阳安及宝成线大功率机车引发供电问题的探讨

2012-02-16闫站伟

铁道运营技术 2012年4期

闫站伟

（西安铁路局安全监察大队，工程师，陕西西安 710054）

为了达到打通西南大通道，增加运量的目的，在阳安线、宝成线阳平关至广元段使用HXD3机车开行5 000 t货物列车。由于重载造成既有线牵引变电所过负荷而引起频繁的跳闸，对牵引供电能力造成一定的影响。为此，分析增吨后牵引供电能力不适应的原因，探讨如何对薄弱区段的电气化供电设备进行适应性改造，以满足增吨重载的要求显得十分必要。

1 既有牵引供电设备运营状况

阳安线全线采用LXGJ-80+TCG-110型全补偿简单链型悬挂。宝成线阳平关—广元段低净空隧道采用TCW-110型简单悬挂，其余区段采用LXGJ-80+TCW-110型全补偿简单链型悬挂。自开行HXD3型大功率机车后，由于牵引负荷增大，各牵引变电所过负荷跳闸频繁，导致供电能力不适应。

1.1 宝成线阳平关至广元段宝成线阳平关—广元区段共计33座低净空隧道，接触网简单悬挂全长9 518.7 m，有523处悬挂点和225处定位点。自2009年4月15日至2010年9月15日，累计馈线过负荷跳闸59件，其中2009年52件，2010年由于车流减少发生7件。

1.2 阳安线据统计2009年5月1日至12月31日，阳安线因开行和谐号重载机车导致牵引变电所过负荷馈线最大电流为1 626 A（勉西变电所2号馈线），最小为1 045 A（茶镇变电所1号馈线）。牵引变电所过负荷导致跳闸共计731件，其中跳闸件数最多的是汉中、西乡供电车间管内变电所，分别为260件、378件；跳闸相对较少的安康供电车间管内变电所为43件。

2 增吨后供电能力存在的问题

和谐型大功率交流传动电力机车单轴功率1 200 k W，HXD3交流传动机车额定功率达7 200 k W（6轴车），双机牵引，机车额定功率高达14 400 k W（6轴车）。交流传动机车采用四相限整流，使电流波形逼近正弦波，且电流与电压的相位基本同步。所以，交直交型电力机车的谐波含量很小、功率因数可高达0.97，使得牵引网阻抗引起的损失及变压器损失均大幅下降，通常牵引网末端电压水平较高。因此，牵引网末端电压水平不再是限制供电方案的最主要因素。列车的负荷大小，主要与列车牵引质量、运行速度、线路坡度等因素有关，在运行速度、线路坡度相同的情况下，列车负荷与牵引质量成正比。对于重载铁路由于牵引质量的增大，使得牵引负荷成倍增大，机车带电电流最大达860 A，造成负荷对接触网的载流能力提出更高的要求。因此，牵引网载流能力成为控制电气化铁路设计的关键技术指标。

2.1 既有接触网承力索和导线载流量不足既有阳平关—广元段采用简单悬挂处所，仅靠CT-110导线载流，而CT-110导线的持续载流量为480 A。阳安线采用非载流承力索，主要依靠接触线载流。

根据阳平关、燕子砭、朝天3个变电所日电压电流负荷测量数据显示：阳平关变电所4#馈线最大负荷670 A，燕子砭3#馈线最大电流770 A，燕子砭4#馈线最大电流785 A，朝天变电所1#馈线最大负荷432 A，朝天变电所2#馈线最大负荷461 A，朝天变电所3#馈线最大负荷470 A，朝天变电所4#馈线最大负荷550 A。依据过负荷跳闸统计数据，最大的过负荷值高达1 788 A。

2.2 既有供电线载流量不足既有阳安线、宝成线牵引变电所供电线均采用单根LGJ－185钢芯铝铰线，其持续载流量为530 A，满足不了5 000 t取流达800 A左右的需求。宝成线阳平关—广元区段由于含有低净空隧道，接触网采用简单悬挂就成为重载后供电能力最薄弱的区段。

2.3 既有接触网主导电回路能力不足既有锚段关节、股道、线岔电联接均为单股TRJ－95铜电联接线，其载流量为420 A，增吨到5 000 t以后，取流一般达800 A左右，当前的供电能力显然不足。

2.4 阳平关-广元段接触网无防雷设施由于宝成线接触网原设计为全线不设防雷保护，以致2010年7月23日大滩站区连续降暴雨和雷电时，军师庙至大滩间上行线分相绝缘器遭受雷击烧损，造成本体绝缘水平降低和机械强度下降，燕子砭和朝天变电所同时发生跳闸。当K452次运行通过此处分相绝缘器时，该分相绝缘器在机车受电弓压力和接触线张力的作用下，造成分相绝缘器断裂刮坏K452次机车受电弓的事故。

2.5 既有变电所容量不足频繁的过负荷跳闸，导致既有牵引变电所主变压器容量不足，设备急需扩容。

3 建议措施

3.1 提升导线和承力索载流能力

3.1.1 更换载流性能更好的接触线增吨后，接触线内长时间流经大电流，在经过长时间持续流过较大的载流量以后，自然引起导线发热，在温升达到一定程度时，导线的材质会软化，强度会降低，严重时，接触线因温度影响形成的蠕动性伸长，从而破坏正常的受流。因此，选择的接触线材质应具有较好的耐热性能，一般要求软化点在300℃以上，以适应较高载流量。

增大接触线横截面积，可以有效提高拉断力和增大载流量，从而相应地降低温升，所以适当增加横截面积是有利的。但是过大地增大接触线的横截面积会产生2个负面效果：一是使接触线线密度增加，从而降低了波动速度，这是极为有害的；二是架设时的不均匀性及平直性的危险增加。

纯铜接触线具有导电性能和施工性能好的优点，但是存在抗拉力差、耐磨性能差和高温易软化等诸多缺点，无法适应大载流量的要求。载流量与接触线最高允许工作温度有关，为了避免载流量过大影响机械强度，所以各国对纯铜接触线最高允许工作温度都作了规定，如德国规定80℃，日本规定为90℃，俄罗斯规定为95℃，我国也规定为95℃。采用铜合金会有效地提高其软化温度，如纯铜接触线在200℃开始明显软化，而铜合金接触线的软化点都在300℃以上，所以，采用铜合金接触线是提高载流量的基本措施之一。为此建议将阳平关—广元简单悬挂区段接触线，更换为载流性能更好的CTAH-150型高强度银铜合金接触线，因其导线温度150℃时，载流量为800 A，可以满足机车牵引5 000 t时取流的需求。

3.1.2 更换承力索和吊弦将阳安线、宝成线阳平关—广元段非载流承力索更换为载流承力索，并将吊弦更换为整体载流吊弦。其中阳安线更换为TJ-150载流承力索，其在环境温度35℃、导体工作温度70℃时的载流量为510 A；宝成线阳平关—广元段更换为TJ-95载流承力索，其在环境温度35℃、导体工作温度70℃时的载流量为380 A。这样一方面降低接触网阻抗，为提高短路电流整定值及过负荷电流整定值提供条件。和谐号重载机车开行后变电所过电流保护定值达到了极点，接近或超过了接触网末端短路电流（如安康东2号馈线，接触网末端短路电流为940 A，过负荷保护整定到了1 117 A），降低了保护的灵敏性。另一方面将导线单独载流变为承力索、导线并联载流，提高了载流能力。

3.2 提升供电线供电能力

3.2.1 供电线改造供电线（也叫馈电线）其作用是由牵引变电所或开闭所向接触网传送电能，供电线的截面大小根据所通过电流的大小决定。根据单股LGJ-185钢芯铝铰线，其在导体工作温度为90°C时持续载流量为530 A，因此建议在增吨5 000 t后电流较大的阳安线、宝成线阳平关—广元区段的馈线改造为双股LGJ-185钢芯铝铰线并联供电，便可以满足供电需求。

3.2.2 采用牵引网全并联供电方式将宝成线阳平关—广元段上下行牵引网全并联供电。这种全并联供电方式与通常采用上下行接触网只在供电臂末端并联一次的供电方式不同，在同一供电臂上下行接触网除了在末端分区所并联以外，在中间车站或区间隔一定距离实施一次横向并联，并在变电所内设置故障判别装置以判断故障性质，将故障跳闸影响范围减少到最小，可实现接触网的低阻抗，降低电压损失、均衡上下行电流，使上下行接触悬挂截面得到充分利用，解决重空车方向牵引负荷极不均衡问题。

3.2.3 增设加强线在宝成线阳平关—广元段简单悬挂能力不足的燕子砭、朝天牵引变电所首端供电臂增设LGJQ 240加强线。

3.3 更换主导电回路电联接线将阳安线、宝成线阳平关—广元段锚段关节、线岔、股道电联接等主导电回路更换为双股TRJ－95电联接线。对锚段关节处所、线岔、股道电联接、隔离开关电联接等增设为双股电联接，从而实现供电能力配套。

3.4 增设防雷装置和补装回流线建议按照《铁路电力牵引供电设计规范》的规定，在宝成线阳平关—广元段分相绝缘器、站场端部绝缘锚段关节处、长度超过2 000 m长大隧道两端以及较长的供电线连接到接触网上的接线处装设氧化锌避雷器。对阳安线缺失的回流线、吸上线等进行补装，确保牵引回流畅通。

3.5 牵引变压器增容改造牵引变电所既有牵引变压器的安装容量已不能满足运输要求，可采用更换大容量牵引变压器或更换容量利用率较高接线型式的变压器。如朝天牵引变电所牵引变压器增容为31.5MVA，采用YN，d11接线形式不变；汉阴、褒河牵引变电所牵引变压器均增容为2×（20+20）MVA；城固牵引变电所牵引变压器增容为2×（12.5+12.5）MVA，采用三相V/V接线形式不变。

3.6 线索更换后引起的设备改造

3.6.1 接触网支柱改造阳安线既有接触网支柱多为3.8 t/m小容量支柱，建议对阳安线、宝成线阳平关—广元段支柱容量进行校核，对容量不足的桥支柱、更换承力索后负载增加的支柱、破损严重和状态不良的支柱进行更换改造。

3.6.2 腕臂支撑装置更新将原水平拉杆支撑装置更新为水平腕臂支撑装置。由于阳安线转换支柱单腕臂为承受双支悬挂结构，其在温度变化时，经常发生非支定位管磨工作支V型拉线，存在严重的设备质量隐患。为此建议，将承力索区段锚段关节处单腕臂更换为双平斜腕臂结构。