李良威，鄧云川，嚴 希

0 引言

隨著電氣化鐵路在西南山區(qū)的大規(guī)模建設，形成了具有自身典型特色的山區(qū)電氣化鐵路，其特有的地理位置、經(jīng)濟發(fā)展水平等因素決定了其具有與其他平原地區(qū)鐵路不同的特點：線路坡度往往較大，且通常為一面坡，為保證列車在大坡道區(qū)段具有足夠的牽引力，需采用多機牽引，多機牽引瞬時功率很大，加之目前山區(qū)電氣化鐵路大量使用交-直SS系列機車，功率因數(shù)較低，其牽引電流甚至高于250～300 km/h高速列車，導致牽引網(wǎng)及變壓器上壓損嚴重；同時山區(qū)電氣化鐵路所經(jīng)地區(qū)大多經(jīng)濟不很發(fā)達，電網(wǎng)較為薄弱，采用110 kV外部電源供電，在機車的瞬時功率沖擊下致使牽引變電所高壓系統(tǒng)側(cè)壓損嚴重。電壓過低導致機車運行相當困難，甚至出現(xiàn)運緩、坡停、跳閘等情況，危及行車安全。尤其是在越區(qū)供電時，往往難以滿足規(guī)范要求的最低電壓19 kV的機車運行條件，如何采取既合理又節(jié)省投資的措施解決電壓水平問題是山區(qū)電氣化鐵道設計的難點和重點。

本文以典型山區(qū)鐵路麗江—香格里拉鐵路為例，針對其在開行貨車且進行越區(qū)供電時接觸網(wǎng)最低電壓低于規(guī)范要求的19 kV，提出了區(qū)間移動式串聯(lián)電容補償方案，該方案可以提高接觸網(wǎng)末端電壓水平，保障牽引供電系統(tǒng)越區(qū)時的運輸要求，且較為經(jīng)濟合理。

1 麗香鐵路設計情況

1.1 線路概況

麗江—香格里拉鐵路位于云南省西北部，自大理至麗江鐵路麗江站引出，向北跨越金沙江、經(jīng)小中甸至香格里拉，正線全長 140 km。線路連接在建的大理至麗江鐵路，并通過該鐵路和廣大鐵路與成昆鐵路相連。

麗香鐵路是國內(nèi)中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃中西部路網(wǎng)的重要組成部分，是國內(nèi)第二條進藏鐵路滇藏鐵路中云南段的一部分。它的建設，對改善滇西北地區(qū)交通運輸狀況，優(yōu)化區(qū)域間資源配置，推動旅游、水電、礦產(chǎn)等資源的深度開發(fā)，維護藏區(qū)穩(wěn)定，促進滇西北地區(qū)經(jīng)濟又好又快發(fā)展具有十分重要的意義。

麗香鐵路主要技術標準如表1所示。

表1 麗香鐵路主要技術標準參數(shù)表

1.2 牽引供電系統(tǒng)設計情況

根據(jù)該線主要技術標準、線路平縱斷面條件、車站布置、機車類型、行車組織等情況，并結(jié)合相鄰線牽引供電設施方案，牽引供電系統(tǒng)采用帶回流線的直接供電方式，在拉市海、新尚、螺絲灣、萬拉木、小中甸、香格里拉設置牽引變電所，外部電源采用110 kV電壓等級，在設置新尚、小中甸、香格里拉接觸網(wǎng)工區(qū)，牽引供電方案示意圖如圖1所示。

圖1 牽引供電方案示意圖

2 電壓補償方案

2.1 負荷特征分析

麗香鐵路線路坡度達到 30‰，大部分區(qū)段拉市海至小中甸段均為一面坡，全線貨車采用 SS3B雙節(jié)雙機牽引3 000 t，機車功率達19 200 kW，瞬時電流最大值達950 A，功率因數(shù)低，為0.8左右，外部電源采用110 kV電壓等級供電，系統(tǒng)短路容量小。按照TB/T1652-1996《牽引供電系統(tǒng)電壓損失的計算條件和方法》，牽引變電所分布方案能夠滿足正常情況下牽引網(wǎng)電壓水平，但是，當某一牽引變電所故障退出運行，由相鄰牽引變電所越區(qū)供電時，僅滿足開行客車需求，當開行貨車時，接觸網(wǎng)最低電壓僅為15.34 kV，詳見表2。該表顯示，貨車越區(qū)供電能力遠遠低于設計規(guī)范要求的最低電壓19 kV的要求；為此需要考慮設置加強措施補償接觸網(wǎng)電壓水平。

表2 貨車越區(qū)供電能力表

2.2 電壓補償方案分析

電壓補償可采用的措施有安裝加強線、低阻抗牽引變壓器、動態(tài)功率補償裝置、串聯(lián)電容補償裝置以及增壓變壓器等，其中加強線和低阻抗牽引變壓器的補償效果有限，且設置加強線易增加隧道工程量，工程實施難度較大；動態(tài)功率補償理論上可通過補償無功功率穩(wěn)定母線電壓，但效果受電力系統(tǒng)短路容量和機車功率因數(shù)影響很大，且投資大、運營檢修時間長；增壓變壓器可直接提高接觸網(wǎng)電壓，但由于電鐵負荷波動頻繁，對機械開關壽命要求高和運營維護工作量大；串聯(lián)電容補償裝置是一種靜態(tài)補償設備，能隨負荷變化自動調(diào)節(jié)接觸網(wǎng)電壓，且投資低廉、維護費用低，是一種較為理想的補償措施。

目前，應用于電氣化鐵道牽引網(wǎng)上的串聯(lián)電容補償一般有2種方式：串接在牽引變電所供電臂首端（所內(nèi)串補）和串接在供電臂中間（區(qū)間串補）。串聯(lián)電容器容抗一般要求不大于110 kV母線至串聯(lián)電容裝置間的總歸算電抗值，以免回路對系統(tǒng)呈現(xiàn)容性，導致諧振放大，一般情況下對電壓的補償效果區(qū)間串補裝置要大于所內(nèi)串補裝置。

3 移動式串聯(lián)補償方案

3.1 方案設置

麗香鐵路拉市海至小中甸段，僅在越區(qū)供電時需要串聯(lián)電容補償裝置投入，如果設置在牽引變電所，則需要設置8臺串補裝置；如果設置在供電臂中部區(qū)間，則需要設置8臺串補裝置；如果設置在供電臂末端分相處，則需要設置4臺串補裝置；這3種方式均為固定式補償裝置，但針對該線負荷特征，僅在越區(qū)供電時需要投入運行，且牽引變電所故障退出運行為小概率事件，如按常規(guī)設置固定串聯(lián)電容補償裝置，則裝置可能長期處于不工作狀態(tài)，電器設備長期閑置于惡劣的高原環(huán)境，運行壽命和可靠性將大大降低，同時，為保證每個牽引變電所越區(qū)供電時的電壓水平，需要在各牽引變電所的供電臂末端均設置固定式串聯(lián)電容補償裝置，投資較大，此外，設備固定設置于沿線，增加了運營維護的難度和工作量。為此提出了移動式串聯(lián)電容補償方案，移動式串聯(lián)電容補償裝置可以在每一定的供電范圍內(nèi)（約60 km左右）即每個接觸網(wǎng)工區(qū)設置1臺，而不是在每個供電臂都設置1臺，這樣可以大大節(jié)省投資，減少維護量；因此該線可以考慮在新尚、小中甸接觸網(wǎng)工區(qū)各設置1臺，全線總共設置2臺串補裝置。

3.2 裝置原理

移動式串聯(lián)補償裝置，利用傳統(tǒng)串補設備，串聯(lián)電容是一個集中電容性元件，串接在供電臂首端或供電臂中間，產(chǎn)生的電壓降直接與接觸網(wǎng)中感抗產(chǎn)生的電壓降相抵消，從而減小接觸網(wǎng)電壓損失，提高接觸網(wǎng)末端電壓水平；在其基礎上進行了改進，將該套裝置集成為一體，合理布局，增設接口設備，通過接觸網(wǎng)工區(qū)的平板車快速的運輸?shù)街付ǖ牡攸c，達到減少電壓損失，提高接觸網(wǎng)末端電壓，滿足運輸組織的需求。裝置包括：集合式電容器C、串補旁路隔離開關1QS、串補進出線雙極隔離開關2QS、串補旁路斷路器QF、放電間隙FJ、旁路開關 S、阻尼電抗器 L、饋線電壓互感器 TV、避雷器1F/2F。其主接線原理示意圖和平面示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 主接線原理示意圖

圖3 串補裝置平面示意圖

3.3 運輸及接口技術

移動式串聯(lián)電容補償裝置放置于接觸網(wǎng)工區(qū)內(nèi)，現(xiàn)行的接觸網(wǎng)工區(qū)管轄范圍在60 km左右（半徑30 km），牽引供電系統(tǒng)用移動式串聯(lián)電容補償裝置平常放置于工區(qū)內(nèi)，當需要時，由接觸網(wǎng)作業(yè)車牽引平板車，按接觸網(wǎng)作業(yè)車平均速度80 km/h，2個牽引變電所間距一般不超過40 km計算，可在0.5 h內(nèi)運輸?shù)街付ǖ攸c，滿足現(xiàn)場快速投運、保證運輸?shù)男枰Ｆ綍r，移動式串聯(lián)電容補償裝置和軌道平板車?？坑诠╇姽^(qū)內(nèi)，便于設備保養(yǎng)、維護，一旦有牽引變電所故障、退出運行時，載有該移動式串聯(lián)電容補償裝置的軌道平板車可迅速行駛到相應車站，停靠站線，并在供電臂末端接觸網(wǎng)關節(jié)處串聯(lián)接入、投入運行，保證越區(qū)供電時列車運行的電壓水平，在故障牽引變電所消除故障、投入運行前，將該移動式串聯(lián)電容補償裝置與接觸網(wǎng)的連接撤除，恢復原正常供電狀態(tài)。

接觸網(wǎng)作業(yè)車的移動平臺尺寸（長×寬×高）為（13 980～16 480）mm×2 866 mm×1 484 mm，載重 30 t；金屬箱體尺寸（長×寬×高）為7 000 mm×2 000 mm×3 000 mm，自重1.5 t；根據(jù)鐵路規(guī)定基本貨物的裝載限界，能夠滿足移動式串補裝置采用平板車運輸?shù)男枰?/p>

移動式串聯(lián)電容補償裝置所有設備整合為一體，實現(xiàn)緊湊化設計，合理布局，采用一個專用箱體，方便移動和掛接，可以采用吊機整體移動到平板車上，方便運輸；同時在越區(qū)供電需要設置移動式串聯(lián)電容補償裝置的地方提前做好場坪和基礎，并采用簡潔、安全、可靠的電纜接口設備，可快速的串接到接觸網(wǎng)上，實現(xiàn)移動式串補裝置的功能。

4 結(jié)論

本文通過對典型山區(qū)電氣化鐵路麗香鐵路的負荷特征分析，提出了區(qū)間移動式串聯(lián)電容補償方案，既解決了牽引供電系統(tǒng)越區(qū)供電的電壓水平問題，也避免了在每個牽引變電所供電臂末端均設置固定串聯(lián)電容補償裝置，節(jié)省了相關費用，同時，也解決了設備的保養(yǎng)、維護問題。

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