青藏铁路格尔木至拉萨段牵引供电方案研究

靳 松

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

青藏铁路格拉段地处青藏高原，全长1 136.338 km。其中，海拔+4 000 m以上地段长约960 km，连续多年冻土区长度546.43 km[1]，具有“多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱[2]”3个特殊环境。考虑到沿线自然条件恶劣，牵引供电设施运营维护极其困难[3]；该线限坡20‰[1]，线路长大坡道连续，列车牵引功率大(与350 km/h动车组相当)，列车持续取流要求高；列车惰行通过接触网电分相后降速严重，一旦掉入电分相无电区后，单线铁路列车救援时间长，对客运安全造成不利影响[4]；接触网电分相作为列车取流的薄弱环节，是弓网故障的高发点[5]，综合上述各种因素，宜尽量少设置接触网电分相。

1 牵引供电重难点

(1)线路限坡大、牵引负荷大，对牵引供电系统供电能力要求高。格拉铁路限坡为20‰[1]，在翻越昆仑山、风火山等区间线路多为连续大坡道，且全线多数区间均有局部大坡度出现。根据牵引计算，货车最大功率(网侧)约为23.8 MVA。因此，要求牵引供电系统具有较高的供电能力。

(2)沿线自然条件恶劣，供电设施应便于运营维护。格拉铁路具有空气稀薄、气压低，辐射强烈，日照多，气温随海拔和纬度的升高而降低，气温日较差大，大风多发[6]，地震强度大、频次高[7]等特殊气候及环境条件。针对格拉段沿线自然环境特点、线路特征，牵引供电设施应以少维护、少维修为原则，应便于运营维护。

(3)列车限速低，宜少设电分相。根据计算，格拉铁路不同坡度旅客列车加速、惰行距离见表1。

表1 不同坡度旅客列车加速惰行距离Tab.1 Accelerated idle distance of passenger trains with different slopes

需要说明的是，当线路坡度为20‰时，列车的最高速度限制为89 km/h；当线路坡度为15‰时，列车的最高速度限制为108 km/h。为提高运输质量、保证运行可靠性、减少列车“掉分相”几率，本线宜尽量少设电分相。

2 牵引供电方式介绍

2.1 牵引网单边、贯通供电方式原理

(1)牵引网单边供电方式。目前我国电气化铁路牵引供电系统一般采用牵引网单边供电方式[8]，即在牵引所处及牵引所之间设置电分相，如图1所示。

图1 牵引网单边供电方式示意Fig.1 Schematic diagram of unilateral power supply mode of traction network

(2)牵引网贯通供电方式。牵引网贯通供电方式为当多座牵引变电所的外部电源来自同一地方变电站(外部电源采用树形供电)，取消牵引变电所处及牵引所之间电分相实现多座牵引所供电范围内接触网电气贯通的供电方式，如图2所示。

图2 牵引网贯通供电方式示意Fig.2 Schematic diagram of traction network through power supply mode

2.2 牵引网单边、贯通供电方式特点

(1)与单边供电方式相比，贯通供电方式减少电分相数量，能改善供电质量、提高供电能力，减少列车过电分相时烧损接触网和“掉分相”可能性，减少列车过电分相失去动力的“掉速”问题。

(2)与单边供电方式相比，贯通供电方式要求相邻两所或多所外部电源需由同一地方变电站供电。

3 牵引供电方案比选

由于本线为单线铁路，列车运行具有一定的随机性，且如暑运、军运或者其他紧急情况时的列车运行图更难以预料。因此，本线结合“列车运行图法”及“概率算法”特点进行供电系统参数计算：利用列车功率(网侧)—距离曲线，“逐站逐区间”分析列车负荷；根据各区间列车最大功率，采用列车功率替代既有“概率统计方法”里的电流进行参数计算；参照TB/T 1652—1996《牵引供电系统电压损失的计算条件和方法》，并充分考虑本线负荷特点，确定负荷位置。

3.1 牵引负荷分析

全线按照货车(HXD1双机)牵引4 000 t、不停站计算，列车功率(网侧)—距离曲线如图3所示。

图3 列车功率(网侧)—距离曲线Fig.3 Train power (grid side) distance curve

根据全线上、下行牵引计算结果，本线绝大部分区间列车出现大功率运行工况，最大功率为23.8 MVA。

3.2 牵引网单边供电方案

采用单边供电时，外部电源可采用330 kV(220 kV)或110 kV，牵引供电系统可采用带回流线的直接供电方式(TRNF)和AT供电方式。以典型的沱沱河至通天河段为例，采用“列车运行图法(仿真计算)”进行分析，对供电能力进行分析如下。

3.2.1 带回流线的直接供电方式供电能力分析

(1)供电方案。在沱沱河、通天河设牵引变电所，在开心岭设电分相。供电方案如图4所示。

图4 沱沱河至通天河段供电示意图(TRNF)Fig.4 Schematic diagram of power supply from Tuotuo River to Tongtian River section(TRNF)

(2)外部电源采用330 kV时供电能力。①仿真输入参数。根据地理位置及电力部门资料，沱沱河牵引变电所距规划风火山330 kV变电站约85.6 km，牵引变电所进线处短路容量约1 232 MVA；通天河牵引变电所距规划塘岗330 kV变电站约52.4 km，牵引变电所进线处短路容量约1 040 MVA。本线为单线铁路，列车按区间自动站间闭塞运行。两区间内列车运行规则见表2。据此，并按列车在车站停站开展的仿真，仿真计算运行如图5所示。②供电能力仿真结果。对应4种运行方式下的牵引网电压仿真结果如图6所示。通过仿真计算可以看出，4种运行方式下供电臂末端最低网压为20.5 kV，满足1列货车的运行要求。③供电能力仿真结论。采用带回流线的直接供电方式，牵引变电所进线采用330 kV电源进线，1个供电臂能供1个区间，供电能力满足1列货车运行要求。

图5 仿真运行Fig.5 Simulation running diagram

图6 牵引网电压仿真结果(330 kV)Fig.6 Simulation results of traction network voltage(330 kV)

表2 仿真用列车运行规则Tab.2 Train operation rules for simulation

(3)外部电源采用110 kV时供电能力。①仿真输入参数。根据地理位置及电力部门资料，沱沱河设牵引变电所距规划风火山330 kV变电站约85.6 km，牵引变电所进线处短路容量约280 MVA；通天河设牵引变电所距规划塘岗330 kV变电站约52.4 km，牵引变电所进线处短路容量约214 MVA。仿真用列车运行规则如上节。②供电能力仿真结果。对应4种运行方式下的供电臂电压如图7所示。通过仿真计算可以看出，4种运行方式下供电臂末端最低网压为18.1 kV(已采取增设加强线等提高网压措施)，供电能力仍不能满足1列货车的运行要求。③供电能力仿真结论。当110 kV系统短路容量很小，即使采取增设增加强线等提高网压措施后，仍然难以满足1列货车运行要求。

图7 牵引网电压仿真结果(110 kV)Fig.7 Simulation results of traction network voltage(110 kV)

3.2.2 AT供电方式供电能力分析

(1)供电方案。以沱沱河至通天河段为例，对于AT供电方式，提出如下2个方案。①方案1：沱沱河牵引变电所供电至开心岭至通天河区间，供电臂长约31 km；②方案2：沱沱河牵引变电所供电至通天河，供电臂长度约为41.75 km。供电方案如图8所示。

图8 沱沱河至通天河段供电示意(AT)Fig.8 Schematic diagram of power supply from Tuotuo River to Tongtian River section (AT)

(2)仿真输入参数。①系统短路容量。根据地理位置及电力部门资料，沱沱河设牵引变电所距规划风火山330 kV变电站约85.6 km，牵引变电所进线处短路容量约1 232 MVA。由于系统短路容量较小，难以适应AT供电方式后较大牵引负荷的需要。因此，AT供电方式不考虑采用110 kV电源方案。②仿真用列车运行规则。运行图同上节。

(3)供电能力仿真结果。2个供电方案对应的4种运行方式下的供电臂电压如图9、图10所示。

图9 方案1牵引网电压仿真结果Fig.9 Scheme 1 traction network voltage simulation results

图10 方案2牵引网电压仿真结果Fig.10 Scheme 2 traction network voltage simulation results

通过仿真计算可以看出，4种运行方式下，方案1供电臂末端最低网压为21.6 kV，方案2供电臂末端网压低于19.0 kV(已采取增设加强线等提高网压措施)。

(4)供电能力仿真结论。采用AT供电方式，牵引变电所进线采用330 kV电源进线，供电臂长度为30 km(一个半区间)时，供电能力满足运行两列货车的要求。但由于AT供电方式接触网结构复杂，且部分AT所设置于区间，当全线采用AT供电方式时，牵引供电设施总数量反而高于直接供电方式，导致运营维护困难。

3.2.3 牵引网贯通供电方案

(1)供电方案原理。设铁路中心牵引变电所(CPS)，再设若干普通牵引变电所(SPS)。铁路中心牵引变电所由三相供电，普通牵引变电所由单相供电，普通牵引所与中心所均接入电力系统变电站同一母线上。中心牵引变电所内利用三相负序补偿装置进行负序补偿；普通牵引变电所采用单相接线牵引变压器，牵引网上不设电分相。方案如图11所示。

图11 供电技术方案示意Fig.11 Schematic diagram of power supply technology scheme

(2)供电能力分析。牵引网贯通时，各方案牵引供电系统供电能力基本相当。以风火山至唐古拉段为例，对采用牵引网单边供电方案与牵引网贯通方案、牵引网采用TRNF供电方式供电能力，与牵引网单边供电方案进行对比分析。①供电方案。采用牵引网单边供电方案(牵引网采用TRNF供电方式)共设置7座牵引变电所，牵引变电所分布如图12所示。采用牵引网贯通方案(牵引网采用TRNF供电方式)设置5座牵引变电所，牵引变电所分布如图13所示。②供电能力仿真结果。按照牵引变电所采用330 kV电源供电。本次按列车上、下行分别单方向追踪运行的同一种行车方式进行仿真，2种供电方式下的牵引网最低网压如图14所示。

图12 牵引所间设电分相供电方案Fig.12 Scheme of split-phase power supply between traction stations

图13 牵引网贯通供电方案Fig.13 Traction network through power supply scheme

图14 2种供电方式下的牵引网最低网压Fig.14 Minimum network voltage of traction network under 2 power supply modes

(3)供电能力仿真结论。通过对2种供电方式下供电能力计算可知，相同运行条件下，牵引网贯通供电的牵引变电所数量减少了30%(2座)，但由于牵引负荷分布更加合理、列车再生能量得到充分利用，牵引网最低网压反而较单边供电时高(最低达21.3 kV)。同时，由于牵引变电所间取消了电分相，避免了列车通过电分相的掉速问题、杜绝了列车掉入电分相的风险、提高了接触网的可靠性。

4 结论

针对本线自然环境特点、线路特征，对牵引供电方案进行了分析，主要研究结论及建议如下。

(1)针对线路限坡大、牵引负荷大、波动大，牵引供电系统供电能力要求高等特点，分别按牵引网单边供电、牵引网贯通供电两大类提出了多种牵引供电方案。经研究，牵引网单边供电方案中，采用330 kV(220 kV)电源进线的TRNF供电方案，供电能力强、运营维护较便利，具有一定的优势。

(2)牵引网贯通供电方式与牵引网单边供电方式相比：牵引网贯通供电方案投资较省；贯通供电优化了牵引负荷潮流分布、列车再生能量也能够得到充分利用，牵引供电系统供电能力强；节省牵引变电所数量，节省了运营成本、降低了维护工作量；由于取消了电分相，可以消除牵引供电的无电区，避免了列车通过电分相的掉速问题、杜绝了列车掉入电分相的风险、提高了供电可靠性，特别有利于大坡道和长大坡道安全运行。因此，牵引网贯通供电方式可以优先选择。