铁路牵引供电的设计优化

曹永飞

（中国铁建电气化局集团有限公司北方分公司，太原 030000）

1 引言

目前，大型铁路枢纽设计多呈现为客货分开布局的模式，枢纽内部分别设有货运站和客运站，多道线路引进时通常以共站分场的方式来运行，还包含了车站、联络线、机务段以及动车站等地点的多类技术设备，若出现停电现象，将会严重阻碍运输流程正常运行，所以，大型枢纽需确保牵引供电系统的安全性和稳定性，对枢纽供电布局进行研究、完善显得非常重要。

2 工程概况

匈塞铁路塞尔维亚段铁路是单线电气化铁路。该线路加设双线后预设速度为160 km/h（线下预留200 km/h条件），曲线半径最小值为2 600 m，最大坡度5‰，电力机车/动车组牵引，轴重22.5 t，选用自动闭塞方法。整条铁路均按照欧洲铁路互联互通规定来设计及修建，1 435 mm标准轨距，双线，客货运是其重点所在，部分铁路段的预设速度限制为客车最高行驶速度200 km/h。

3 方案设计考虑因素

3.1 牵引供电能力及牵引供电设施分布

牵引供电系统需确保其稳定性、独立性以及全面性，在综合考量牵引供电设备布局和性能的基础上，得知供电方案的重要影响因素包含：（1）参照枢纽整体规划方案，统筹规划牵引供电设施的整体布局；（2）选用适宜的牵引供电方法；（3）枢纽内部和邻近路线的牵引供电设施间应着重考量其供电功能相容性、互相支援与相位匹配等；（4）运输系统不同，其供电方式也有所区别；（5）动车所、机务段等应配备单独电源，有益于后续运行检修；（6）跨越区域供电时，应考虑其和邻近牵引变电所的故障波及区域和互相支援功能等[1]。

3.2 牵引供电设施选址

牵引供电设施选址应和城市布局、地理环境状况、馈线路径、外部电源入线以及运行检修等要素相结合，在综合考量各方面因素后再选址。

3.3 供电分区划分

枢纽内部需按规定设置供电分区，尤其是在客货运体系中必须分别供电，普速、高速以及城际线段应尽量构建独立性较强的供电体系。参照独立性标准，供电系统能够在各个供电分束间、馈线间以及牵引变电所之间设置供电分区，以保障灵活供电和稳定供电，便于后续运行检修。

4 牵引供电系统概况

4.1 牵引供电系统构成

塞尔维亚电气化铁路选用单相、交流、工频（50 Hz）牵引供电系统，可从公共电网处直接用电，不用单独配置变频或发电设施，所以，牵引供电系统的构造与我国大体上保持一致，不同之处就是在电力机车之外，还应考虑某些轨道旁固定设施（道岔融雪、车辆预冷预热设备等）的取电要求。

4.2 外部电源的供电方式

外部电源的供电方式主要指电力体系和牵引变电所的连接方法，其由电力体系的布局状况和牵引负荷的用电级别所决定。塞尔维亚通常选用的输电电压级别为400 kV、220 kV、120 kV等，其中400 kV和220 kV输电网被视为重要网络，一般被用来在国际间进行传输，电气化铁路往往选用120 kV来当作外部电源输入电压[2]。

4.3 牵引网的供电方式

牵引网的供电方式取决于牵引网特别输电的经济性能和施工技术要求，按其设施的各种类型，可将其划分成1×25 kV和2×25 kV两类供电方法。塞尔维亚铁路1×25 kV供电方式如图1所示，其中电源线通常只为单线电气化铁路配置，一般是车站固定用电设施供应第2路电源，旨在提升供电的稳定性。

图1 铁路1×25 kV供电方式

塞尔维亚铁路2×25 kV供电系统分别选用了两大类型：120 kV/50 kV与120 kV/25 kV牵引变压器。在传输功率保持一致的情况下，2倍的供电电压会损伤1/4的系统，所以2×25 kV供电方法容许邻近的牵引变电所保持更远的距离。匈塞铁路塞尔维亚段目前选用单线电气化铁路，沿线牵引供电设备布局具备唯一性的特征，所以完善后仍选用1×25 kV牵引网供电方式，在运输总量增大后，以增设加强线的方式来满足用电要求。

5 牵引供电系统的技术特点

5.1 牵引变压器运行方式

有别于我国牵引变压器一主一辅的运行模式，塞尔维亚铁路牵引变电所配置的2台牵引变压器在正常运营状态中分别是左右两侧的供电臂来供电，如图2a所示；紧急状况下某个牵引变压器能够直接接管整所范围内的用电负荷，如图2b所示。

图2 牵引变压器运行模式

5.2 馈线断路器配置原则

有别于我国各条馈线独立配备1台断路器的方式，匈塞铁路牵引变电所内馈线断路器选用“1带2”的运营模式。在牵引变电所里，单线铁路的接触网络和电源线路一起使用1台断路器；而双线铁路的上、下行接触网一起使用1台断路器。

5.3 双线接触网并联方式

有别于我国将分区所、AT所以及下行接触网进行并联的方式，塞尔维亚电气化铁路在邻近的牵引变电所之间通常未能配置分区所，往往在每一车站加设开关场，以达到车站分束供电和上、下行接触网并联。

综上，塞尔维亚电气化铁路牵引变压器在其远近两端均达到了备用电源的，具备更好的稳定性；接触网着重划分供电分区，具备更好的灵活性；但鉴于其系统多部位的断路器为隔离开关所取代，导致其应对故障的速度和精准度有所不足。总体而言，塞尔维亚铁路牵引供电系统与我国铁路传统模式有所差异，为我国设计、建设牵引供电系统提供了更丰富的实际经验[3]。

6 铁路枢纽供电设计的思考

6.1 “由里向外”供电优化建议

6.1.1 设计现状

目前，铁路枢纽牵引供电系统一般选用“由里向外”供电方式，在综合考虑枢纽内部大型车场正线总量多、动车所或机务段应单独配置电路等特征，在负荷中心（枢纽大型车站）建设了1处牵引变电所，可同时为多条线路进行供电，并满足机务段和动车检修站等特别设备的用电需求。

6.1.2 存在问题

铁路枢纽构成“由里向外”供电模式一定会造成中心牵引变电所去负担呈辐射状的、范围更广的供电责任。牵引变电所配置牵引变压器和高压引进线路都选用100%固定备用，具有较高的稳定性和可靠性，但27.5 kV开关柜全部以单母线来设置，会出现停电波及区域广、跨区支援能力差以及影响设施检修等现象。

6.1.3 优化建议

当枢纽设计成“由里向外”供电布局时，可考虑在正常运行状态下把牵引变电所内1组牵引变压器分开运作，在紧急状态下互相备用，并去除备用牵引变压器组的完善措施。2个牵引变压器可分开，以单独的电源线连接在地方变电站上，并选用换相接线方法来减小其对电力体系的负面作用，旨在确保外部电源的稳定性。

6.2 “由外向里”供电优化建议

6.2.1 设计现状

当枢纽“由里向外”供电布局大致建成，且引进了新修线路时，为了避免变电所的供电区域增大，可能会改用“由外向里”的供电布局，即在枢纽外部重新修建牵引变电所，再为接轨车站供电，在新建的变电所即可达到跨区供电与末端并联。

6.2.2 存在问题

最新的线路选用“由外向里”的供电方式后，分区所附近区域会配置相应的牵引变电所，两座变电所的供电臂之间的距离较短，且不用末端并联来提升供电功能，造成分区所只能发挥50%的能力，降低利用效率。同时因为枢纽总方案设计不稳定，如果后续有新的线路从中间站接轨，在“由外向里”供电方式的基础下，难以符合车站各个正线的供电要求。

6.2.3 优化建议

当枢纽线路选用“由外向里”的供电方式时，可以将某一电分相安设在枢纽接轨站外部，中间站部位配置1处两进两出开闭所。开闭所用电主要来源于中间站上、下行接触网，将两道馈线牵引出来供电给引出枢纽侧区间接触网，电分相处配置联络开关，便于后续有需要时可跨区供电。优化方案将新修的分区所改为开闭所，即可充分发挥分区所的运行功能，也能够加强供电方式的灵活度。

6.3 动车所（存车场）供电优化建议

6.3.1 设计现状

鉴于大型枢纽车站多数为始发终至车辆，往往会配置存车区域或动车所以加快动车检修的速度和最优化运营。动车所或存在整备检验工作的存车场至少需满足两回电源供电，其中最少需有一回是独立电源。在设计期间，牵引变电所或开闭所往往会设置单独供电线来供动车所（存车场）取电。

6.3.2 存在问题

当开闭所供动车所（存车场）取电时，能够比较好地达到分束供电，但鉴于开闭所至少必须存在1路电源来源于牵引变电所，这时动车所（存车场）通常也具有从牵引变电所直接取电的基础，但经济性有所欠缺；当牵引变电所供动车所（存车场）取电时，鉴于牵引变电所27.5 kV对馈线区域有所限制且远离动车所（存车场），导致投入成本高，通常配置2条馈线供动车所（存车场）取电，对检修工作的灵活度产生负面影响，且施工技术差。

6.3.3 优化建议

1）当牵引变电所供动车所（存车场）取电时，可用2个断路器通过多个隔离开关以达到分束供电的目标。

2）为达到投资效益最优化，可牵引2路供电线到动车所（存车场）后再开展分束。

鉴于故障波及范围广、故障范围检测难等缘由，断路器“1带2”模式较少应用于我国双线铁路，但是供电给动车所（存车场）就是介于上述两种方案间的折中方式，也能兼顾经济效益和技术性。

7 结语

本文以匈塞铁路塞尔维亚段设计方案为基础，阐述了塞尔维亚电气化铁路牵引供电体系的技术特征，研究了完善枢纽牵引供电的方案，由此可知：（1）当枢纽设计选用“由里向外”供电布局时，可在新修的中心牵引变电所配置2架单相接线牵引变压器，正常状态下分别运行，紧急状况下相互备用，即可提升枢纽供电的稳定性；（2）当枢纽线路选用“由外向里”供电方式时，枢纽中间站位置可以新修开闭所，在为其余线路供电时也能够达到末端并联的目的，增强供电过程的灵活度；（3）动车所（存车场）经由牵引变电所经过两个断路器再通过多个隔离开关以达到分束供电的目的，在节省投资成本的同时，又可提升供电灵活度。