提高对电气化铁路牵引电源的利用的探讨

田桂英

提高对电气化铁路牵引电源的利用的探讨

田桂英

介绍了在电气化铁路区段采用新技术、新设备，解决接触网牵引电源由于供电品质低，供电范围受限的问题，使牵引电源得到充分利用，大大节省了修建6 kV电力线路的投资。

电气化铁路；接触网；牵引电源

在电气化铁路区段，接触网是特有的、沿路轨架设的、为电力机车或电动车组提供电能的特殊牵引电源线路。电铁牵引负荷是移动、幅值变化大而又频繁的特殊负荷。接触网供电的电压波动频繁、波动幅度及范围均较大，电压谐波失真较为严重。特别是在高坡区段及大牵引电流区段，因升降引起的电源中的不平衡、严重波形失真和尖峰脉冲、多次谐波干扰等影响更为严重。这就使牵引电源的利用受到了极大的限制。电能的储存是困扰各国科学家的难题，电力的生产和消费几乎是同时发生的，加大对牵引电源资源的利用有着极为重要的意义。

1 设备现状及存在的问题

（1）车站铁路信号系统担负着行车设备的运行状况、列车运行的实时状态、运输调度的指令控制等信息的传递与监控任务，属一级负荷。改造前，云冈沟各车站两路电源均使用所在地点各个矿提供的地方电源，存在两路电源同时停电的可能性，给矿山铁路分公司的铁路安全运输带来了极大的影响。随着云支线煤炭货运量不断增长，特别是高速、重载运输的出现，以及单线电气化区段部分插入复线等扩能技改措施的实施，线路的安全运行标准不断提高。为了增加信号供电的可靠性，矿山铁路分公司决定给车站再增加一路电源。

（2）矿山铁路分公司铁路沿线工区途经一些地方电源架设困难的偏远地段，架设地方电源有难度，最早采用由保定铁道变压器厂生产的单相特种变压器，将电气化铁道接触网27.5 kV单相电变为220 V单相电后供给工区的生活照明。随着时代的发展，既有和新建工区的生产生活用电负荷不断增大，既有电源线路不能满足用电需求。紧邻云冈旅游景区公路线的工区，原来采暖使用的燃煤锅炉不符合环保要求，方案比较后决定采用电锅炉进行供热，需引接三相动力电源给锅炉辅机供电。地处偏远的工区如果从地方引接电源，修建6 kV电力线路，工程投资较大，施工上也存在相当的难度。

2 方案实施

2.1 利用接触网牵引电源供给铁路信号电源

2009年，矿山铁路分公司对云冈支线各车站安装了接触网电源，将接触网电源通过27.5 kV/0.23 kV变压器降压后，直接作为车站信号的备用电源。经过一段时期的运营观察，在使用接触网电源时，对于使用微机联锁及TDCS（列车调度指挥） 系统的车站，由于没有对该电源的电压波动、干扰谐波等进行净化处理，无法满足信号等智能化设备的要求，出现了几起烧坏显示屏及微机设备电源的事故。为此，技术人员对云冈沟各车站接触网信号电源进行了监测。

从第5页图1可看出接触网电压有效值波动范围为210 V～250 V，波动频繁。从第5页图2可看出接触网电压峰值波动范围为320 V～450 V，波动幅度及范围均较大。从第5页图3看出接触网电压波形失真最大达到21%，在不同机车行驶过程中电压失真情况各不相同，变化明显。第5页图4、图5为未行车、行车时接触网电压波形。

通过对云冈沟各车站接触网信号电源的监测数据分析发现：

图1 接触网电压有效值波动范围

图2 接触网电压峰值波动范围

图3 接触网电压波形失真度

图4 未行车时接触网电压波形

图5 行车时接触网电压波形

（1）从测试的各站点情况来看，接触网电压存在严重的电能质量问题，表现的形式也存在较大差异，此电源直接作为信号电源使用不能很好地满足设备要求。

（2）接触网电能质量情况较为复杂，主要表现为电压的波动范围和电压的谐波失真。电压的波动范围最大达到30%，电压峰值最高达到450 V，波峰系数达到1.92；电压谐波失真度最高达到29%，它们产生的相对高次谐波成分可能会随机地介入到铁路信号传输系统的频带内，谐波失真对变压器负荷和负载回路造成了安全隐患。波动电压和不平衡电流对电源的供电质量产生很大的影响，对设备的安全构成了较大隐患，直接影响行车安全。

（3）不同机车，不同工况、不同地理位置下的问题各不相同。车站站点距离牵引变电所的距离远近不同，所监测出的技术数据也大不相同，电能质量方面的状况也各不相同，数据显示距离牵引变电所越远的站点电能质量的问题越严重。

为了使接触网电源能够达到信号电源的使用要求，需对接触网电源进行净化，以确保信号设备的安全运行。为此，采用西安爱科电子有限责任公司研制的接触网电源净化装置进行了上道试运行。该电源装置根据功能划分为4部分：配电单元、单相/三相逆变器、监控单元、蓄电池。

配电单元提供系统配电及相应安全防护。

单相/三相逆变器完成接触网电能质量变换，提供符合要求的单三相交流电。

监控单元完成对装置的运行参数和状态的数据采集、显示、通讯、故障处理及实时监测。

蓄电池单元可满足电气化铁路“天窗”时间的设备用电。

接触网电源净化装置的基本技术指标：

①输入电源：接触网电源经降压变压器副边电压，AC220 V（+40～-30） %，50 Hz，波形失真度≤30%。

②输出电压：单相AC220 V±5%，三相AC220 V±5%/380 V±5%，三相相位差 120°±2°。

③输出电压波形失真度≤2%（非线性负载）。

④保护功能：输出短路、过载保护；输出限流保护；单元过温保护；输入雷电过压保护。

2.2 利用接触网电源供给沿线工区三相动力电源

近年来，既有电气化铁路牵引供电能力开始出现不能满足运输要求的情况，在电气化铁路技改方案中采取了加大主变压器容量的方案。主变容量增大后，由于电力牵引负荷的特殊性，功率因数较低，通过增加接触网线路上的有功负荷可以改善系统的供电质量。云冈沟电气化铁路，在四台沟设置牵引变电所，将三相的110 kV高压交流电变换为两个单相的27.5 kV的交流电，分东西两个供电臂（云冈、燕子山方向）供给电力机车用电。改造前，各车站沿线接触网云冈方向只有A相电，燕子山方向只有B相电。施工改造设计方案中，在接触网线路的田野侧顺线路同杆架设供电线，在云冈方向架设B相供电线，在燕子山方向架设A相供电线，这样铁路沿线就有了27.5 kV的两相电。采用保定尼尔变压器厂生产的二相-三相特种变压器，在需要三相电源的地段，从附近接触网和供电线分别引接A、B相线，通过两相-三相特种变压器直接把27.5 kV的两相电变成380 V三相电，可以用于驱动水泵、风机类电动机。

3 使用效果

图6～图8给出了接触网电源净化装置在云冈铁路专用线云西车站测试的电网和净化装置输出参数的数据。

图6 谐波变化曲线

图7 电压有效值变化曲线

图8 电压峰值变化曲线

接触网电源净化装置自2010年10月在大同煤矿集团公司云冈沟电气化铁路各车站投入使用后，接触网取电信号电源供电质量得到大幅度提高，接触网电源波动产生的电源超限报警得到了根本解决，微机联锁及TDCS系统等微电子设备运行良好，无一损坏，收到了良好的效果。

新建晋华宫综合领工区、燕子山车站、小站工区等地工区及电锅炉房利用接触网取电，给职工的生产、生活带来了极大的便利。

4 结论

在电气化铁路区段，通过采用新技术、新设备，使接触网电源供电有了更大的范围。接触网电源净化装置采用成熟的现代电子技术，解决了接触网电源供电电压品质差，电压波动和谐波较大的技术问题。该装置结构简单、成本低，转换输出的电能具有电压精度高、频率精度高等显著优势，很好地满足了电气化铁路的信号系统对供电电源的要求，可以作为铁路信号的主电源使用，对于利用接触网电源为信号设备供电具有指导意义。二相-三相特种变压器的采用，使工区食堂、锅炉房的三相动力设备有了供电电源，既充分利用了牵引电源资源的潜力，又可以大大节省修建6 kV电力线路的投资。这两者在经济效益和社会效益方面，都具有较大的推广价值。

Discussion on Improving the Utilize of Electrified Railway Traction Power

Tian Guiying

This paper introduces the problem of solving to contact traction power,which is applied in the Electrified railway section,using the new technologies and new equipment.It makes full use of the traction power supply and saves the investment in building 6 kV electric power lines largely.

electrified railway；catenary；traction power supply

U223.5+2

A

1000-4866（2012）03-0004-03

田桂英，女，1971年1月出生，1991年7月毕业于阜新煤炭工业学校（电力系统专业），现在大同煤矿集团矿山铁路分公司工作，工程师。

2012-06-25

2012-07-16