既有电气化铁路牵引网电压损失改善措施研究

边宏超，刘承志，曹景雷，游先亮，朱 娅

0 引言

近年来国内高速及重载铁路发展迅速，与此同时，牵引网电压损失增大的问题显现出来，一些既有线路也需要扩能改造，特别是一些地处山区的线路末端网压降低较为严重，甚至低于19 kV，影响机车正常运行，也限制了繁忙时期的机车密度。采取措施改善网压水平十分必要，本文对牵引网电压损失形成机理进行分析，提出2种改善措施，并结合实际利用PSCAD/EMTDC建模进行分析。

1 网压损失介绍

所谓牵引网电压损失是指变电所牵引侧母线到机车取流点的电压降。牵引网作为多导线悬挂系统总体呈现感性阻抗，因此会造成网压损失。由于牵引负荷变化，网压也不断变化，特别在重载紧密运行时网压降落幅度大。设U1为牵引侧母线电压，U2为机车取流点电压，I为牵引网电流。φ为机车功率因数角，即I滞后U2角度为φ，那么电阻造成电压降IR与I同相，电感造成电压降IXL则超前90°。网压损失ΔU就是IR和IXL在U2方向上的分量之和（图1）。

网压损失问题在南昆线、宝成线及宝兰线等一些地处山区的线路均有不同程度存在，特别像南昆线近年来负荷持续增大，问题更加显现。图2为牵引网电压实测曲线，从测量结果发现：该时段 14点57分、15点02分、15点05分、15点21分负荷较大，网压明显降低，最小值仅为19.3 kV。可见，采取措施提高网压水平十分必要。

图1 电压损失向量图

图2 牵引网电压实测曲线图

2 牵引网电压水平分析

2.1 牵引供电系统模型

（1）变电所。实现变压、变相和向牵引网供电，牵引变压器是其核心设备，Scott接线可实现三相和两相系统间的对称变换，使负序功率降至最低，各绕组相对匝数见图3，原边BC和AD成倒T形，3个出线端接入三相电网，这样原边三相对称电压经Scott变压器，转换为次边两相27.5 kV垂直电压Uα、Uβ。Scott接线建模如图3所示。

图3 Scott接线原理及模型图

（2）接触网系统。该系统是具有特定几何结构的复杂悬链系统。带回流线直接供电系统主要由接触线，承力索，回流线，钢轨（2根）构成基本骨架，每隔一定距离将钢轨与回流线相连接。建模重点在于阻抗参数的计算，由于各导线间存在特定的耦合关系，所以不仅与各导线材料、型号等有关，还与系统几何结构有关。工程上，通过 Carson理论计算：单根导线与地回路的等效单位长自阻抗为

式中，Rε1为导线等效半径；r1为其有效电阻；Dg为导线—地回路等值深度。

2根导线（设为1、2）与地回路等值互阻抗为

式中，d12为2根导线间距离。

通常将电气并联导线合并等效成一个当量导线，则该当量导线—地回路单位长等效阻抗为

式中，Rε是该当量导线等效半径。

同一悬挂中接触线、承力索合并（T），2条钢轨合并（R）。接触网呈分布参数特性，可用分段集中参数模型来等效。

（3）机车。SS6B型电力机车是国内客、货运主力机车之一，最高速度 100 km/h，总功率4 800 kW，多机重联时可担当重载货运牵引。它采用3段半控桥晶闸管相控整流无级调压，传统直流传动方式。SS6B机车主电路建模见图 4，其调速控制较复杂，具体可参考文献[2]。SS6B运行时会向牵引网注入谐波且含量较为丰富，图 4给出了50 km/h时的谐波电流含量，因此需要考虑为降低网损而采取的措施对牵引网谐波特性造成的变化。

图4 SS6B主电路建模及50 km/h时谐波含量图

2.2 阻抗测算

由ΔU=IRcosφ+IXsinφ=I(Rcosφ+Xsinφ)，记z=rcosφ + xsinφ为牵引网等效单位阻抗。供电臂长L= 35 km，阻抗z= 0.339 Ω/km，供电臂下放2台SS6B（15 km、25 km各1台），以持续50 km/h速度运行，每台I= 430 A（SS6B双机牵引）。

牵引网压损：

ΔUl= z×2I×15 + z×I×10 = 583.1V

变压器造成压损：主变压器容量63 MV·A，阻抗电压百分数10.5，则

由图3知Scott变压器可等效为2个单相变压器，对单相接线变压器压损为

ΔUT=XTsinφ(I1+I2)，I1、I2为负荷。

ΔUT=XTsinφ(I1+I2) = 2.520 8×0.435 9×(860 + 860) = 1 890 V

110 kV系统造成压损：

电力系统造成压损：

ΔUS= 0.415XS(I1+I2) = 1 080 V

由此，供电臂末端电压：

Umin=U0- ΔUS-ΔUT- ΔUl= 18.699 kV，该值低于19 kV，需要采取措施来提高网压水平。仿真测量母线电压为24.939 kV，末端电压18.911 kV，图5为母线和牵引网末端测量波形。

图5 母线电压与末端网压波形图

3 牵引网电压水平的改善方案

提高网压的方法：a.改用AT供电方式以适应高速和重载，但成本高施工量大；b.采用有载调压牵引变压器，其缺点是对反应速度要求较高，一旦反应慢于最大负荷突然消失速度时，牵引网会产生过电压危及绝缘配合，而且调压范围还受到母线最高允许电压限制；c.在2座变电所间中性处增建附加变电所，毫无疑问，该方法费用高昂；d.改用阻抗较小的铜合金载流承力索，这需要拆除原有接触悬挂重新安装。综合来看，对既有牵引网增设加强导线，和采用串联电容补偿装置具有技术可行、经济性、易于施工的特点。

3.1 增设加强导线改善网压

当牵引负荷一定时，牵引网压损与牵引网阻抗成正比，采用加强导线可以降低牵引网阻抗，对接触线起到分流作用。在一些特殊情况下（如山区地段）增设加强导线是行之有效的方法。增设加强导线（采用 LJ-185型绞线）的牵引网模型图略，其仿真测量结果见表1。

增设加强线后，牵引网的末端电压抬高了ΔUmin= 1 738.8V，末端电压损失降低了约27.8%。增设加强线前后牵引网的谐波特性见图6。

图6 增设加强线前后的谐波特性图

3.2 串联电容补偿装置（SCC）

带串联电容补偿装置（下文简称串补）牵引网等值电路如图7所示。

图7 补偿示意图

补偿前牵引网压损为

补偿后牵引网压损为

由式（5）、式（6），可得负荷电流通过串联电容器时的压损：

ΔUC为负值表明压损减小，改善效果与取流大小及功率因数有关，且|ΔUC|与负荷电流成正比，相当于根据负荷的变化而自动调节网压。

串补容量由补偿电压所需的容抗及通过的电流值来决定：

式中，ΔUC为需补偿的压损；Imax为馈线最大电流。

注意，XC须小于牵引网阻抗XL与变压器阻抗XT之和，避免系统发生谐振：

XL=Z×L= 0.339×35 = 11.865(Ω)

即应有XC＜11.865 + 2.521 = 14.386(Ω)

已知馈线Im= 1 280 A，电容器元件参数：

UCN=1 000 V，ICN= 100 A，XCN= 10 Ω，

Umin= 18.91 kV，需要补偿电压2 000 V，则所需容抗

XC= ΔUC/Imaxsinφ= 2 000/ (1 280×0.435 9)= 3.585(Ω)〈〈14.386(Ω)

所以，ΔUC= 2 000 V时不会产生谐振。

并联支路数m=Imax/ICN= 1 280 / 100 = 12.8

每个并联支路中串联电容器数

n=mXC/XCN= (12.8×3.585) / 10 = 4.6

取m= 13，n= 5，电容器组为13并5串，则实际容量QC和实际容抗CX′为

实际补偿的压损为

满足补偿要求。

图8是串联电容器组接线图。故障时放电间隙FJ击穿避免电容器组承受过电压，一旦通过电流互感器TA的电流超过整定值，则保护装置动作，断路器D合闸将电容器组短接，放电间隙熄灭，R和L在故障时构成放电回路。

测量数据及网压水平改善效果对比见表 2和图9。

表2 测量数据比较表

图8 串补装置主接线图

可见，变电所加装串补后，馈电线电压抬高了ΔUkmin= 2 125 V，牵引网末端电压抬高了ΔUmin=20.852 1– 18.911 = 1.941 1 kV = 1 941.1 V。图10为加装串补后母线谐波特性，与图6进行比较可知，串补并未明显改变原牵引网谐波特性。

图9 补偿后母线电压与末端网压波形图

图10 补偿后的谐波特性图

4 结束语

通过在接触悬挂系统增设加强导线对接触线电流进行分流，降低牵引网阻抗；采用串补，利用容抗来补偿主变压器和接触网感抗造成的压损，可有效改善网压水平。在重载区段，特别是一些地处山区的线路或机车密度较大的繁忙线路，可以考虑两者配合使用。仿真结果表明在既有线路改造中合理应用该技术，可以达到预期改善网压作用，且成本相对较低，易于施工。

[1]李群湛，贺建闽.牵引供电系统分析[M].成都：西南交通大学，2007.

[2]刘友梅.韶山 6B型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，2003.

[3]李群湛.电气化铁道综合补偿技术[M].成都：西南交通大学，2009.