解紹鋒

0 引言

國內(nèi)電氣化鐵路普遍采用交直型機(jī)車，如韶山系列電力機(jī)車。隨著國內(nèi)高速鐵路的發(fā)展，交直交型機(jī)車（含動車組，下同）也得到大量使用，如CRH動車組。就牽引傳動系統(tǒng)來說，交直型機(jī)車和交直交型機(jī)車的主要差異在于：交直型機(jī)車主要采用相控整流技術(shù)和直流電機(jī)牽引，功率因數(shù)偏低，諧波含量較高；而交直交型機(jī)車主要采用PWM整流技術(shù)和交流電機(jī)牽引，功率因數(shù)接近1，諧波含量較低[1]。除此之外，因交直交型機(jī)車運行速度高于交直型機(jī)車，需要克服高速運行下的較大阻力，因此其牽引功率通常高于交直型機(jī)車。

牽引供電系統(tǒng)主要分為牽引變電所和牽引網(wǎng)2個部分。由于牽引變電所的核心設(shè)備牽引變壓器和牽引網(wǎng)系統(tǒng)均具有一定阻抗，牽引工況下牽引負(fù)荷電流流過牽引供電系統(tǒng)時牽引網(wǎng)末端電壓會低于首端電壓，因此，牽引供電方案確定過程中必須對牽引供電系統(tǒng)的電壓損失進(jìn)行計算和校核。

由于牽引網(wǎng)電壓受到電力系統(tǒng)供電能力和牽引供電系統(tǒng)供電方式等系統(tǒng)因素影響，同時還與牽引負(fù)荷的特性有關(guān)，因此牽引網(wǎng)電壓具有變化幅度大和隨機(jī)性強的特點[2]。目前牽引供電系統(tǒng)方案設(shè)計過程中通常采用工程方法計算牽引供電系統(tǒng)電壓損失[4]，但是由于牽引網(wǎng)電壓受到眾多因素影響且工程近似方法存在一定簡化，因此結(jié)果具有一定誤差。本文主要對牽引網(wǎng)電壓計算中影響工程方法準(zhǔn)確性的因素進(jìn)行探討，提出針對交直交型機(jī)車計算電壓損失宜采用準(zhǔn)確計算方法。

1 計算方法

牽引網(wǎng)電壓計算方法主要分為準(zhǔn)確計算方法（以下簡稱方法1）和工程近似方法（以下簡稱方法 2）。

1.1 方法1

圖1 載流線路示意圖

圖2 電壓降和電壓損失示意圖

1.2 方法2

根據(jù)經(jīng)驗，θ值一般很小，不超過 3°～5°[2]，所以在工程計算上，可以近似地把 Δ在′上的投影作為ΔU。

根據(jù)幾何關(guān)系，不難得到

電壓損失取式（3）實部即可，故有

2 比較分析

2.1 定量分析

牽引供電系統(tǒng)電壓降和電壓損失主要由牽引網(wǎng)和牽引變壓器引起。其基本計算方法均如1.1節(jié)和1.2節(jié)所示，本節(jié)主要進(jìn)行定量分析。

由于電力機(jī)車是移動負(fù)荷，且分布情況多樣，對牽引網(wǎng)電壓產(chǎn)生的影響相對復(fù)雜。本文重點在于分析計算方法對牽引網(wǎng)電壓計算結(jié)果的影響，故取2種特定情況進(jìn)行分析：供電臂僅有末端一列車運行（情況1）和多列車運行（情況2）。

國內(nèi)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)主要采用直供加回流線供電方式和自耦變壓器供電方式。自耦變壓器供電方式相對復(fù)雜，但其等效電路與直供加回流線供電方式類似，因此本文僅對單線直供加回流線方式進(jìn)行分析計算。

2.1.1 情況1

假設(shè)供電臂長度為30 km，牽引網(wǎng)阻抗參數(shù)如下[2]：接觸網(wǎng)自阻抗Zj= 0.228 + j0.686；鋼軌自阻抗Zg= 0.14 + j0.581；接觸網(wǎng)與鋼軌互阻抗Zjg=0.05 + j0.315。

分別考慮交直型機(jī)車和交直交型機(jī)車，參數(shù)和計算結(jié)果如表1所示。

表1 情況1牽引網(wǎng)電壓計算數(shù)據(jù)表

由表1可以看出，交直型機(jī)車由于功率相對較小，且功率因數(shù)也較低，因此采用方法2計算電壓損失產(chǎn)生的誤差較小，可以忽略不計。交直交型機(jī)車牽引功率相對較大，且功率因數(shù)較高，因此采用方法2時電壓損失產(chǎn)生的誤差較大。

應(yīng)當(dāng)說明，表1中采用的負(fù)荷電流由機(jī)車牽引功率折算得到，實際機(jī)車負(fù)荷電流還包括其他用電，因此實際機(jī)車負(fù)荷電流比表1中的數(shù)據(jù)要大，此時誤差還會增大。

2.1.2 情況2

供電臂參數(shù)同2.1.1節(jié)。假設(shè)供電臂有2列車運行，1列位于供電臂末端，距牽引變電所30 km；1列位于供電臂中間，距牽引變電所10 km。仍分別考慮交直型機(jī)車和交直交型機(jī)車，參數(shù)和計算結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，對于表1中2列大功率交直交機(jī)車運行情況，采用方法2計算牽引網(wǎng)電壓損失誤差可達(dá)3.18 kV，這對于牽引供電系統(tǒng)方案設(shè)計存在較大影響，因此在使用方法2過程中應(yīng)引起特別重視。

表2 情況2牽引網(wǎng)電壓計算數(shù)據(jù)表

2.1.3 牽引變壓器電壓計算

由于牽引變壓器存在阻抗，因此牽引負(fù)荷電流流過牽引變壓器也會產(chǎn)生一定電壓損失。國內(nèi)牽引供電系統(tǒng)采用YNd11、Vv（單相）、Scott、阻抗匹配平衡變壓器等多種接線方式牽引變壓器。上述接線牽引變壓器采用系統(tǒng)變換方法對于均可獲得兩相（牽引側(cè)）等效電路[2]，即得到牽引變壓器在牽引側(cè)等效阻抗，牽引電流流過牽引變壓器等效阻抗產(chǎn)生的電壓損失計算方法與 2.1.1節(jié)和 2.1.2節(jié)相同。本文不再贅述。

考慮牽引變壓器等效阻抗后若采用工程方法進(jìn)行牽引供電系統(tǒng)電壓損失計算，則誤差會繼續(xù)增大。

2.2 影響準(zhǔn)確度因素

由表1和表2可知，采用方法1和方法2計算牽引網(wǎng)末端電壓的結(jié)果存在差異。方法1是按照向量方法計算得到準(zhǔn)確的牽引網(wǎng)末端電壓，方法2是采用工程近似方法計算得到牽引網(wǎng)末端電壓。產(chǎn)生該誤差的主要原因在于方法 2假設(shè)θ 值一般不超過3°～5°，而實際θ 值可能超過該范圍。表1和表2中計算的6種情況的θ 值和誤差如表3所示。

表3 表1和表2中計算的6種情況的θ 值表

由表3可以看出，θ 值是影響2種計算方法差異的主要因素，方法2計算誤差隨θ 值的增大而增大。其次，牽引負(fù)荷電流也是影響方法2計算誤差的因素之一，牽引負(fù)荷電流越大，則誤差越大。供電臂有 2列雙編組 CRH3型機(jī)車情況θ 值達(dá)到了26.6°，θ 值過大造成了方法 2計算結(jié)果誤差達(dá)到3.18 kV。θ 值過大的原因在于交直交型機(jī)車功率因數(shù)較高且牽引功率較大，因此θ 值的大小是與牽引負(fù)荷特性密切相關(guān)的。

牽引供電系統(tǒng)電壓損失計算采用工程近似方法已形成慣例，但是由于高速鐵路廣泛采用交直交型機(jī)車，其負(fù)荷特性與原來采用的交直型機(jī)車存在差異，這就造成了采用工程方法計算交直交機(jī)車在牽引供電系統(tǒng)中引起的電壓損失存在誤差，且該誤差在某些情況下已經(jīng)達(dá)到不容忽視的程度。

3 結(jié)論

國內(nèi)高速鐵路的飛速發(fā)展使交直交電力機(jī)車得到大量應(yīng)用，由于其負(fù)荷特性與既有交直型機(jī)車存在差異，因此在牽引供電系統(tǒng)設(shè)計過程中計算牽引供電系統(tǒng)電壓損失時既有工程近似方法存在的誤差會增大，在一些嚴(yán)重情況下誤差達(dá)到不容忽視的程度。造成誤差的主要原因在于交直交型機(jī)車功率因數(shù)較高且牽引功率較大。

筆者建議在設(shè)計交直交型機(jī)車運行的線路時，牽引供電系統(tǒng)方案要充分考慮交直交型機(jī)車負(fù)荷特性，采用基于向量的準(zhǔn)確方法計算牽引供電系統(tǒng)電壓損失，以提高牽引供電系統(tǒng)設(shè)計方案的合理性。

[1]曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，1983.

[2]李群湛，賀建閩.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.

[3]鐵道部電氣化工程局電氣化勘測設(shè)計院 編.電氣化鐵道設(shè)計手冊-牽引供電系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，1988.

[4]TB10009-2005 鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范[S].中華人民共和國鐵道部，2005.