列车再生制动对接触网电压影响研究和对策★

余 纲，黄文勋

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043）

0 引言

目前我国电气化铁路动车组多采用交-直-交方式牵引模式。实际运行中动车组频繁启动、加速、惰行和制动，会产生较大的再生制动能量。当交直交机车采用再生制动时，产生的电量将通过受电弓返送至接触网，引起牵引网及接触网系统电压变化，特别是在长大坡道区段，机车刹车及减速，产生制动能量较大，易出现列车制动能力下降、机车断路器断开、接触网电压升高、变电所跳闸等现象，影响牵引供电系统和机车的安全和运行［1-4］。

为了解决牵引网电压抬升问题，本文从国内某典型牵引变电负荷数据为例，定量评估了长大坡区段的日再生制动能量特性，并分析了日再生制动功率最大时刻的牵引网电压抬升情况；然后基于WEBANET仿真软件，模拟分析动车组及交直交机车在极端工况下再生制动时对电气参数的影响；最后提出了解决车网耦合电气特性的工程措施。

1 大功率列车再生制定对牵引网电气参数影响分析

为了深入掌握高速铁路长大坡道区段再生制动能量特性，分析再生制动能量对牵引网电气参数影响，以实测数据入手，分析大功率列车再生制动运行情况下牵引变电所的日负荷有功功率变化曲线如图1所示。

图1 日负荷有功功率变化曲线

由图1可知，实测的各项电气参数统计如表1所示。

表1 该供电臂电能情况

根据测试数据可见，该供电臂位于长大坡道区段，且线路上运行的全部是大功率的交直交型列车，其产生的再生制动能量，即使有一部分被同一供电臂上的其他机车使用，最终反送回电网的再生制动能量仍然比较大［5］。

针对该臂日再生制动功率最大时刻，即采样点为48 100～48 700点时刻，相关电气参数变化见图2～图4。

图2 日再生制动功率最大时刻有功功率曲线

图4 日再生制动功率最大时刻分区所电压曲线

由图3可知，在日再生制动功率的最大时刻，上行T线电流出现了两次陡增，分区所前后有两列机车通过。由图4可知，该时刻分区所电压均出现明显抬升，但均未超过29 kV。其中，上行T线电压抬升最明显，最大值达到28.11 kV，上行F线电压最大值为27.64 kV，下行T线电压最大值为27.65 kV，下行F线电压最大值27.68 kV。

图3 日再生制动功率最大时刻分区所电流曲线

针对上述实测数据分析，考虑到目前电气化铁路已经向高海拔、长大坡道区段发展［6］，因此，开展长大坡道上再生制动对牵引网电压抬升的影响研究是很有必要和意义的。

2 长大坡道机车再生制动对牵引网及接触网电压抬升影响研究

本节基于WEBANET仿真软件，模拟分析了CRH380AL和HXD1机车在不同制动条件下采用最大制动功率制动时对牵引网电压的影响。首先假设存在一段坡道，坡道长度20 km，坡度-30‰，在坡道起点设置一座牵引变电所，坡道终点设置一座分区所，使整个供电臂均位于该坡道上。列车在坡道起点以线路最高运行速度运行，在坡道终点制动减速至0，以保证列车采用最大制动功率制动。下面分别对单面下坡1列机车、单面下坡2列机车追踪和上下行机车追踪运行，采用最大制动功率制动时，牵引网电压的波动情况进行分析。

2.1 单面下坡1列机车最大制动功率的影响

基于上述坡道，模拟一列CRH380AL机车单面下坡运行，采用最大制动功率制动，其功率变化和电压变化曲线如图5，图6所示。

图5 CRH380AL机车功率变化曲线

图6 CRH380AL机车电压变化曲线

由图可知，一列CRH380AL机车单面下坡运行，采用最大制动功率制动时，最大再生制动功率可以达到-10.23 MW，牵引网电压抬升最高为28.78 kV。

基于上述坡道，模拟一列HXD1机车单面下坡运行，采用最大制动功率制动时，其功率变化和电压变化曲线如图7，图8所示。

图7 HXD1机车功率变化曲线

图8 HXD1列车电压变化曲线

由图8可知，一列HXD1机车单面下坡运行，采用最大制动功率制动时，最大再生制动功率可以达到-15.37 MW，牵引网电压抬升最高为29.42 kV，已经超过了国标限值（29 kV）［7］。

经上述分析，正常制动和最大功率制动下，CRH380AL和HXD1机车的制动功率对比如表2所示。

表2 正常制动和最大功率制动下机车的制动功率

2.2 单面下坡机车追踪最大制动功率的影响

基于上述坡道，模拟CRH380AL机车单面下坡追踪运行，采用最大制动功率制动，其电压变化曲线见图9。

图9 CRH380AL机车电压变化曲线

由图9可知，CRH380AL机车单面下坡追踪运行，采用最大制动功率制动时，牵引网电压抬升最高29.18 kV，已经超过了国标限值（29 kV）。

基于上述坡道，模拟HXD1机车单面下坡追踪运行，采用最大制动功率制动，其电压变化曲线如图10所示。

由图10可知，HXD1机车单面下坡追踪，采用最大制动功率制动时，牵引网电压抬升最高为30.01 kV，已经超过了国标限值（29 kV）。

图10 HXD1列车电压变化曲线

2.3 上下行机车追踪最大制动功率的影响

基于上述坡道，模拟CRH380AL机车上下行追踪运行，采用最大制动功率制动，其电压变化曲线见图11。

图11 CRH380AL机车电压变化曲线

由图11可知，CRH380AL机车上下行追踪运行，采用最大制动功率制动时，牵引网电压抬升最高28.01 kV。

基于上述坡道，模拟HXD1机车上下行追踪运行，采用最大制动功率制动，其电压变化曲线如图12所示。

图12 HXD1列车电压变化曲线

由图12可知，HXD1机车上下行追踪运行，采用最大制动功率制动时，牵引网电压抬升最高为28.03 kV。

综合上述分析比较，当单面下坡机车追踪运行，采用最大制动功率制动时，牵引网电压抬升最明显，均超过了国标限值，需对其采取抑制措施，下面对抑制机车再生制动对牵引网电压抬升的措施进行研究。

3 再生制动引起牵引网电压抬升抑制措施研究

为解决再生制动引起的牵引网车网耦合问题，提出如下工程措施，分别为加装吸能装置、加装储能装置、变压器设置有载调压开关和利用同相双边供电技术，下面分别对其进行研究。

3.1 加装吸能装置

在接触网适当地点加装吸能装置，就近释放列车制动能量。其中释放装置可考虑采用电抗器，一般设置在供电臂末端，其原理如图13所示。

图13 分区所加装并联电抗器原理图

搭建了变电所和一条供电臂的仿真模型，在其分区所加装了并联电抗器。为了体现并联电抗器的工作效果，模拟了三种连续运行工况。其中，0 s～0.2 s，该供电臂上没有机车；0.2 s时，两列HXD1机车以最大制动功率（均为-15 MW）制动接入该供电臂，此时并联电抗器未投入运行；0.4 s时，并联电抗器投入运行。此时，分区所牵引网电压波形如图14所示，分区所牵引网电压有效值如图15所示。

图14分区所牵引网电压波形(一)

图15 分区所牵引网电压有效值(一)

由图14，图15可知，0.2 s，机车由制动状态接入牵引网时，分区所牵引网电压由27.5 kV抬升到最高29.78 kV；0.4 s，并联电抗器接入牵引网时，分区所牵引网电压降低到27.72 kV左右。仿真结果证明了吸能装置并联电抗器可以有效解决牵引网电压抬升问题。

3.2 加装储能装置

储能装置一般安装在供电臂末端或首端。储能元器件可考虑采用超级电容形式［8-9］，如图16所示。

图16 分区所加装储能装置原理图

搭建了变电所和一条供电臂的仿真模型，在其分区所加装了储能装置。为了体现储能装置的工作效果，模拟了四种连续运行工况。其中，0 s～0.2 s，该供电臂上没有机车；0.2 s时，两列HXD1机车以最大制动功率（均为-15 MW）制动接入该供电臂，此时储能装置未投入运行；0.4 s时，储能装置投入运行。此时，分区所牵引网电压波形如图17所示，分区所牵引网电压有效值如图18所示。

图17 分区所牵引网电压波形(二)

图18 分区所牵引网电压有效值(二)

由图17，图18可知，0.2 s，机车由制动状态接入牵引网时，分区所牵引网电压由27.5 kV抬升到最高29.78 kV；0.4 s，储能装置接入牵引网时，其以3 MW的充电功率吸收再生制动能量，此时分区所牵引网电压降低到28.13 kV。0.6 s，储能装置以5 MW的充电功率吸收再生制动能量时，此时分区所牵引网电压降低到27.22 kV。仿真结果证明了储能装置可以有效解决牵引网电压抬升问题。

3.3 变压器设置有载调压开关

搭建了变电所和一条供电臂的仿真模型，并对变压器高压侧设置有载调压开关。为了体现变压器设置有载调压开关的工作效果，模拟了四种连续运行工况。其中，在0 s～0.2 s，该供电臂上没有机车；0.2 s时，两列HXD1机车以最大制动功率（均为-15 MW）制动接入该供电臂，此时变压器正常供电，0.4 s时，将有载调压变压器的分接头调整为-2%。0.6 s时，将有载调压变压器的分接头调整为-4%，此时分区所牵引网电压波形如图19所示，分区所牵引网电压有效值如图20所示。

图19 分区所牵引网电压波形(三)

图20 分区所牵引网电压有效值(三)

由图19，图20可知，0.2 s，机车由制动状态接入牵引网时，分区所牵引网电压由27.5 kV抬升到最高为29.78 kV；0.4 s，有载调压变压器的分接头调整为-2%，此时分区所牵引网电压降低为28.67 kV；0.6 s，将有载调压变压器的分接头调整为-4%，此时分区所牵引网电压降低为28.14 kV。仿真结果证明了变压器设置有载调压开关可以有效解决牵引网电压抬升问题［10］。

3.4 同相供电技术

拓扑结构如图21所示。

图21 直接供电方式下同相双边供电系统结构图

在这种拓扑结构下，可以取消分段绝缘器实现同相双边供电。考虑到供电灵活性和防止多个变电所形成环流等原因，保留分段断路器［11］。

搭建了同相双边供电系统模型。为了体现同相双边供电的工作效果，模拟了三种连续运行工况。其中，在0 s～0.2 s，该供电臂上没有机车；0.2 s时，两列HXD1机车以最大制动功率（均为-15 MW）制动接入供电臂，再生制动能量只流入变电所1；0.4 s时，实行双边供电，再生制动能量分别流入变电所1和变电所2。此时，负荷臂分区所牵引网电压波形如图22所示，分区所牵引网电压有效值如图23所示。

图22 负载臂分区所牵引网电压波形

图23 负载臂分区所牵引网电压有效值

由图22，图23可知，在同相供电系统中，0.2 s，机车由制动状态接入牵引网，此时分区所牵引网电压由27.5 k V抬升到最高为29.78 k V；0.4 s，系统实行同相双边供电，此时分区所牵引网电压降低28.37 kV。仿真结果证明了同相双边供电可以一定程度上解决牵引网电压抬升问题。

4 结语

1）针对长大坡道再生制动对牵引网及接触网电压抬升，以某典型牵引变电所实测数据，分析了日再生制动功率最大时刻的牵引网及接触网电压抬升情况。

2）利用WEBANET仿真软件，模拟分析了CRH380AL和HXD1机车在不同制动条件下采用最大制动功率制动时对牵引网电压的影响，得出当单面下坡机车追踪运行，采用最大制动功率制动时，牵引网电压抬升最明显。

3）分析研究了抑制再生制动对牵引网电压抬升的几种对策，并仿真验证了其有效性。