摘要：由于列车的牵引功率高、牵引电流大，会对牵引供电系统的网压、功率因数等都造成影响，并给电网的运行质量带来危害，而且严重降低牵引供电系统的安全性。因此，需对列车运行时对牵引供电系统的影响进行研究，分析可能造成的问题，并给出其解决方案。通过本课题的研究，可以明确列车对牵引供电系统的影响，提前发现可能给运营安全带来的隐患，从而有针对性地研究解决措施，为列车的幵行提供有力的支持，因此具备十分重要的工程意义。
关键词：铁路；牵引负荷；供电系统；电压影响
前言
牵引供电系统是铁路的动力来源，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。
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铁路。测试时运行的万吨列车采用的是SS4B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。
2、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，两者关系如图1所示。变电所电源侧相电压随相电流的增大而减少，但图1中重车方向牵引电流远小于轻车方向。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。
图1
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。整理各变电所的测试数据后，得到进线侧最低电压和最大电压波动如表1所示。
表 1 各测试牵引变电所进线侧最低电压和最大电压波动
从表1中可以看出，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%。根据我国国家标准GB12325—1990《电能质量供电电压允许偏差》的要求：35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%。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，朔黄铁路部分变电所进线容量不能满足万吨的要求，需要扩能改造。
3、馈线侧电压稳定性分析
图2所示给出了某AT变电所馈线侧的电压电流波形图，图3所示给出了某直供变电所馈线侧的电压与电流波形图。
图3
从图2中可以看出，馈线电压随着电流的增大而增大，对比图2与图3可以看出在直供方式的变电所中，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。表2所示为测试前理论计算得到的各变电所馈线侧最低电压。在四个测试变电所中，实测的机车最低电压均低于表2中计算值，这表明接触网在传输能量的过程中存在一定的损失。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。
表 2 机车最低电压计算值
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这种大电流运行工况的牵引供电方式。
4、影响电压稳定性的原因及解决措施
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，在万吨列车大量开行后，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：
1）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。
2）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。
3）由于采用SS4B型机车，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：
1）增大系统进线电源供电能力。
2）优化既有无功补偿方案。
3）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。
5、结束语
朔黄线路的运输能力日趋紧张，开行万吨以上的列车势在必行。通过研究发现，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。
参考文献：
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[3]吴帆.基于实测数据的牵引变电所运行特性仿真及评价[D].成都西南交通大学，2009.
论文作者:庞月霞
论文发表刊物:《基层建设》2019年第20期
论文发表时间:2019/9/20
标签：电压论文; 变电所论文; 电流论文; 方式论文; 列车论文; 供电系统论文; 机车论文; 《基层建设》2019年第20期论文;