交直交机车应用对牵引供电系统的新要求

2012-06-22陈敏

电气化铁道 2012年1期

关键词：大秦线调压变电所

陈敏

0 引言

大秦线开行的2万吨列车由交直交型机车（包括 HXD1、HXD2型号）牵引，万吨组合列车仍采用SS4型机车牵引，2类机车在牵引功率、功率因数和制动方式等方面存在较大差异，对牵引供电系统的供电能力提出更高要求。

现场测试表明，在长大下坡区段，机车再生制动向系统反馈电能，接触网电压多处抬升至31 kV以上，导致电制动功率下降甚至封锁；在供电臂较长、负荷集中区段，接触网最低电压降至16.4 kV，导致中途停车。

结合大秦线年运量4亿吨运输目标，从牵引供电仿真模拟、适用供电方案等方面进行研究，提出相应的解决措施，以提高牵引供电系统的供电能力和供电质量，满足大秦线运量大幅度增长需要。

1 交直交机车对牵引网电压的要求

HXD1、HXD2型机车分别是从西门子和阿尔斯通公司引进的大功率交流传动电力机车，SS4、HXD2机车主要性能参数如表1所示。

由表1见，同SS4型电力机车相比，交直交型电力机车具有以下特点：主整流器采用交直交IGBT逆变，功率因数高，牵引、制动功率大；电制动为再生制动方式，机车上无电阻，再生电能全部回馈至牵引供电系统；对供电电压质量要求高，当机车电压低于17.5 kV或高于31 kV时，电压保护装置动作，机车功率降至0，在大秦线实际运用中，接触网电压过高或过低都会造成机车牵引封锁。牵引供电系统必须适应交直交机车的上述特点。

表1 SS4、HXD1、HXD2机车主要性能参数表

HXD1、HXD2机车的功率发挥与网压的关系分别见图1和图2。

图1 HXD1机车功率/网压限制曲线图

图2 HXD2机车功率/网压限制曲线图

从图1可以看出，HXD1机车正常工作网压范围为22.5～30 kV。网压22.5～19 kV，机车功率从100%线性下降到84%；网压19～17.5kV，机车功率从84%线性下降为0；网压30～31 kV，机车功率从100%线性下降为0。

从图2可以看出，HXD2机车正常工作网压范围为25～30 kV。网压25～17.5 kV，机车功率从100%线性下降到64%；网压低于17.5 kV，机车功率为0；网压30～31 kV，机车功率从100%线性下降为64%；网压高于31 kV，机车功率为0。

机车功率不同引起的需求可通过调整牵引变压器配套开关及接触网设备的容量来解决；因此，下面将重点研究如何改善接触网电压质量的问题。

2 大秦线接触网电压水平分析

按大秦线年运量 4亿吨运输组织计划及调整后的牵引供电设施分布，采用动态模拟及静态分析相结合的方法，对全线各供电臂接触网最高及最低电压进行校核，结果如下。

2.1 接触网最高电压

经对全线各牵引变电所进行模拟计算，受机车再生电能回馈影响，导致接触网电压抬升超过30 kV的牵引变电所如表2所示。

为保证分析结论的全面性，对上述牵引变电所，结合线路坡道情况，另采用静态计算的方法，在不考虑再生能量被相邻机车吸收利用的情况下，进一步校核网压抬升情况。结果如表2所示。

表2 接触网最高电压校核结果表

接触网电压抬升大小主要与牵引变电所外部电源短路容量、牵引变压器容量、供电范围内线路坡度、列车位置及其再生电流大小有关。从表2可以看出，再生制动回馈电能导致网压抬升，机车运行存在隐患的区段主要集中在重车方向持续长大下坡的区段，分别为K137～K196和K275～K327，相关牵引变电所为永安堡、东城乡、涿鹿、沙城东和下庄，接触网电压抬升最大为3 kV。

2.2 接触网最低电压

电气化铁路接触网电压水平受电力系统电压损失、牵引变压器电压损失和牵引网电压损失三方面的制约。经校核，永安堡、东城乡、沙城东及抚宁北牵引变电所供电范围内，接触网最低电压为20 kV，虽满足铁标要求，但供电质量不高，具体如表 3所示；其余供电臂接触网最低电压均可达21 kV以上，满足要求。

表3 接触网最低电压校核结果表

3 改善接触网电压水平的措施

3.1 永安堡和沙城东等牵引变电所

4亿吨扩能改造中，永安堡、沙城东、下庄和抚宁北牵引变电所变压器需增容，设备重新采购，可采用装设有载自动调压牵引变压器的方案，解决接触网电压偏高和偏低问题。

大秦线地处山区，外部电源极其薄弱，据调查，除木林和迁西牵引变电所外，110 kV侧进线供电电压正负偏差绝对值之和均超出国标规定的 10%的要求，最高达30%，导致接触网最低电压多次低至16 kV（铁标中规定正常运行情况下机车受电弓电压不低于 20 kV）。外部电源供电能力加强工程势在必行，但受诸多因素限制，短期内无法实现。因此，在有载分接开关选择时，通过合理确定电压调整范围，确保牵引变电所 110 kV进线电压在90～121 kV间波动时，牵引变压器低压侧输出电压均为55 kV。有载自动调压牵引变压器由牵引变压器本体、有载分接开关、电动机构及其自动控制器组成。对于大秦线的斯柯特结线变压器，在低压侧T座、M座各装设1台有载分接开关，T座、M座电压可分别独立调整。

迄今为止，国内外使用的油浸式有载分接开关，其油室内的油绝大多数既是分接开关的绝缘介质，又是切换过程中主通断触头及过渡触头电弧熄灭的介质，同时兼作机械传动部分的润滑剂和触头与导电部件的冷却介质，因此也可称作油中熄弧的有载分接开关。该开关在运行中油的碳化不可避免，随着操作次数的增加，油中的碳化物不断增多。油中熄弧的有载分接开关使用在除了中性点调压之外的其他部位上时，不得不添加辅助设备—在线滤油装置以保证油的绝缘性能并减少油中碳粒。

目前，油浸式真空熄弧有载分接开关研制成功，用真空管替代电弧触头，绝缘油仅为开关的绝缘介质，在长时间的运行中始终保证油的良好绝缘性能及良好机械润滑性能。这样，不管分接开关用于何种场合，维护工作量均很小，可使运行成本降到最低。大秦线牵引变压器采用了该种开关，并已投入运行，实际运行效果很好。

3.2 东城乡牵引变电所

4亿吨扩能改造工程中，东城乡牵引变电所内变压器不需增容，设备也不必更换。

该所仅需加强机车上和牵引变电所内监测，若出现接触网电压抬升，扰乱运输秩序的问题，可采取将牵引变电所高压侧分接开关分接位置由 3位调至2位或1位的方法解决。

对于网压偏低的问题，结合东城乡牵引变电所电能质量综合治理工程，在牵引变电所55 kV侧T座和M座母线上各装设1套TCR（并联可调电抗器）及3次、5次单调谐滤波装置，可将牵引变电所高压侧功率因数提高至0.95，电力系统和牵引变压器上的电压损失也相应减少约1.5 kV，使得接触网末端最低电压提高至21 kV以上。