带回流线的直接供电方式牵引供电计算方法研究
2020-05-08陈鲜
陈鲜
（中交铁道设计研究总院有限公司 电通处，北京100089）
1 概述
牵引供电系统为列车及动车组提供不竭的清洁能源，在铁路系统的安全、可靠运行中起着不可或缺的作用。当前我国牵引供电系统采用110kV或220kV 电压等级，经过牵引变电所变压器转变为27.5kV 或55kV（AT 供电方式）电压，再由接触网为电力机车输送电源。因此牵引变电所和接触网所在的牵引供电系统设计及计算，就显得至关重要。
2 牵引供电计算理论及方法
当前在实际工程设计中常用的牵引供电计算方法有“平均行车量”法、“列车运行图”法及“概率统计”法。在开展牵引供电系统的设计及计算时，应当依据工程的特点及各种方法的适用场合，及供电计算所需参数及资料，确定供电计算需要采取何种具体方法，以便满足工程的实际需求[2]。
本文主要采用概率统计法进行分析。通过概率统计理论，展现供电区段中移动的、且随时间变化的机车牵引负荷的随机变化规律，从而得出某供电臂在95%概率情况下的各类电流数值及最低电压水平等，即所谓牵引供电计算概率统计法[2]。
概率统计法在牵引供电计算中应用较普遍，尤其是计算单线电气化区段供电臂的电流和电压损失等参数，及能耗不均匀时供电臂的电能损失等的计算方面较有优势[3]。本文分析算例为单线铁路，适合采用概率统计法进行计算和分析。
3 牵引供电计算用到的基本公式
3.1 主要技术指标计算公式
3.1.1 供电臂平均电流Ip。本文供电方案采用单边供电方式，其供电臂平均电流可表示如式（1）[1]。
其中N——供电臂中的列车对数（对/日）；
Ai——电力机车在供电臂内上、下行全部走行时间内的能耗（kVA·h）。
3.1.2 供电臂有效电流Ix
式中Kx——供电臂有效电流系数。
3.1.3 上行馈线最大电流Imax上
式中Ig上——上行供电臂电力机车带电平均电流；
w——95%带电概率列车数，由供电臂95%最大车数一览表查表得出，也可采用概率统计方法进行计算。
3.1.4 牵引变压器计算容量S
式中U——牵引变电所母线侧额定电压，即27.5kV；
3.1.5 牵引变压器校核容量Sj
3.1.6 牵引供电系统的电压水平Umin
（1）接触网电压损失
式中r——牵引网单位电阻（Ω/km）；
L——供电臂长度；
cosφ——功率因数。
（2）牵引变压器电压损失
式中zT——牵引变压器阻抗。
（3）牵引网并联供电时的最低电压水平Umin
式中ΔUs——电力系统的电压损失，一般暂按2000V考虑。
3.2 电能损失及牵引能耗计算
3.2.1 电能损失
本文供电方案采用单相V/V结线形式的牵引变压器，本节公式适用于单相V/V结线牵引变压器。
（1）牵引变压器年空载损耗
式中ΔPC——每台牵引变压器额定铁耗（kW）。
（2）牵引变压器年负载损耗
式中ΔPt——每台牵引变压器额定铜耗（kW）；
IH——每台变压器27.5kV侧额定电流（A）。
牵引变压器年电能损失为其年空载损耗ΔAC与年负载损耗ΔAt之和。
（4）牵引网年电能损失
式中m——供电臂内的平均列车数；L——供电臂长度（km）；It——供电臂列车平均电流（A）；α——列车电流间断系数；
牵引变电所年电能损失为ΔAT与ΔAQ之和。
3.2.2 变电所牵引能耗
式中ΔAxc——供电臂上下行能耗之和。
牵引能耗为变电所牵引能耗与年电能损失之和。
4 实例分析
以华中某铁路专用线为例，说明牵引供电计算的过程。该专用线长42km，近远期运量均为10000 吨，采用HXD系列机车双机牵引。根据线路长度和线路特点，推荐采用带回流线的直接供电方式，在该专用线车站B大里程方向设置一座直接供电方式牵引变电所。
4.1 牵引供电计算基础数据
表1 是由行车专业提供的该专用线区间运行时分、能耗数据。
表1 行车专业提供的专用线区间运行时分、能耗数据
4.2 牵引供电计算结果
以4.1 和4.2 节牵引供电公式为基础，编写牵引供电计算表格，将专用线区间运行时分、能耗数据代入牵引供电计算表格，可得到表2 数据。
表2 牵引供电系统主要技术指标参数
计算容量为牵引变压器在近期所需的功率。校核容量为紧密运行时，牵引变压器所需功率。
由表2 知牵引网最低电压水平为22.4kV，接触网要求最低工作电压不低于19kV，因此满足电力机车牵引供电需求。
由牵引供电计算表格还可得到牵引供电系统电能损失及需用功率：
表3 牵引供电系统电能损失及需用功率
需用功率由年用电量除以年最大负荷利用小时数（4600h）计算。
4.3 计算结果分析
校核容量由列车紧密运行时的校核容量计算公式得出，根据供电臂1（车站A- 车站B）和供电臂2（车站B- 车站C）所需用电量可确定牵引变压器的安装容量为2×(12.5+12.5)MVA，一台运行，一台备用。
