任應(yīng)科

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，蘭州　730000)

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準(zhǔn)東鐵路增建二線牽引供電系統(tǒng)研究

任應(yīng)科

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，蘭州730000)

摘要：結(jié)合伊泰準(zhǔn)東鐵路虎石至周家灣段增建二線電氣化工程特點，為增建二線繞行既有線的牽引供電系統(tǒng)提出一種新的設(shè)計思路，并對其牽引網(wǎng)的載流能力、牽引變壓器容量、牽引網(wǎng)末端電壓水平等主要控制因素進(jìn)行分析，同時對配套電氣化工程從不同角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使研究方案技術(shù)更合理，供電能力更強(qiáng)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

關(guān)鍵詞：鐵路；增建二線；牽引供電系統(tǒng)；研究

伊泰準(zhǔn)東鐵路虎石至周家灣段增建二線自準(zhǔn)東鐵路周家灣站(DK0+000=K2+644)引出，繞行既有線設(shè)巴潤哈岱站、沙圪堵北站，西行至終點虎石站(DK60+850.8=準(zhǔn)東線K66+279.75)，線路全長60.5 km，線路繞行距既有線最遠(yuǎn)約40 km，線路平面如圖1所示。設(shè)計運(yùn)量為7 800萬t/年，并預(yù)留運(yùn)量增長條件。

鐵路等級：地方鐵路I級(線下工程按國鐵I級)；正線數(shù)目：雙線；限制坡度：增建二線上行4‰，下行12‰；機(jī)車類型：SS4雙機(jī)；牽引質(zhì)量：10 000 t，部分5 000 t；到發(fā)線有效長度:1 700 m；閉塞類型：自動閉塞。

既有準(zhǔn)東鐵路牽引網(wǎng)采用AT供電方式，設(shè)有福興城牽引變電所和薛家灣、海子塔、沙圪堵、西營子4座AT所，供電設(shè)施分布見圖2。由薛家灣和沙圪堵220 kV變電站各出1回110 kV線路為牽引變電所供電。

圖1　線路平面示意

1供電方案研究

本線為準(zhǔn)東鐵路虎石至周家灣段增建二線工程，其供電系統(tǒng)主要考慮如下內(nèi)容。

(1)增建二線繞行既有線，無法利用既有供電設(shè)施為新建二線供電。

(2)“伊泰鐵路網(wǎng)”是以準(zhǔn)東鐵路為主干通道向周邊輻射，在周家灣站接軌的鐵路有呼準(zhǔn)鐵路及其增建二線、酸周線等。在虎石站接軌的鐵路有準(zhǔn)東二期及其復(fù)線。因此牽引供電系統(tǒng)要保證虎石、周家灣兩“樞紐站”的供電可靠，同時要與“伊泰鐵路網(wǎng)”近、遠(yuǎn)期規(guī)劃相適應(yīng)。

當(dāng)增建二線繞行既有線，且供電設(shè)施不可共用時，通常是將既有線與增建二線按雙單線考慮。既有線維持由既有供電設(shè)施供電，新建二線則新設(shè)供電設(shè)施供電。顯然，本線單一的考慮新設(shè)供電設(shè)施為新建二線供電與“伊泰鐵路網(wǎng)”近、遠(yuǎn)期規(guī)劃不匹配，會造成后期供電設(shè)施設(shè)置的不合理和重復(fù)建設(shè)，且周家灣、虎石站作為路網(wǎng)的“樞紐”站，供電可靠性及靈活性較差。

綜上所述，根據(jù)既有供電設(shè)施情況，結(jié)合“伊泰鐵路網(wǎng)”規(guī)劃，牽引供電系統(tǒng)按“統(tǒng)籌考慮，分期實施”的原則，優(yōu)先在兩樞紐站(周家灣、虎石)設(shè)牽引變電所，設(shè)巴潤哈岱、DⅡK29+000、沙圪堵北、福興城4座AT所，利用既有海子塔、沙圪堵AT所，供電設(shè)施方案見圖2。周家灣、虎石牽引變電所投入運(yùn)行后，將既有福興城牽引變電所退出運(yùn)行，變電所的場坪、房屋和設(shè)備在后期工程建設(shè)中統(tǒng)籌利用，盡可能減少廢棄工程。

圖2　牽引供電設(shè)施分布方案

此方案充分考慮本線特點和“伊泰鐵路網(wǎng)”近、遠(yuǎn)期規(guī)劃，在接軌鐵路多、運(yùn)輸重要的虎石和周家灣站新建牽引變電所，具有如下優(yōu)點。

(1)在運(yùn)輸樞紐站設(shè)牽引變電所，可對各場、段實現(xiàn)分場分束供電，提高供電的可靠性。

(2)供電臂長度適中，供電能力對遠(yuǎn)期發(fā)展的適應(yīng)性較強(qiáng)。

(3)新建牽引變電所可為接軌的鐵路預(yù)留供電條件，使“伊泰鐵路網(wǎng)”牽引供電設(shè)施的設(shè)置更為合理。雖將福興城牽引變電所退出運(yùn)行，但既有房屋、設(shè)備可為后期工程所利用，同時利用既有110 kV線路為新建牽引變電所供電，避免了重復(fù)工程，節(jié)省了投資。

(4)供電系統(tǒng)能夠形成很好的支援，供電靈活、可靠，同時在建設(shè)過程中對既有線影響小。

2牽引供電系統(tǒng)主要控制因素分析

新建牽引變電所兩供電臂分別為既有線(輕載)和增建二線(重載)。開行重載列車后，隨著機(jī)車牽引定數(shù)的增大，機(jī)車帶電電流也急劇增大，同時因閉塞類型由原半自動閉塞變?yōu)樽詣娱]塞，列車按追蹤間隔運(yùn)行，使供電臂上同時存在的列車數(shù)增加，這些都對牽引供電系統(tǒng)的適應(yīng)性提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1牽引網(wǎng)載流能力

接觸網(wǎng)懸掛工作溫度通常為80～100 ℃，按摩爾根公式[1-2]分別計算鋁包鋼芯鋁絞線承力索、鋼鋁電車線接觸線的持續(xù)載流量及短時載流量，其結(jié)果見表1。

牽引網(wǎng)允許載流量為承力索、接觸線載流量之和，在導(dǎo)線高度確定的情況下，導(dǎo)線間的電流分配取決于導(dǎo)線間的耦合關(guān)系，與各自的漏抗成反比，計算導(dǎo)線間電流分配比見表2。

表1　導(dǎo)線載流量計算結(jié)果

表2　導(dǎo)線載流量分配計算結(jié)果

根據(jù)承力索和接觸線各自的載流量及電流分配比，既有線和新建二線采用的接觸網(wǎng)懸掛組合載流量見表3。

表3　接觸網(wǎng)懸掛載流量

2.1.1既有線牽引網(wǎng)載流能力

當(dāng)閉塞類型發(fā)生改變后，既有線主要運(yùn)行5 000 t及10 000 t的回空列車，但由于列車按追蹤間隔運(yùn)行，使供電臂同時存在的列車數(shù)增加，因此需對既有接觸網(wǎng)導(dǎo)線進(jìn)行校驗。

經(jīng)計算，既有線短時最大電流為732.6 A，則承力索、接觸線中分配的電流分別為351.6 A和381 A，因此，既有接觸網(wǎng)導(dǎo)線滿足增建二線后的載流需求，各導(dǎo)線規(guī)格詳見表4。

表4　既有線線材規(guī)格和張力

2.1.2增建二線牽引網(wǎng)載流能力

與既有線不同，增建二線除了列車按追蹤間隔運(yùn)行，行車密度高，同時重載機(jī)車電流大，使得牽引網(wǎng)的載流能力成為牽引供電系統(tǒng)主要的控制因素。

經(jīng)計算，增建二線短時最大電流為1 094.4 A，承力索、接觸線中分配的電流均為547.2 A，根據(jù)計算結(jié)果，增建二線導(dǎo)線規(guī)格選擇見表5。

表5　增建二線線材規(guī)格和張力

2.2牽引變壓器容量

由于本線地處電源稀少地區(qū)，又開行重載列車，因此本線采用供電功率較大、供電區(qū)段較長的AT供電方式。變壓器選用將V/V接線和AT方式純單相接線的技術(shù)進(jìn)行整合的V/X接線牽引變壓器[3]。

V/X接線牽引變壓器是由2臺單相變壓器組合而成的，2臺單相變壓器分別為既有線負(fù)荷和增建二線負(fù)荷，同時考慮相鄰線牽引負(fù)荷，依據(jù)TB/T165—1996規(guī)定，按近期12 min追蹤間隔、過負(fù)荷能力100%確定，周家灣、虎石牽引變電所變壓器安裝容量分別為2×(20+25)MVA、2×(25+20)MVA。

根據(jù)準(zhǔn)東鐵路公司提供的運(yùn)營數(shù)據(jù)，虎石、周家灣牽引變電所母線最大短時電流分別為1 136、1 487 A。設(shè)計容量對本線及相鄰線運(yùn)量增長和過負(fù)荷運(yùn)行都有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

2.3牽引網(wǎng)電壓水平

牽引網(wǎng)末端電壓水平是衡量牽引供電系統(tǒng)的一個重要指標(biāo)。本線雖按追蹤間隔運(yùn)行，但由于線路繞行，接觸網(wǎng)在末端無法實現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行，因此牽引網(wǎng)電壓按接觸網(wǎng)末端斷開計算，追蹤間隔數(shù)由列車走行時分與追蹤間隔時分確定，計算至末端最大電壓降為[2]

(1)

由于V/X接線變電所兩供電臂分別由各自的變壓器供電，因此供電臂在變壓器中產(chǎn)生的電壓損失為

(2)

(3)

式中，XT為變壓器電抗，Ω；Imax為計算條件下供電臂最大電流，A。由此可計算牽引網(wǎng)最低電壓。

2.3.1牽引網(wǎng)正常運(yùn)行

牽引網(wǎng)正常運(yùn)行時，最低電壓按5 000 t和10 000 t列車混跑，遠(yuǎn)期10 min追蹤間隔進(jìn)行校驗計算，電壓水平均滿足要求，無需要采取補(bǔ)償措施，計算結(jié)果見表6。

表6　牽引網(wǎng)電壓水平

實際運(yùn)營數(shù)據(jù)顯示：當(dāng)供電臂為5 000 t列車追蹤運(yùn)行時，牽引網(wǎng)末端電壓最低為23.03 kV；供電臂按5 000、10 000 t列車追蹤時，牽引網(wǎng)末端電壓最低為21.5 kV。

2.3.2越區(qū)供電能力

周家灣牽引變電所解列時，由虎石牽引變電所分別經(jīng)既有線和新建二線越區(qū)供電至周家灣。同理，虎石牽引變電所解列時，由周家灣牽引變電所越區(qū)供電至虎石。

因本線機(jī)車運(yùn)行速度較低，越區(qū)供電能力按維持行車速度不變，增大追蹤間隔進(jìn)行計算。經(jīng)計算，當(dāng)追蹤間隔增大到25 min時，越區(qū)供電臂可滿足1列10 000 t和5 000 t列車同時運(yùn)行，牽引網(wǎng)末端電壓均滿足越區(qū)供電時的要求，計算結(jié)果見表7。

表7　牽引網(wǎng)電壓水平

3電氣化配套工程設(shè)計

3.1牽引變電所設(shè)計

牽引變電所兩相母線均設(shè)并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置，以提高牽引變電所功率因數(shù)，并吸收部分三次諧波。

牽引變電所均與10 kV電力配電所合建，節(jié)約場地，便于維護(hù)管理，減少了值班人員。同時因地方電力部門只能為配電所提供1路10 kV電源，且電源點距10 kV配電所較遠(yuǎn)，供電不穩(wěn)定，因此在變電所設(shè)110/10 kV電力變壓器，為10 kV配電所提供1路電源，供電可靠、方便。

3.2接觸網(wǎng)設(shè)計

接觸網(wǎng)懸掛類型采用全補(bǔ)償簡單鏈形懸掛，考慮機(jī)車交路中受電弓滑板匹配要求，選擇接觸線與既有相一致。

同時本線為運(yùn)煤重載鐵路，因此在虎石站裝車點設(shè)置可移動剛性懸掛接觸網(wǎng)。移動接觸網(wǎng)由接觸網(wǎng)Y型下錨裝置、剛?cè)徇^渡段、剛性梁、可移動絕緣接觸桿及傳動系統(tǒng)組成[4]，如圖3所示。當(dāng)運(yùn)煤列車到達(dá)后，可移動接觸網(wǎng)移開，漏斗倉下煤；裝煤完畢后，可移動接觸網(wǎng)移至線路上方使電力機(jī)車牽引發(fā)車。提高了生產(chǎn)效率、節(jié)約建設(shè)投資及運(yùn)營成本、安全可靠。

圖3　可移動接觸網(wǎng)示意

4結(jié)語

伊泰準(zhǔn)東鐵路虎石至周家灣段增建二線于2013年10月開通，與其接軌的酸周線、呼準(zhǔn)增建二線及準(zhǔn)東二期鐵路也相繼開通運(yùn)營。據(jù)運(yùn)營單位反饋，牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，主要技術(shù)指標(biāo)良好。供電設(shè)施設(shè)置結(jié)合“伊泰鐵路網(wǎng)”近、遠(yuǎn)期規(guī)劃，大大減少了工程投資，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。同時結(jié)合本線特點，為增建二線繞行既有線提供了新的設(shè)計方法。同時將牽引變電所與10 kV電力配電所合建，設(shè)110/10 kV電力變壓器為10 kV配電所供電，漏斗倉下設(shè)移動接觸網(wǎng)裝置等設(shè)計優(yōu)化，為今后類似工程提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬勁飛，汪吉健.鏈形懸掛電流分配及接觸網(wǎng)懸掛載流截面研究[J].電氣化鐵道，2006(S1):38-39.

[2]譚秀炳，劉向陽.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，2003：138-143，237.

[3]楊振龍.V/X接線牽引變壓器的研究和應(yīng)用[J].電氣化鐵道，2004(4):12-13.

[4]鄭剛.裝煤站的可移動接觸網(wǎng)解決方案[J].電氣化鐵道，2006(S1):103-104.

[5]中華人民共和國鐵道部.TB10009—2005鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[6]賀威俊，高仕斌.電力牽引供變電技術(shù)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，1998.

[7]中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.準(zhǔn)東線周家灣至虎石段增建第二線工程可行性研究 (修改)全一冊 [R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，2012.

[8]鐵道部電氣化工程局電氣化勘測設(shè)計院.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，1998.

[9]聶宏旺.漏斗倉下移動式接觸網(wǎng)機(jī)構(gòu)設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2005(7)：108-110.

[10]張曉鵬，孟志強(qiáng)，韓正慶.并聯(lián)補(bǔ)償裝置電抗器過電壓保護(hù)方案[J].電氣化鐵道，2006(S1)：202-205.

[11]楊振龍.VX接線與Scott接線牽引變壓器的工程應(yīng)用比較[J].電氣化鐵道，2006(3):4-7.

[12]曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].北京:中國鐵道出版社，1993.

收稿日期：2015-10-19； 修回日期：2015-11-09

作者簡介：任應(yīng)科(1981—)，男，工程師，2005年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)電氣工程及自動化專業(yè)，E-mail：635579487@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)06-0113-04

中圖分類號：U223

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.023

The Research on Zhundong Railway Second-line Traction Power Supply System

REN Ying-ke

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Lanzhou 730000，China)

Abstract：With reference to the electrification project features of the second electrified line (from Hushi to Zhoujiawan section) of Yitai Zhundong Railway，a new design concept is proposed for the traction power supply system of the second line bypassing the existing railway line，and such main controlling factors as the current carrying capacity of its traction network，the traction transformer capacity，the terminal voltage level of the traction network are analyzed. At the same time，the design of supporting electrification project is optimized to rationalize design program and improve power capacity for better social and economic results.

Key words：Railway; Second line; Traction power supply system; Research