匈塞铁路牵引供电设计总结及思考

马志远，董志杰，曲衍宁，尚国旭

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

引言

在铁路“走出去”的背景下，对于铁路建设采用非中国标准，在设计、施工、产品等方面都对中国铁路带来巨大挑战。总体来说，牵引供电在标准上与欧标基本等效，但在一些规范规定、运行习惯、建设等方面与国内有所不同，目前缺少在欧洲铁路设计、施工等实际应用工作，缺乏对欧洲铁路建设深入的了解，同时还涉及产品认证等相关问题，给中国铁路走出去带来一定难度。本文借助采用TSI和当地标准、中方实施的匈塞铁路项目，对牵引供电方面设计进行总结，为后续牵引供电系统海外工程设计提供一些参考及国内设计可以借鉴的做法。

1 匈塞铁路牵引供电设计标准及规范

1.1 主要技术标准及规范

匈塞铁路有关牵引供电主要技术标准、规范以及与中国标准对应情况见表1。下述欧标匈牙利及塞尔维亚均转换为本国标准，匈牙利为MSZEN，塞尔维亚为SRPSEN。

表1 匈塞铁路牵引供电主要设计标准、规范及相应中国标准

1.2 主要技术指标

根据欧标及当地标准、规范要求，牵引供电设计中主要涉及供电电压质量、牵引变压器容量、接触电压、谐波和动态分析等技术指标，下节结合匈塞铁路牵引供电设计情况进行说明。

2 匈塞铁路牵引供电相关设计

2.1 匈塞铁路项目概况

匈塞铁路位于欧洲中部匈牙利和塞尔维亚境内，线路起点为匈牙利共和国首都布达佩斯，经克莱比奥、苏博蒂察、诺维萨德到达塞尔维亚首都贝尔格莱德中心站，其中匈牙利段151 km，塞尔维亚段184 km，设计速度匈牙利段160 km/h，塞尔维亚段200 km/h，均为既有电气化铁路增二线改造，全线设计标准为采用TSI和本地标准。既有匈牙利段采用直接供电方式，由3座牵引变电所供电，牵引变压器采用120/27.5 kV、单相接线，枢纽内牵引所牵引变压器容量为(16+16)MVA，另2座牵引变电所牵引变压器容量为(12+6.3)MVA，接触网导线组合为BzII-50+CU-100，每个车站设开关场。既有塞尔维亚段采用直接供电方式，由5座牵引变电所供电，牵引变压器采用110/27.5 kV、单相接线，容量为2×7.5 MVA，接触网导线组合为BzII-70+AC-100，供电臂中间设置开闭所。

匈牙利规范明确规定在完成许可设计之前，必须完成供电仿真，仿真模型必须由业主批准，并在仿真的运行图的基础上进行电流、电压水平及牵引变压器容量等仿真验证[1]，塞尔维亚业主需求中也明确供电要进行仿真计算。

2.2 牵引供电仿真

EN50641规定了用于评估牵引供电系统仿真验收的相关要求，定义了列车运行函数和牵引供电系统的模型和计算案例、输入输出结果需验证内容，以及仿真软件精度要求等[2]。

2.2.1 仿真输入

输入相关线路、列车运行图、机车、牵引供电系统等相关参数。

(1)线路相关参数

输入相关线路平纵断面、曲线、限速信息、车站等数据。

(2)列车运行图

输入所有供电范围相关线路的运行图，可选择最密集时刻4h时刻运行图。

(3)机车参数

输入相关机车的功率、牵引力曲线、制动力曲线、功率因数、质量等相关参数，另还需特别输入下列限制参数。

①根据EN50388中要求，为保证列车在弱供电系统或者非正常运行状态下稳定运行，列车上应配备适应最大功率水平的自动调节装置，其取决于稳态条件下的接触网电压。图1给出了列车最大电流值，它是接触网电压的函数，对于25 kV供电系统拐点因子a取0.9[3]。

②EN50641给出了图1中机车最大电流及制动电流计算公式，制动电流在低于Umax1下不受限制，在Umax1和Umax2限制曲线见图2。

图1 随电压变化的列车最大电流

Imax=(Pmax/(η×cosφ)+Paux/cosφ)/Un

(1)

Ibreaking=(η×Pmax-Paux)/(cosφ×Umax1)

(2)

式中，Paux为车自用电功率；Pmax为机车最大牵引或制动机械功率；η为能效系数，一般为0.85。

图2 再生制动下随受电弓电压变化的制动电流

(4)牵引供电系统参数

输入牵引网、供电线、牵引变压器等参数，匈塞铁路大部分车站设置开关场或开闭所，分别见图3和图4，在输入节点要注意并联点和车站、区间的阻抗不同。

图3 匈牙利车站开关场接线示意

图4 塞尔维亚车站开闭所接线示意

(5)其他负荷

匈塞铁路均需考虑为非牵引负荷供电，匈牙利段需考虑道岔融雪、车辆预冷预热等用电需求，塞尔维亚段要考虑道岔融雪、通信信号设备备用电源等用电需求。

2.2.2 仿真输出及相关验证

根据前述输入情况，结合业主需求，对正常、故障情况分别进行供电仿真，仿真结果主要验证电压水平，确定接触导线、变压器容量、各种电流等技术参数。

(1)供电电压水平

供电电压的验证标准为EN50163[4]和EN30388，包括牵引供电系统最高、最低电压，受电弓处平均有效电压，摘取部分仿真结果如图5、图6所示。主要技术指标验证见表2。图5统计了牵引网上最高电压、最低电压以及对应时刻。图6显示出列车在不同线路位置受电弓处电压，用于计算在某个供电区间单列车受电弓平均有效电压，可统计经过该供电臂区间所有列车情况，并计算出区段受电弓平均有效电压。

表2 供电电压指标验证

图5 牵引供电系统电压水平

图6 不同位置列车受电弓处电压水平

(2)牵引变压器容量选择确定

牵引变压器容量均在EN50329的基础上进行选择，塞尔维亚规定牵引变压器过负荷能力要满足2倍负荷持续5 min，1.5倍负荷持续15 min，牵引变压器允许并联运行[5]；匈牙利规定牵引变压器为0.9倍3 h，1.5倍30 min的负载循环曲线[6]，两台牵引变压在正常运行时分别为左右侧供电臂供电，故障情况下一台牵引变压器可以管全所范围内或越区供电范围内的用电负荷。图7为列车高峰运行时段变压器容量实时统计情况，统计不同时间段容量与设定牵引变压器的过负荷能力进行对照。

图7 某牵引变压器容量统计

(3)各电流值

图8给出了馈线和母线电流情况，可得出峰值负荷电流及不同时间值的电流供保护整定时使用，并可验证牵引网、供电线的载流能力是否满足要求。

2.2.3 牵引供电方案确定

因为匈塞铁路均为既有电气化铁路增二线改造，本次设计在现有牵引变电所分布的基础上进行供电仿真验证，对不满足规范及业主需求的牵引供电系统进行补强。

在未输入电流限值的情况下，在仿真非正常供电条件下出现网压低于17.5 kV的情况，按照图1和式(1)修正后，供电电压有明显改善。

匈牙利段要求故障情况下列车仍需按照原运行图运行，且牵引变压器安装容量不能大于16 MVA，经仿真后既有牵引变电所的分布不能满足要求，最终确定不改造枢纽牵引变电所，在枢纽变电所和第二座牵引变电所之间增设1座牵引变电所，并增设加强线。最终确定方案为新建1座牵引变电所，改造2座牵引变电所，全线设置加强线，牵引变压器为120/27.5 kV、单相接线，容量为2×16 MVA，同时运行。

塞尔维亚段增容改造既有5座牵引变电所，牵引变压器为110/27.5 kV、单相接线，容量为2×10 MVA，并联运行。

2.3 接触电压计算

根据EN50122-1第9节和附录相关要求和规定进行相关计算和校核[7]，主要对钢轨电位与有效接触电压与最大允许有效接触电压进行对比验证，计算结果见表3，URE为计算的钢轨电位，a=2为钢轨电位减至50%位置，b=3.3为钢轨电位减至30%位置，Ute有效接触电压计算值，Ute，max最大允许有效接触电压，长期为60 V，短路0.2 s为645 V，短路时间与保护整定时间一致。

2.4 谐波和动态效应

EN50388规定引入新设备后需与既有列车、既有牵引供电系统统筹进行兼容性研究，并规定了研究流程，该研究由新的设备供应商完成，基础设施管理部门、车辆运营部门配合提供基础数据，并经基础设施管理部门、车辆运营部门、设备供应商等共同制定测试计划并完成测试后准入运行。研究报告主要针对新列车投入情况下进行，匈牙利段未采购新列车，故不进行相关研究，而塞尔维亚段购置了新的列车，由列车供应商提供相关研究报告，牵引供电系统设计方配合提供相关电气参数。

2.5 TSI能源子系统验证

根据商务合同要求，匈塞铁路均要满足TSI相关规定。负责验证的NoBo机构对子系统的设计、生产和最终测试进行评估，并为申请人拟定验证证书，而后者又会起草“EC”验证声明并提供相关文件提交欧委会申请批准。塞段申请人为塞铁，塞铁委托认证机构Ricardo各子系统进行评估验证，Ricardo按照TSI各子系统相关条款要求制定了矩阵表(Matrix)，分设计阶段和生产阶段(含施工、测试等)进行，相关单位按照矩阵表的条款填写相关证明的文件、说明以及IC部件的符合性证明等内容，对于设计来说，按照TSI规范中要求执行的标准及规定进行设计并完成矩阵表的填写即可，能源子系统牵引供电设计相关条款[8]见表4。

表3 正常和短路情况下钢轨电位和有效接触电压核查

3 对比匈塞铁路牵引供电设计思考

匈塞铁路项目设计必须由当地有资质的责任工程师签字，中方人员不具备责任工程师资质，但可进行设计，所有设计必须按照当地标准、法律法规等进行，并获得责任工程师同意。

结合匈塞铁路牵引供电设计及国内设计情况，有以下几方面思考。

3.1 供电电压质量技术指标方面

GB1402[9]和EN50163中规定在非正常运行条件下，允许17.5～19 kV范围内不超过2 min，非正常运行的最低电压欧洲国家也可以根据本国情况选取，如匈牙利要求最低电压正常和非正常情况下均不能低于19 kV。而TB10009和TB10621并未涉及在非正常运行条件下电压允许条件且高速铁路、城际铁路最低电压为20 kV[10-11]，比欧洲标准更为严苛。

GB28027[12]和EN50388引入平均有效电压的概念来评估牵引供电系统供电质量，Umean-useful列车是体现列车在该区域所有牵引状态的平均有效值，直接反映了列车受电电压质量，选择正确的平均有效电压可以使允许牵引单元接近它们的额定电压运行，保证达到标准规定的最低电压值，同时可以反映出牵引供电系统裕度量，从而可以考虑增加运量或满足一些非正常运行运输情况。

3.2 非正常运行方式下供电能力

匈牙利段业主要求牵引供电能力满足一座牵引变电所故障情况下列车仍能按设计的运行图正常运行，牵引供电参数均需按此需求配置，故匈牙利段在经过仿真后在原有牵引变电所的基础上新增建1座牵引变电所，并全线增设加强线。

目前在中国由于气候、节假日等特殊情况或牵引供电系统出现故障情况下，牵引供电系统处于非正常运行方式，如越区供电、动车组连续发车和追踪间隔不变降速运行等多种形式，TB10621规定了在越区情况下至少保证一对动车组运行，一对动车组运行并不能完全匹配运输部门的要求，在今后牵引供电设计中应注重满足运输能力的边界条件。

3.3 列车最大电流及功率(电流)电压曲线问题

在匈塞铁路牵引供电仿真中，特别针对非正常运行方式，须按照图1的电压电流曲线对列车电流进行限制，同时列车上装有功率或电流自动调节装置，根据图1和式(1)可知，欧洲列车受电弓电压在25～29 kV之间，并不影响列车功率输出，22.5～25 kV间列车最大电流不受限制但功率输出有减少，在受电弓处电压低于22.5 kV的情况下，机车功率降低同时降低列车取电电流，有利于遏制电压下降以尽可能保证受电弓处的平均有效电压，TSI能源子系统和机车车辆子系统均规定了按照EN50388要求列车安装功率或电流自动调节装置。

TB/T3357—2015《机车、动车组牵引电传动系统》机车、动车组典型功率曲线如图9所示[13]，受电弓电压在22.5～29 kV之间，不限制列车功率，在17.5～22.5 kV和29～31 kV间列车限功率运行。该曲线与EN50388和GB28027规定的曲线并不一致，按图9曲线运行列车的效率要高于图1的列车，但根据图9转换为电流电压曲线可知，列车的最大电流要超过额定电压满功率时的电流10%，同时在19～22.5 kV间，电流并未随着列车功率输出下降而减少，在19 kV处仍可超过额定电压满功率时的电流10%左右，见图10，对牵引系统供电能力要求也高。

图9 中国机车、动车组典型功率-电压曲线

图10 中国机车、动车组转换电流-电压曲线

国内为解决300～350 km/h动车组在200 km/h铁路线路上功率需求与既有牵引供电能力不匹配的问题，对列车牵引功率或牵引最大电流采取限制措施，此措施为直接限制列车功率或列车最大电流，而非根据受电电压情况自动调节功率，此操作需要停车进行，给运输组织带来不便。因此，在不同电压下需要列车发挥的效率多少是车、网匹配关键点之一，也是难点，在正常运行情况下，牵引网网压较高，该问题不是特别突出，但当非正常运行方式下，如何确定最优的列车功率(电流)电压曲线需多方共同研究。

3.4 牵引变压器运行方式及容量选择

目前两部制电力用户可选择按实际最大需量缴纳电费[14]，即使选择较大的变压器容量也不会因为容量的增加而多缴电费，为牵引变压器运行方式及容量选择提供了新的一种思路，可参考匈牙利铁路模式，选择2台单相变压器，同时运行，构成V接，对于采用4台变压器此举可减少2台牵引变压器，同时提高了故障下牵引供电能力，特别是对枢纽内牵引变电所。

3.5 谐波动态效应方面

EN50388第10条谐波动态效应中规定在设计阶段(含产品设计)要进行车网谐波兼容性研究，一般基础设施管理部门提供相关牵引供电系统数据和既有列车参数，由新设备供应商完成该研究报告，目前国内发生多次列车高次谐波引起谐振过电压的现象[15-16]，国内通常为出现情况后在进行治理，建议新型列车投入使用前按照GB28027的相关规定及验收标准进行兼容性评估。

4 结论

本文结合匈塞铁路牵引供电计算设计主要要求，探讨了中欧设计上一些差异和设计、运营中应考虑的问题，得出以下结论。

(1)修改采用IEC标准的国标，与对应欧标基本等效，参照国标的相关规定更有利于欧洲项目工程设计，对匈塞铁路牵引供电设计的总结可为后续欧洲其他铁路项目参考。

(2)为使牵引供电设施能更好地为列车提供高质量的供电电压，使车网关系趋于匹配，列车应安装功率或电流自动调节装置，功率电压曲线直接影响牵引供电系统设计及列车效率发挥，建议设计、运营部门、列车厂家等共同协商确定。同时，应规范非正常运行情况的运输边界需求，以在设计时充分考虑并匹配相应的牵引供电固定设施配置。

(3)根据目前电费政策，可考虑可设置两台单相结线牵引变压器，正常时分列运行，紧急时互为备用，同时也提升了越区供电能力。