包潜翔
中铁三局集团电务工程有限公司 山西晋中 030060
摘 要：通过对运煤专线电气化铁路牵引供电系统的分析，提出提高牵引供电能力的技术措施，在部分线路取得了良好的运行效果。
关键词：提高牵引供电能力；技术措施
近年来随着煤炭市场的好转，运煤专线铁路提高运量的需求迫切，提高运量的主要措施为提高列车的牵引质量和增加列车的运行对数。由此引起牵引电流增大，接触网供电能力不足，导线线夹发热严重，供电臂末端电压降低，机车跳闸频繁。以下就提高运煤专线电气化铁路牵引供电能力的技术措施，进行阐述。
1 即有运煤专线电气化铁路的特点
1.1 线路坡度大
运煤专线电气化铁路大多位于山区，特别是一些老的支线铁路，线路最大坡度达20‰。
1.2 牵引质量大
运煤专线电气化铁路在设计当初由于受牵引机车的影响，牵引质量较小，一般为3500T~5000T。近十几年来，电力机车发展迅速，机车持续功率有原来SS系列的6400kw，发展到HX系列10000kw。牵引质量可达10000T~20000T。
1.3 空重车方向性明细
运煤专线电气化铁路由于煤炭流向，具有重车空车的固定方向，在设计时会出现空车线线路坡度大于重车线线路坡度的现象，当时考虑空车线列车牵引质量小，线路坡度大些可以满足运行要求，以节省建设投资。目前由于货源的变化，经常出现空车线跑重车的情况。
2 提高运量牵引供电系统存在的问题
2.1供电臂末端电压低
由于增加了列车运行对数及提高了列车的牵引质量，引起供电臂末端电压降低。例如：2008年大准铁路将列车牵引质量由原来的5000T提高到10000T，供电臂末端电压低于17kv，机车在供电臂末端跳闸频繁。2018年孝柳铁路在一个供电臂开行2列5000T列车，供电臂末端电压低于17kv，机车在供电臂末端频繁跳闸。
2.2 接触网上电流过大
宁岢瓦线、孝柳线、侯月线增加运量后，接触网上牵引电流最高超过1700A，而结构为TJ-150 + CTHA-150 、回流线LGJ-240型接触网的载流量为1015A，接触网载流量过载严重，导流线夹发热严重，危及供电安全。
2.3 牵引变压器容量不足。
运煤专线铁路提高运量，即有牵引变压器容量不能满足要求，需进行牵引变电所增容改造。
3 牵引供电系统应采取的技术措施
3.1提高供电臂末端电压的技术措施
3.1.1降低接触网阻抗的技术措施
接触网单位阻抗与接触线、承力索、回流线的线型材质有关，与接触网结构（接触线高度、结构高度、回流线高度、回流线与接触线及承力索距离）有关，与是否有加强线有关，与回流线是否裂相（双回流线）有关，与大地电阻率有关。
⑴采用增设加强线以降低接触网阻抗
在支柱田野侧增设加强线，可较大地降低接触网阻抗，以CTHA-150（接触线）+JTM-150（承力索）及LGJ-24（回流线）牵引网为例进行计算。计算条件如下：
①接触网几何参数(mm):接触线距轨面平均高度:6000，结构高度:1400，承力索驰度:600，回流线距轨面平均高度:6000，回流线距接触线水平距离:4100；
②承力索参数:承力索型号7，单位电阻(欧姆/km):0.155，计算半径(mm):7.9，等效系数:0.758；
③接触线参数:接触线型号:CTA-150 ,单位电阻(欧姆/km):0.1177 , 计算半径(mm):7.125，等效系数:0.78；
④回流线参数:回流线型号:JL3/LB20A185/25,单位电阻(欧姆/km):0.1444 , 计算半径(mm):9.51，等效系数:0.95；
⑤钢轨参数:钢轨型号:60,单位电阻(欧姆/km):0.135,计算半径(mm):109.1，等效半径:12.79；
⑥地质参数:地质类别:平均情况，电阻率(欧姆.cm):10000。
计算结果为：单线区段接触网单位阻抗Z_DX=0.094+j0.37 模:0.381欧姆 阻抗角:75.768度。以功率因数为0.9计算接触网等效阻抗：0.094×0.9+0.37×0.436=0.246Ω，增设一根LGJ-240的加强线，加强线距轨面高度7m，加强线距接触线水平距离4.5m，计算结果为：接触网单位阻抗Z_DX=0.07+j0.261 模:0.27欧姆 阻抗角:75.076度。同样以功率因数为0.9计算接触网等效阻抗：0.07×0.9+0.261×0.436=0.177Ω,由此看出：增设加强线后，接触网单位阻抗降低到原来的71.9%，单位阻抗降低了28% 。
⑵采用双回流线以降低接触网阻抗
在上例中，设双回流线，回流线裂相间距为1m，计算结果为：接触网单位阻抗Z_DX=0.089+j0.348模:0.359欧姆 阻抗角:75.587度，以功率因数为0.9计算接触网等效阻抗：0.089×0.9+0.359×0.436=0.236Ω。由此看出：回流线裂相后，接触网单位阻抗降低到原来的96%，单位阻抗降低了4% 。
⑶复线区段在供电臂中部采用上下行并联
在复线区段在供电臂中部采用上下行并联的方式，可有效降低接触网的电压损失，在AT供电方式下，可在供电臂中部的AT所采用上下行并联，具体实施方案为：AT所增设2台进线断路器，正常情况下2台断路器均在合闸位置，AT变通过2台断路器并联向接触网供电。一线接触网故障时，对应的断路器跳闸，AT变通过另一台断路器向另一线的接触网供电。直供方式下，在供电臂中部设柱上开关，实现上下行并联供电，一线接触网故障时，柱上开关跳闸，上下行电气连接分开。通过在复线区段在供电臂中部采用上下行并联的方式，估算可降低接触网电压损失25%左右。
3.1.2在牵引变电所、开闭所加装无功补偿装置
在牵引变电所处加装无功补偿装置的主要目的是降低牵引变压器的电压损失，故此，应采用动态无功补偿装置，补充容量应以日均最大负荷电流为依据进行计算，计算方法如下
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式中，Qx为无功补偿计算容量，单位kvar；cos1为补偿前电源侧功率因数，按实测值计算；cos2为补偿后电源侧功率因数值，按0.95计算；PL为供电臂以日均最大电流计算的功率，单位kW。
牵引变压器的电压损失计算方法为：△U=sin×X×I
式中△U为牵引变压器的电压损失，单位V，sin为当前功率因数对应的sin值。若功率因数由0.83提高到0.95，则牵引变压器的电压损失降低到原来的 0.312÷0.558=0.559 ，即降低到原来的56% 。
若开闭所供电范围内有较大的负荷且开闭所距牵引变电所距离较远，可考虑在开闭所加装无功补偿装置，以提高开闭所至牵引变电所间供电线路中通过电流的功率因数，从而降低这一段供电线路的电压损失。供电线路的电压损失计算为：(R×cos +X×sin)×L 式中cos、sin与前面的含义相同，R为供电线路单位阻抗中的电阻值，X为供电线路单位阻抗中的电抗值。由此可以看出，供电线路中通过电流的功率因数提高，则cos増大、sin降低，供电线单位阻抗中的R值很小，一般为0.1Ω以下，供电线单位阻抗中的X值较大，一般为0.38Ω左右，故此，sin降低对供电线路电压损失的降低影响较大，可有效的降低供电线路电压损失。
3.1.3采用分段供电方式分流接触网电流
在孝柳线牵引供电增容改造前期论证时，建设单位要求在一个供电臂中开行2列5000T大车。孝柳线铁路等级为国铁II级单线地方铁路，最大坡度20‰，最小曲线半径：400m，机车类型SS3B，牵引质量5000t。即有牵引供电方式为带回流线的直接供电方式。在一个供电臂开行2列5000T大车，牵引网最大电流超过1700A，即使采用加强线方式牵引网的载流能力也不能满足牵引电流的要求，采用AT供电方式牵引网的载流能力可以满足牵引电流的要求，但需要增建AT所，需要征地，建设难度大，投资高。为此提出分段供电方式，在供电臂中部设绝缘锚段关节，将供电臂一分为二，设供电线为远端供电区段供电。将牵引电流分流，每个供电区段最大电流只有860A左右，接触网形式为CTHA-150+JTM-150、回流线裂相2*LGJ-240，供电线裂相为2×LGJ-300，牵引网的载流能力可以满足牵引电流的要求。为解决绝缘锚段关节的电压差，新增断口差压自动控制装置，机车通过绝缘关节时，通过在钢轨上设置的铁磁传感器向差压自动控制装置发出信号，差压自动控制装置内的断路器合闸，短接绝缘锚段关节，机车通过后，差压自动控制装置内的断路器分闸，恢复分段供电方式。方案实施后，实现了建设目的，各项设备运行正常。分段供电方式示意图如下所示：
<分段供电方式示意图>
3.1.3牵引变压器增容
牵引变压器容量的计算一般以校核容量为基础计算，计算电流应以最大负荷电流计算，运煤专线大多数情况下空重车运行，负荷变化剧烈，应充分利用牵引变压器的过负荷能力，根据负荷情况制定牵引变压器负荷曲线，一般采用V/V或V/X结线形式的牵引变压器，过负荷能力可按1.75~2.0倍计算。
4 结语
通过十几年的实践，在大准铁路、宁岢瓦线、石太线、孝柳线等运煤专线上进牵引供电系统增容改造中综合实施，提高了牵引供电系统的供电能力，满足了提高运量的要求，取得了良好的效果。
参考文献：
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