选择和利用过程中，相关人员必须多加留意，对变压器寿命损失利用率的各种干扰因素充分研究，并在掌握具体情况的基础上，对方案进一步改进，进而增强方案的可行性。

4 电气化铁路牵引供电容量优化方案的应用结果分析

经过对电气化铁路的牵引供电系统容量优化方案一和方案二的分析可以确定，两者均存在着一定的可行性，并且两种方案均能适应供电系统容量优化的实际需要。

一方面，各技术指标均能与我国既定的经济条件与国际标准相吻合，可以为电气化铁路列车的高效且稳定运行奠定坚实基础。

另一方面，通过对电能容量的提高与创新，以达到对线路建设所投入成本全面节约的目标，并有效地对能源无意义耗费问题进行了规避，尽可能地与发达国家有关节能降耗方面的技术标准与规定保持一致，从而真正做到了综合经济效益最佳的目标，并借此为中国铁路建设事业可持续发展进程的有效推动奠定了坚实基础。

牵引变压器温升受到的干扰因素比较多，其中最为明显的便是牵引负荷大小的影响。如果牵引变压器的绕组温度达到一定限度，对变压器产生的干扰极大，会导致变压器寿命缩短，而一旦变压器寿命损失，随着温度的不断升高，暴露出来的问题也会越来越严重。但是，通过对优化方案的实施和利用，虽然牵引变压器绕组温度、寿命损失也会跟随牵引负荷的增加而增长，但始终不会超过既定的限值，能有效促进牵引变压器寿命损失利用率的提升，也能实现对容量利用率稳定提高的目标。因此，从温升和寿命损失的层面考量，制订的优化方案十分可行。

5 结语

综上所述，在国民经济高速发展的新时期下，对铁路运输的需求也明显增大，在这种背景下，对技术的研发和应用也提出了新的要求。因此，在铁路建设中，电气化铁路牵引供电系统作为不可缺少的关键部分，必须加强重视，除了要对其负载能力予以提升之外，也要尽快解决当前存在的容量过剩问题，保证系统供电能力充分利用的同时，资源还不会出现浪费，切实达到电气化铁路牵引供电系统运行效益最大化目的。