牵引变电所主变过负荷分析及对策

■ 王荣利

牵引变电所变压器是电气化铁路的重要供电设备，牵引变压器的工作状态直接影响到电气化铁路的运输能力。变压器容量太大，会增加铁路运输成本；变压器容量太小，会影响铁路运输能力。最大限度地利用牵引变压器残值，将带来可观的经济效益。

朔黄铁路运量逐年递增，在运输组织上采取了增加列车密度、提高列车运行速度、增加列车编组、开行万吨列车等措施，这就对牵引变压器带来了很大的负荷压力，牵引变电所过负荷越来越多，给安全供电带来了较大隐患。

1 变压器寿命与过负荷的关系

变压器过负荷引起变压器各部分温度升高、绝缘老化、使用寿命降低，直至损坏。变压器运行时，其绕组和铁芯中的电能损耗都将转变为热能，使变压器的温度升高。这些热量由绕组和铁芯内部以传热方式传至导体或铁芯表面， 再以对流方式传至变压器油中。变压器的绝缘老化，主要是因为温度、湿度、氧气和油中劣化产物的影响，高温是老化的直接原因。运行中绝缘的工作温度愈高，化学反应（主要是氧化作用）进行得愈快，引起机械强度和电气强度丧失得越快， 即绝缘的老化速度愈大，变压器的使用年限也愈短。在短时严重过负荷时，由于绕组时间常数较小，温度上升较快，温升相对较高；但对于变压器油，由于时间常数较大，温度变化较慢。当热点温度升高，突然超过临界值时，在绝缘纸中可能产生气泡，使变压器整体绝缘降低，可见运行温度对变压器寿命起着决定性的作用。油浸式变压器绕组匝绝缘用的电缆纸，温度为80～140 ℃时，其寿命L与温度的关系，可用蒙特辛格（Montsinger）公式表示：

式中，θ0为保证变压器绝缘正常寿命的绕组热点温度，θ0=98 ℃；θh为实际的绕组热点温度（℃）；Ln为θh=θ0条件下的变压器绝缘正常寿命。

主变压器长期在过负荷情况下运行，除考虑对主变压器自身的危害外，还应考虑套管、引线、隔离开关、电流互感器等设备的过负荷能力及过电流能力。因此必须对变压器的过负荷倍数进行限制。

2 朔黄铁路概况

（1）铁路等级：国家Ⅰ级电气化铁路。

（2）正线数目：双线。

（3）限制坡度：上行4‰，下行12‰。

（4）最小曲线半径：400 m。

（5）牵引种类：电力机车。

从表2可以看出：在知识导入和体验上，浙教版以数学问题直接进入，但缺少知识体验过程，而美GMH版没有知识导入，是让学生在解决瓷砖问题的过程中，通过平方运算思考平方根与平方数的关系，从而引入开平方和平方根.在知识应用上，浙教版先以例1帮助学生巩固开平方和平方根的概念以及开平方与平方的互逆关系，再以例2强化学生对平方根、算术平方根、负平方根的区别(见图3)；而美GMH版则直接以例题来介绍正负平方根和平方根，以及平方根在解方程中的应用(见图4).相比之下，浙教版的例题安排更合理，有利于学生对不同知识点的区分.另外，两版教材均以文字、符号来表征平方根的概念，且都没有知识拓展.

（6）机车类型：SS4型机车、大功率交流机车、DF4B型机车。

（7）到发线有效长：2 800 m、1 800 m或1 050 m。

（8）闭塞类型：自动闭塞。

（9）联锁方式：计算机联锁、电气集中联锁。

（10）列车编组：普通货物列车C64：66辆；万吨货物列车C70；116辆；C80：116辆。

（11）牵引质量：普通货物列车6 000 t；万吨货物列车11 600 t。

（12）列车间隔：技术站普通货物列车追踪间隔时间为9 min；万吨列车追踪间隔时间为12 min。中间站根据设备情况按黄灯开车掌握列车追踪间隔时间。

（13）列车运行速度：不同区段的列车运行速度见表1。

（14）机车类型、牵引重量：具体的机车类型和牵引重量见表2。

3 过负荷分析

3.1 过负荷概况分析

2013年1—3月，朔黄铁路15个变电所共发生过负荷675次，过负荷主要集中在龙宫变电所227次、肃宁北变电所263次、沧州西变电所80次、狼坨子变电所28次。2013年1—3月的过负荷参数（平均值）见表3。

（1）过负荷跳闸分析。2012年1月—2013年4月，龙宫变电所由于过负荷Ⅱ段动作造成跳闸共4次。2012年12月11日04：01龙宫变电所2#主变C相过负荷Ⅱ段跳闸，主变一次跳闸电流：A：133.14 A；B：363.42 A；C：260.04 A。龙宫—宁武西上行车次：S4052、S694；龙宫—宁武西下行车次：S4063、S631；龙宫—北大牛上行车次：S2070、S884、S 6 3 2；龙宫—北大牛下行车次：S2005、S963、S2163。龙宫变电所供电范围内共有列车10列，其中万吨列车5列，共计15台机车取流。由于车流密度大，机车追踪时间短，万吨机车多造成龙宫变电所过负荷Ⅱ段跳闸。

（2）典型过负荷分析。龙宫变电所的过负荷时间都非常长，超过50 min的有9次，2013年前3个月中过负荷时间最长的是2013年3月17日08：06的4500S，主变一次电流A：222.5 A；B：350.2 A；C：200.5 A，A相过负荷倍数为1.53倍，整个供电范围内共有列车11列，其中万吨列车4列（上行1列，下行3列），由于上行重车在该区段是下坡道，牵引负荷相对较小，主要是下行长大上坡道取流大，下行12‰的坡道就在龙宫变电所的供电臂范围内。

3.2 过负荷原因分析

表1 列车运行速度

表2 机车类型和牵引重量

表3 2013年1—3月过负荷参数（平均值）

（1）列车的载重量增大。随着运量的增加，朔黄铁路牵引重量由原来的全部小列5 676 t增长到现在部分万吨列11 352 t（C64车型）、10 788 t（C70车型）和11 600 t（C80车型），由于列车取流加大，造成牵引变电所主变压器过负荷次数增加。

（2）列车通过对数增加。朔黄铁路由原来的每天130多对小列增加到现在的160多对小列和万吨列混跑，单位时间内通过的列车对数增多，牵引力加大，牵引变电所输出的电流增大，造成主变压器过负荷次数增加。

（3）线路坡度大。朔黄铁路线路特点是由西部山区逐步过渡到东部平原，东部平原的坡度很小，长大坡道主要集中在原平南—神池南，平均坡度为6‰左右，最大上坡道为12‰左右。线路的夹角大，坡道长，列车牵引分力和水平分力越大，列车取流越大，造成主变压器过负荷次数增加。

4 采取的对策

（1）增大牵引变压器的容量。通过增大牵引变压器的容量，并采用V/X接线方式的牵引变压器。一台额定容量一定的这种牵引变压器其负载能力可提高一个容量级，过载能力可提高约25%，可节省容量20%～22%，可以节省电气化铁路的基建投资和运营成本。在减少基本电费方面，带来的经济效益尤为显著。随着列车牵引重量和列车密度的双增加，更换大容量、利用率更高的V/X接线方式的变压器已提上日程，公司有关部门正在积极与地方电业局联系外部电源改造及主变压器增容的事宜，目前这种“小马拉大车”的情况马上就能改观。

（2）均衡运输。减少列车集中启动、集中加速，尽量做到上、下行均衡运输。目前过负荷情况最严重的就是龙宫变电所，在主变压器增容之前，按主变压器1.8倍额定容量来计算，需要对龙宫变电所供电臂内的车流密度进行限制，结合现有运行图要求，运行前方为万吨列车追踪最小间隔控制在12 min，运行前方为普列列车追踪最小间隔控制在9 min，同时采取2列万吨列车中间加开1列普通列车，3列万吨列车不连发等措施，控制同一供电臂上的列车对数，减少牵引变压器的过负荷。

（3）加强设备检修。加强设备检修，提高设备检修水平，保证一台牵引变压器过负荷跳闸后，另一台牵引变压器能及时投入，缩短全所停电时间，减少对铁路运输生产的影响。日常运行时，应定期投切主备供牵引变压器，使2台变压器能均衡使用。

（4）两台变压器并列运行。该方案在目前的情况下，完全可以满足运行需要，但是否经济，则必须考虑变压器的实际损耗和基本电费之间存在的矛盾。如果变压器自身损耗产生的费用大于基本电费，则可以采用。

5 结论

目前变压器虽然存在过负荷，但仍然可以满足运量需求，除龙宫变电所需要加强监视测量及限制车流密度外，其他各所可以满足运行需要。变压器的过负荷是一种不正常的运行模式，但如果合理利用，对提高企业经济效益有显著效果。况且，随着运量的增长，在每次增容改造前都会遇到阶段性过负荷问题，因此对变压器安全运行的监视尤为重要，建议对增容后的变压器增加绝缘在线监测、变压器绕组温度监测等项目，在有效的监测措施下，变压器的过负荷能力得到充分发挥，可最大程度地节约基本电费。

[1] 杨乃成，李喆，冯国新. 牵引变压器过负荷原因及对策[J]. 铁道技术监督，2012(1)

[2] 朔黄铁路2013年运行图技术资料[G]

[3] 朔黄铁路过负荷统计[G]

[4] GB/T 15164—1994 油侵式电力变压器负载导则[S]