提高接触网末端电压设计方案研究

2014-03-13郑书慧

电气化铁道 2014年2期

悦琳，郑书慧

0 引言

大准线电气化铁路开行万吨列车，由于供电臂电流的增大，供电臂末端接触网电压降低，经常发生电力机车在供电臂末端由于接触网电压过低造成电力机车跳闸的现象，严重影响铁路运输。通过认真分析研究，制定了技术合理、投资小、便于实施的设计方案，工程实施后，接触网末端电压得到了显著的提高。

1 接触网电压过低的原因及改善措施分析

大准线电气化铁路开行万吨列车，由于供电臂电流的增大，牵引供电设备及供电线路的电压损失增大，造成供电臂末端接触网电压降低。电压损失主要分布：110 kV 供电线路产生的电压损失；牵引主变压器产生的电压损失；接触网线路产生的电压损失。

综合考虑上述原因，提出相应的改善措施及可行性分析，参见表1。

表1 接触网电压过低原因分析对策表

通过表1 可以看出，可能采取的措施有三项：

（1）更换大容量、低阻抗变压器，这样可以降低变压器的阻抗，减少变压器的电压损失，达到提高接触网电压的目的。

大准线牵引变电所主变压器接线形式为V/v接线，主变压器（下文简称主变）容量为（16+16）MV·A 或（10+16）MV·A，短路电压百分比Ud% = 10.5。以变压器额定容量10 MV·A 供电臂为例，其电压损失：

式中，XT为牵引变压器电抗值，0.105×27.52/10 = 7.94；IG为供电臂电流；按一列万吨，双S4机车运行，取704 A；φ为牵引负荷功率因数角，按cosφ = 0.8 计算，sinφ = 0.6。

若牵引变压器更换为主变容量20 MV·A、短路电压百分比Ud%为8.4 的牵引变压器，其主变的电压损失：

由此可以看出，利用上述方法可使其主变的电压损失减少60%。

由于大准铁路公司已经开始规划大准二线工程，在该工程中将对牵引变压器进行增容改造，故该次设计中暂不考虑更换大容量、低阻抗变压器。

（2）采用动态电容补偿装置，减少变压器的电压损失，达到提高接触网电压的目的。

大准线各牵引变电所均采用静态电容补偿装置，月平均功率因数可达0.9，但动态功率因数、特别是重负荷时功率因数远小于0.9，故此，若采用动态电容补偿装置使动态功率因数大于0.9，其电压损失：

较原来采用静态电容补偿装置时，其主变的电压损失可减少28%。

由于大准铁路公司已经开始规划大准二线工程，在该工程中将对牵引变电所改造，故该次设计中暂不考虑增设动态电容补偿装置。

（3）改造接触网，降低接触网阻抗，减少接触网电压损失，达到提高接触网电压的目的。

大准线接触网主要参数：正线采用GLZC-120+FGLC-260 或LBGJ-120+GLCN-250，站线采用GLZE-30+FGLC-195 或LBGJ-70+GLCN-195，回流线采用LJ-185 单根单列，供电线采用LJ-185单根单列。

接触网单位阻抗Z_1= 0.125 + j0.363，按牵引负荷功率因数0.8 考虑，接触网等效阻抗：

Z_1*= cosφ×0.125 + sinφ×0.363 = 0.8×0.125+ 0.6×0.363 = 0.318 (Ω)

按供电臂长LGDB= 20 km、负荷电流IG仍按704 A 计算，接触网电压损失：

ΔUJCW= IGLGDBZ_1= 704×20×0.318 =4 478 (V)

故此，既有大准线牵引侧电压损失

ΔU = ΔUT+ ΔUJCW= 3 354 + 4 478 = 7 832 (V)

接触网末端电压为27.5 - 7.83 = 19.67 kV，小于规范规定的20 kV。这是按供电臂上有一列万吨列车，且万吨列车的功率因数是按0.8 计算的。实际运行中，供电臂上可能有一列万吨列车以外的其它列车，这样供电臂电流就大于704 A，牵引侧的电压损失就会更大。而且实际中SS4电力机车的功率因数因工况不同最低可达0.6，如按负荷功率因数0.6 计算：

ΔUT= sinφ XTIG= 0.8×7.94×704 = 4 472 (V)

Z_1*= cosφ×0.125 + sinφ×0.363 = 0.6×0.125+ 0.8×0.363 = 0.365 (Ω)

ΔUJCW= IGLGDBZ_1= 704×20×0.365 =5 140 (V)

牵引侧电压损失：

ΔU = ΔUT+ ΔUJCW= 4 472 + 5 140 = 9 612 (V)

接触网末端电压为27.5 - 9.61 = 17.89 (kV)，这样就有可能引起电力机车跳闸。

通过上述分析还可以看出：接触网的电压损失占牵引侧电压损失的50%以上，降低接触网阻抗，可有效减少牵引侧电压损失，以提高供电臂末端接触网电压。故此，该次设计，利用改造接触网，降低接触网阻抗，减少接触网电压损失达到了提高接触网电压的目的。

2 降低接触网阻抗设计方案

2.1 更换接触悬挂线型方案

在设计初期，大准铁路公司提出将正线GLZC-120+FGLC-260 或LBGJ-120+GLCN-250 接触悬挂线型，更换为THJ-120+CTHA-150 接触悬挂线型，期望降低接触网阻抗。

接触网阻抗主要由接触线承力索-地回路自阻抗（Zjcw）、钢轨回流线-地回路自阻抗（ZHL）构成，接触网等效电路如图1 所示，接触网单位阻抗：Z=为接触线承力索与钢轨回流线间互阻抗。

当更换接触悬挂线型时，Zh、ZHL基本没有变化，只有Zjcw因接触网线材的改变发生变化。

承力索、接触线-地回路自阻抗等效电路如图2所示，ZC为承力索-地回路自阻抗、Zj为接触线-地回路自阻抗、Zjc为接触线与承力索间互阻抗，Zjc=0.05 + j0.145lgDg/ Djc，Djc为接触线承力索平均间距。

图1 接触网等效电路图

图2 承力索、接触线-地回路等效电路图

当更换接触悬挂线型时，Zjc基本没有变化，只有Zj、ZC因接触网线材的改变发生变化，且：

式中，rj为接触线的有效电阻；Dg为等效地回线入地深度；Rej为接触线的等效半径；rc为承力索的有效电阻；Dg为等效地回线入地深度；Rec为承力索的等效半径。

由此看出，影响接触线或承力索-地回路自阻抗的因素有：线材的有效电阻r、等效地回线入地深度Dg、线材的等效半径Re。Dg只与大地电导率有关，与接触悬挂线材无关。只有r 和Re与接触悬挂线材有关。

CTHA-150 铜接触线的r 为0.118 3 Ω/km，GLC120/260 钢铝接触线的r 为0.143 Ω/km。

线材的等效半径Re= a×R，其中，a 为线材的等效系数，铜接触线为0.78，钢铝接触线为0.95。

CTHA-150 铜接触线的半径R 为7.125，等效半径Re为5.558；GLC120/260 钢铝接触线的R 为9.3，等效半径Re为8.835。

由此可以看出，将钢铝线更换为铜线，接触网电阻值减小、接触网电抗值可能会增大，因钢铝线的等效半径Re大于铜线，将钢铝线更换为铜线后Dg/Re会增大。

经计算：GLZC-120+FGLC-260、回流线LJ-185悬挂类型的接触网单位阻抗为0.124+j0.364，其模为0.384 Ω，阻抗角为71.152°；THJ-120+ CTHA-150、回流线LJ-185 悬挂类型的接触网单位阻抗0.097 + j0.373，其模为0.386 Ω，阻抗角为75.491°。

故此，将正线GLZC-120+FGLC-260 接触悬挂线型更换为THJ-120+CTHA-150 接触悬挂线型，不能降低接触网单位阻抗。

2.2 增设接触网加强线方案

在既有接触网上增设LJ-185 型加强线，以降低接触网阻抗。带有加强线接触网的阻抗主要由接触线承力索加强线-地回路自阻抗（Zjcw）、钢轨回流线-地回路自阻抗（ZHL）构成，接触网单位阻抗：为接触线承力索加强线与钢轨回流线间互阻抗。接触线、承力索、加强线-地回路自阻抗等效电路如图3 所示，ZC为承力索-地回路自阻抗、Zj为接触线-地回路自阻抗、Zq为加强线-地回路自阻抗、Zjcq为接触线承力索加强线间互阻抗，Zjcq= 0.05 + j0.145lg Dg/ Djcq，Djcq为接触线、承力索、加强线平均间距。Zjc为接触线与承力索间互阻抗，Zjc= 0.05 + j0.145lg Dg/ Djc，Djc为接触线承力索平均间距，加强线一般采用在支柱的田野侧用增高肩架的方式架设，因此，Djcq＞Djc，Zjcq＜Zjc。