牵引变电所变压器增容容量的验证分析

许 冰，袁立忠

0 引言

京哈铁路（北京至秦皇岛段）由于运量的增加及行车组织方式的变化，特别是自2008 年始开行大量重联动车组和重载铁路运输，使得电力机车通过接触网取流增大，牵引变电所负荷急剧增加，频繁发生变电所内主变压器过负荷保护动作跳闸，线路停电现象，严重影响了铁路运输秩序，浪费了铁路企业人力物力。

北京至秦皇岛段铁路运输量的增长幅度较大，既有牵引供电设备设计能力已不能满足当前运输需求，原牵引网设计载流能力不能满足目前运输状况，为防止牵引变电设备过负荷故障，保证铁路正常运输秩序，必须对牵引供电系统进行扩能改造。

1 京哈铁路牵引供电系统扩能改造状况

京哈铁路于2008—2009 年实施了所内变压器更换为较大额定容量变压器，牵引网进行相应配套升级的增容改造方案，该段300 km 电气化铁路分三段（北京至燕郊、燕郊至狼窝铺、狼窝铺至秦皇岛）在不同的年代建成，其设计技术标准和牵引供电能力均不同，其中北京至燕郊段牵引网采用直供加回流线供电方式，建有双桥牵引变电所，所内牵引变压器额定容量由2×25 MV·A 增容至2×31.5 MV·A；燕郊至狼窝铺段采用AT 供电方式，建有蓟县南、狼窝铺2 座牵引变电所，所内牵引变压器额定容量由2×40 MV·A 增容至2×63 MV·A；狼窝铺至秦皇岛段牵引网采用直供加回流线供电方式，建有马柳、昌黎2 座牵引变电所，所内牵引变压器额定容量由2×25 MV·A 单相变压器增容至2×31.5 MV·A。

牵引变电所变压器容量增容后，馈线断路器、隔离开关、母线等设备容量也相应升级，并在设备增容基础上改造所内配套继电保护系统，对牵引网载流能力进行了相应提升，以满足运量增加要求。

根据变电所供电臂长度和线路通过列车参数，本文对直供加回流区段变电所单相变压器的增容容量进行验证。

2 牵引变压器额定容量确定依据

2.1 额定容量确定步骤

牵引变压器额定容量确定分3 个步骤：

（1）按照铁道部规定年运量大小和行车组织要求，根据线路通过机车的运行参数和行车密度，进行牵引计算，计算馈线电流的平均电流、有效电流，确定变压器的计算容量。

（2）根据机车紧密运行情况下，2 个方向供电臂最大电流、有效电流，确定变压器最大负荷；充分考虑变压器的过载能力，计算其校核容量。

（3）对比计算容量与校核容量，选择两者较大者，并根据实际变压器系列产品的规格确定变压器额定容量。

2.2 容量确定计算公式

对于单相接线变压器，其计算容量如式（1）：

式中，S 为所内变压器计算容量，kV·A，∑Iε为牵引变电所母线有效电流；U 为牵引变电所牵引母线额定电压，取27.5 kV。

当存在2 个供电臂时：

式中，Iεα为一供电臂有效电流，Ipα为其平均电流；Iεβ为另一供电臂有效电流，Ipβ为其平均电流。

2.3 容量确定校核公式

单相接线变压器最大负荷为

式中，Smax为最大负荷，kV·A；Iα,max为重负荷供电臂最大电流；Iεβ为轻负荷供电臂有效电流；U 为牵引变电所牵引母线额定电压，取27.5 kV。

根据牵引变压器过负荷能力规定，考虑充分利用牵引变压器过负荷能力，北京至秦皇岛段牵引变电所过负荷能力按2.0 倍校核。

式中，S校为变压器校核容量；K 为过负荷倍数，取2.0。

2.4 额定容量确定

当变压器计算容量与校核容量确定后，选择两者中较大者，并按照既有牵引变压器系列产品和备用方式，确定最后额定容量的大小。

2.5 变电所馈线电流确定公式

在牵引计算中，馈线电流是确定牵引供电设备（如变电所中电源进线、变压器、馈线断路器、接触导线等）容量的重要数据，馈线电流有许多计算方法，常用的方法有3 种，分别为负荷过程法、同型列车法与概率统计法，本文采用负荷过程法对馈线电流进行计算。

负荷过程法是根据一定时间T（一般为1 天）内，馈线电流与时间两者之间曲线关系，iF= f(t)，t∈T，计算出规定时间内馈线有效电流、平均电流。

全日平均电流：

全日平均有效电流：

3 京哈铁路变电所变压器增容容量的验证

3.1 京哈铁路通过列车运行参数

目前北京至秦皇岛段通过列车情况如下：电力牵引列车96 对/日，其中货车72 对/日（5 000 t，SS1、SS3、SS4）；客车14 对/日（SS9）；动车组10对/日（CHR5重联）。列车追踪间隔为5 min；为充分考虑变压器容量裕度，按线路满足全部开行重联动车组CRH5（2×8 辆编组），5 min 追踪运行条件计算牵引变电所馈线电流，考虑变电所取流最大的情况进行计算。

参考现场记录重联动车组运行电气参数数据，200 km/h 匀速取流120～200 A；加速、曲线、上坡出现大电流450～490 A。

3.2 双桥牵引变电所变压器增容容量验证

（1）双桥牵引变电所北京方向供电臂馈线电流计算。双桥牵引变电所北京方向有2 个供电臂，两者长度之和26.12 km；动车组按200 km/h 运行，运行7.836 min，按5 min 追踪间隔，上行（下行）供电臂有2 列动车组共同运行的时间为2.836 min；重联动车组匀速取流120～200 A，取最大值200 A进行计算。

根据式（5），得出北京方向供电臂（上行+下行）平均电流Ipα：

根据式（6），得出北京方向供电臂（上行+下行）平均有效电流Iεα：

（2）双桥牵引变电所秦皇岛方向供电臂馈线电流计算。双桥牵引变电所秦皇岛方向供电臂长度23.84 km；动车组按200 km/h 运行，运行7.15 min，按5 min 追踪间隔，上行（下行）供电臂有2 列动车组共同运行的时间为2.15 min。

重联动车组匀速取流120～200 A，取最大值200 A 进行计算。

根据式（5），得出秦皇岛方向供电臂（上行+下行）平均电流Ipβ：

根据式（6），得出秦皇岛方向供电臂（上行+下行）平均有效电流Iεβ：

（3）双桥牵引变电所重负荷臂（北京方向供电臂）最大电流取值。双桥牵引变电所重负荷臂为北京方向供电臂，最大电流取重联动车组加速、曲线、上坡出现的电流490 A 进行计算，两列重联动车组运行取流为980 A，北京方向供电臂上下行最大电流取1 960 A。

（4）计算双桥牵引变电所变压器增容后的额定容量。

a.双桥牵引变电所变压器计算容量。将上述计算所得北京方向供电臂平均电流Ipα= 544.77 A，平均有效电流Iεα= 577.69 A，秦皇岛方向供电臂平均电流Ipβ= 520.28 A，平均有效电流Iεβ= 551.67 A代入式（1）和式（2），得出变压器计算容量S 为

b.双桥牵引变电所变压器校核容量。将重负荷臂最大电流1 960 A，轻负荷臂有效电流Iεα= 551.67 A 代入式（3），得到变压器最大负荷容量为

充分利用牵引变压器过负荷能力，北京至秦皇岛段牵引变电所过负荷能力按2.0 倍校核。将Smax=69.071 MV·A，K = 2 代入式（4），得到校核容量S校为34.535 MV·A。

c.双桥牵引变电所变压器额定容量。对比变压器计算容量S = 30.187 MV·A 与校核容量S校=34.535 MV·A，选择其中最大者S校作为确定额定容量的依据，根据目前牵引变压器系列产品，充分利用变压器的过负载能力，综合考虑以上因素，双桥牵引变电所主变压器额定容量确定为2×31.5MV·A（一主一备），是符合运行要求的。

3.3 马柳牵引变电所变压器增容容量验证

马柳变电所供电臂，北京方向长21.90 km，秦皇岛方向长28.95 km，重联动车组匀速取流120～200 A，取200 A 计算验证，依据上述公式，计算得北京方向供电臂平均电流Ipα= 496.98 A，平均有效电流Iεα= 525.71 A，秦皇岛方向供电臂平均电流Ipβ= 577.78 A，平均有效电流Iεβ= 611.01 A，得出变压器计算容量S = 30.424 MV·A，校核容量S校=34.179 MV·A，取两者中最大者S校作为确定额定容量的依据，根据目前牵引变压器系列产品，充分利用变压器的过负载能力，综合考虑以上因素，牵引变电所主变压器额定容量确定为2×31.5MV·A（一主一备），是符合运行要求的。

3.4 昌黎牵引变电所变压器增容容量验证

昌黎变电所供电臂，北京方向长34.10 km，秦皇岛方向长26.107 km，重联动车组匀速取流120～200 A，取200 A 计算验证，按照上述公式，计算得北京方向供电臂平均电流Ipα= 600 A，平均有效电流Iεα= 632.46 A，秦皇岛方向供电臂平均电流Ipβ= 544.57 A，平均有效电流Iεβ= 577.48 A，得出变压器计算容量S = 32.387 MV·A，校核容量S校=34.890 MV·A，取两者中最大者S校作为确定额定容量的依据，根据目前牵引变压器系列产品，充分利用变压器的过负载能力，综合考虑以上因素，牵引变电所主变压器额定容量确定为2×31.5MV·A（一主一备），是符合运行要求的。

4 结论

京哈铁路的北京至秦皇岛段随着运量的增大，牵引负荷的急剧增加使沿线牵引变电所过负荷现象频繁发生，经常发生保护动作跳闸线路停电现象，严重影响了运输秩序，牵引供电系统扩能改造势在必行，该段线路实施了变电所内更换较大额定容量变压器，牵引网进行相应配套升级的增容改造方案，确定直供加回流区段变压器额定容量由25 MV·A 增至31.5 MV·A，AT 区段变压器额定容量由40 MV·A 增至63 MV·A，并对其他变电设备、牵引网容量进行配套设计，通过验证计算和实际运行证明，牵引变压器增容后的额定容量和其他牵引供电设备的配套升级是满足目前运量增大后线路牵引负荷要求的。

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