牵引供电系统用移动式串联电容补偿方案探讨

2013-09-21李良威邓云川

电气化铁道 2013年5期

李良威，邓云川，严希

0 引言

随着电气化铁路在西南山区的大规模建设，形成了具有自身典型特色的山区电气化铁路，其特有的地理位置、经济发展水平等因素决定了其具有与其他平原地区铁路不同的特点：线路坡度往往较大，且通常为一面坡，为保证列车在大坡道区段具有足够的牵引力，需采用多机牵引，多机牵引瞬时功率很大，加之目前山区电气化铁路大量使用交-直SS系列机车，功率因数较低，其牵引电流甚至高于250～300 km/h高速列车，导致牵引网及变压器上压损严重；同时山区电气化铁路所经地区大多经济不很发达，电网较为薄弱，采用110 kV外部电源供电，在机车的瞬时功率冲击下致使牵引变电所高压系统侧压损严重。电压过低导致机车运行相当困难，甚至出现运缓、坡停、跳闸等情况，危及行车安全。尤其是在越区供电时，往往难以满足规范要求的最低电压19 kV的机车运行条件，如何采取既合理又节省投资的措施解决电压水平问题是山区电气化铁道设计的难点和重点。

本文以典型山区铁路丽江—香格里拉铁路为例，针对其在开行货车且进行越区供电时接触网最低电压低于规范要求的19 kV，提出了区间移动式串联电容补偿方案，该方案可以提高接触网末端电压水平，保障牵引供电系统越区时的运输要求，且较为经济合理。

1 丽香铁路设计情况

1.1 线路概况

丽江—香格里拉铁路位于云南省西北部，自大理至丽江铁路丽江站引出，向北跨越金沙江、经小中甸至香格里拉，正线全长 140 km。线路连接在建的大理至丽江铁路，并通过该铁路和广大铁路与成昆铁路相连。

丽香铁路是国内中长期铁路网规划中西部路网的重要组成部分，是国内第二条进藏铁路滇藏铁路中云南段的一部分。它的建设，对改善滇西北地区交通运输状况，优化区域间资源配置，推动旅游、水电、矿产等资源的深度开发，维护藏区稳定，促进滇西北地区经济又好又快发展具有十分重要的意义。

丽香铁路主要技术标准如表1所示。

表1 丽香铁路主要技术标准参数表

1.2 牵引供电系统设计情况

根据该线主要技术标准、线路平纵断面条件、车站布置、机车类型、行车组织等情况，并结合相邻线牵引供电设施方案，牵引供电系统采用带回流线的直接供电方式，在拉市海、新尚、螺丝湾、万拉木、小中甸、香格里拉设置牵引变电所，外部电源采用110 kV电压等级，在设置新尚、小中甸、香格里拉接触网工区，牵引供电方案示意图如图1所示。

图1 牵引供电方案示意图

2 电压补偿方案

2.1 负荷特征分析

丽香铁路线路坡度达到 30‰，大部分区段拉市海至小中甸段均为一面坡，全线货车采用 SS3B双节双机牵引3 000 t，机车功率达19 200 kW，瞬时电流最大值达950 A，功率因数低，为0.8左右，外部电源采用110 kV电压等级供电，系统短路容量小。按照TB/T1652-1996《牵引供电系统电压损失的计算条件和方法》，牵引变电所分布方案能够满足正常情况下牵引网电压水平，但是，当某一牵引变电所故障退出运行，由相邻牵引变电所越区供电时，仅满足开行客车需求，当开行货车时，接触网最低电压仅为15.34 kV，详见表2。该表显示，货车越区供电能力远远低于设计规范要求的最低电压19 kV的要求；为此需要考虑设置加强措施补偿接触网电压水平。

表2 货车越区供电能力表

2.2 电压补偿方案分析

电压补偿可采用的措施有安装加强线、低阻抗牵引变压器、动态功率补偿装置、串联电容补偿装置以及增压变压器等，其中加强线和低阻抗牵引变压器的补偿效果有限，且设置加强线易增加隧道工程量，工程实施难度较大；动态功率补偿理论上可通过补偿无功功率稳定母线电压，但效果受电力系统短路容量和机车功率因数影响很大，且投资大、运营检修时间长；增压变压器可直接提高接触网电压，但由于电铁负荷波动频繁，对机械开关寿命要求高和运营维护工作量大；串联电容补偿装置是一种静态补偿设备，能随负荷变化自动调节接触网电压，且投资低廉、维护费用低，是一种较为理想的补偿措施。

目前，应用于电气化铁道牵引网上的串联电容补偿一般有2种方式：串接在牵引变电所供电臂首端（所内串补）和串接在供电臂中间（区间串补）。串联电容器容抗一般要求不大于110 kV母线至串联电容装置间的总归算电抗值，以免回路对系统呈现容性，导致谐振放大，一般情况下对电压的补偿效果区间串补装置要大于所内串补装置。

3 移动式串联补偿方案

3.1 方案设置

丽香铁路拉市海至小中甸段，仅在越区供电时需要串联电容补偿装置投入，如果设置在牵引变电所，则需要设置8台串补装置；如果设置在供电臂中部区间，则需要设置8台串补装置；如果设置在供电臂末端分相处，则需要设置4台串补装置；这3种方式均为固定式补偿装置，但针对该线负荷特征，仅在越区供电时需要投入运行，且牵引变电所故障退出运行为小概率事件，如按常规设置固定串联电容补偿装置，则装置可能长期处于不工作状态，电器设备长期闲置于恶劣的高原环境，运行寿命和可靠性将大大降低，同时，为保证每个牵引变电所越区供电时的电压水平，需要在各牵引变电所的供电臂末端均设置固定式串联电容补偿装置，投资较大，此外，设备固定设置于沿线，增加了运营维护的难度和工作量。为此提出了移动式串联电容补偿方案，移动式串联电容补偿装置可以在每一定的供电范围内（约60 km左右）即每个接触网工区设置1台，而不是在每个供电臂都设置1台，这样可以大大节省投资，减少维护量；因此该线可以考虑在新尚、小中甸接触网工区各设置1台，全线总共设置2台串补装置。

3.2 装置原理

移动式串联补偿装置，利用传统串补设备，串联电容是一个集中电容性元件，串接在供电臂首端或供电臂中间，产生的电压降直接与接触网中感抗产生的电压降相抵消，从而减小接触网电压损失，提高接触网末端电压水平；在其基础上进行了改进，将该套装置集成为一体，合理布局，增设接口设备，通过接触网工区的平板车快速的运输到指定的地点，达到减少电压损失，提高接触网末端电压，满足运输组织的需求。装置包括：集合式电容器C、串补旁路隔离开关1QS、串补进出线双极隔离开关2QS、串补旁路断路器QF、放电间隙FJ、旁路开关 S、阻尼电抗器 L、馈线电压互感器 TV、避雷器1F/2F。其主接线原理示意图和平面示意图如图2、图3所示。

图2 主接线原理示意图

图3 串补装置平面示意图

3.3 运输及接口技术

移动式串联电容补偿装置放置于接触网工区内，现行的接触网工区管辖范围在60 km左右（半径30 km），牵引供电系统用移动式串联电容补偿装置平常放置于工区内，当需要时，由接触网作业车牵引平板车，按接触网作业车平均速度80 km/h，2个牵引变电所间距一般不超过40 km计算，可在0.5 h内运输到指定地点，满足现场快速投运、保证运输的需要。平时，移动式串联电容补偿装置和轨道平板车停靠于供电工区内，便于设备保养、维护，一旦有牵引变电所故障、退出运行时，载有该移动式串联电容补偿装置的轨道平板车可迅速行驶到相应车站，停靠站线，并在供电臂末端接触网关节处串联接入、投入运行，保证越区供电时列车运行的电压水平，在故障牵引变电所消除故障、投入运行前，将该移动式串联电容补偿装置与接触网的连接撤除，恢复原正常供电状态。

接触网作业车的移动平台尺寸（长×宽×高）为（13 980～16 480）mm×2 866 mm×1 484 mm，载重 30 t；金属箱体尺寸（长×宽×高）为7 000 mm×2 000 mm×3 000 mm，自重1.5 t；根据铁路规定基本货物的装载限界，能够满足移动式串补装置采用平板车运输的需要。

移动式串联电容补偿装置所有设备整合为一体，实现紧凑化设计，合理布局，采用一个专用箱体，方便移动和挂接，可以采用吊机整体移动到平板车上，方便运输；同时在越区供电需要设置移动式串联电容补偿装置的地方提前做好场坪和基础，并采用简洁、安全、可靠的电缆接口设备，可快速的串接到接触网上，实现移动式串补装置的功能。