胡志洪 中國鐵路上海局集團有限公司計劃統(tǒng)計部

1 項目前期研究

1.1 徐州北牽引變電所是徐州鐵路樞紐重要的行車設(shè)備

徐州北牽引變電所主要向徐州鐵路樞紐地區(qū)內(nèi)京滬線上下行客貨車正線、隴海線上下行客貨車正線、鄭徐高鐵的徐州至大湖聯(lián)絡(luò)線及徐州站、徐州北編組站、機務(wù)段開行的電力機車、高鐵動車組實施牽引供電。徐州北牽引變電所設(shè)置獨立饋線分別向徐州客開閉所和徐州北開閉所供電。

徐州北牽引變電所是徐州鐵路樞紐牽引供電的心臟，一旦它中斷供電，將中斷國家的京滬、隴海兩大鐵路干線開行電力機車，嚴(yán)重影響鄭徐高鐵動車組的開行秩序，給國家經(jīng)濟和社會旅客的出行將帶來不可估量的影響。徐州鐵路樞紐作為集團公司的北大門，徐州北牽引變電所就是這座大門上安裝的核心部件，它的安全可靠運行對全國鐵路運輸生產(chǎn)秩序?qū)a(chǎn)生重大意義。

1.2 徐州北牽引變電所的運行現(xiàn)狀

徐州北牽引變電所于2006年7月1日正式投運，單臺主變壓器容量為31.5 MVA（平衡變壓器），高壓側(cè)額定電壓為110 kV。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展與技術(shù)進步，徐州鐵路樞紐內(nèi)客貨運運量的不斷增長，既有電力機車更新?lián)Q代成和諧型HXD大功率交直交電力機車，鐵路列車運行圖中圖定列車對數(shù)及其電力機車的牽引質(zhì)量均較大地超過原供電容量設(shè)計。自2011年開始，徐州牽引變電所主變壓器過負荷運行的報警次數(shù)越來越多，主變壓器過負荷I段告警頻繁發(fā)生并呈不斷上升趨勢。截止2015年7月31日，徐州牽引變電所主變壓器過負荷I段告警共計發(fā)生326次（見表1）。另外，自2011年5月份以來，為滿足完成重載貨物列車的電力牽引任務(wù)，徐州鐵路樞紐內(nèi)開行的和諧型HXD型大功率交直交電力機車臺數(shù)的不斷增多，徐州樞紐地區(qū)頻繁出現(xiàn)牽引網(wǎng)網(wǎng)壓波動現(xiàn)象，截止2015年7月，據(jù)統(tǒng)計，網(wǎng)壓波動現(xiàn)象共計發(fā)生891次。

表1 2011年～2016年徐州北牽引變電所主變壓器過負荷統(tǒng)計表

1.3 徐州北牽引變電所主變壓器運行存在的問題及后果

徐州北牽引變電所主變壓器長期超設(shè)計負荷運行，主變壓器時常伴隨出現(xiàn)異常聲音、過負荷I段告警，導(dǎo)致接觸網(wǎng)供電可靠性降低，部分供電單元甚至發(fā)生接觸網(wǎng)故障跳閘，樞紐內(nèi)接觸網(wǎng)出現(xiàn)大面積停電現(xiàn)象，無法完成樞紐內(nèi)電力機車的牽引和整備作業(yè)；另外，徐州樞紐地區(qū)頻繁出現(xiàn)牽引網(wǎng)網(wǎng)壓波動，網(wǎng)壓波動造成電力機車牽引供電單元閉鎖而無法正常開行。上述徐州北牽引變電所運行存在的問題，將嚴(yán)重影響徐州樞紐鐵路運輸秩序，致使鐵路運能顯著降低；同時，大大提高了電力機車、動車組和牽引供電系統(tǒng)設(shè)備的故障率，給鐵路生產(chǎn)帶來了較大的安全隱患。

1.4 主變壓器過負荷與牽引網(wǎng)網(wǎng)壓波動的研究分析與初期治理

（1）研究分析。從2013年起，集團公司供電、機務(wù)、計統(tǒng)部共同研究、聯(lián)合制定方案，先后組織鐵科院、西南交通大學(xué)等院校開展了徐州鐵路樞紐電壓波動與抑制技術(shù)的研究、測試，對主變壓器過負荷報警與牽引網(wǎng)網(wǎng)壓波動現(xiàn)象實施針對性的測試和仿真計算等處理，逐步掌握網(wǎng)壓波動低頻振蕩情況下的牽引供電系統(tǒng)與電力機車的電壓、電流與功率分布情況，通過分析牽引網(wǎng)電壓振蕩起因，為制定治理振蕩措施提供數(shù)據(jù)支持。大家對各類技術(shù)數(shù)據(jù)進行細致地分析，認為：網(wǎng)壓異常波動現(xiàn)象是由于供電系統(tǒng)阻抗與和諧型HXD大功率交直交電力機車阻抗不匹配所引起的，減小供電系統(tǒng)阻抗或者增大電力機車等效阻抗均能抑制網(wǎng)壓波動，因此，可從電力機車和牽引網(wǎng)阻抗兩方面入手來有效抑制網(wǎng)壓的異常波動。

（2）網(wǎng)壓波動初期治理。一是通過增大電力機車等效阻抗為手段，該方法相對易操作，集團公司于2013年多次組織HXD2B電力機車主機廠人員到現(xiàn)場調(diào)試參數(shù)、升級調(diào)整機車控制系統(tǒng)，使得網(wǎng)壓波動從2014年的593次下降到2015年的102次，但仍無法徹底解決該現(xiàn)象，說明調(diào)節(jié)電力機車控制系統(tǒng)的的技術(shù)參數(shù)有一定的局限性，特別是在供電系統(tǒng)復(fù)雜、機車型號繁雜的徐州鐵路樞紐，將無法根治該類問題。二是通過減小供電系統(tǒng)阻抗為手段，2014年集團公司先后多次組織設(shè)備管理單位、設(shè)計院開展現(xiàn)場聯(lián)合調(diào)查和技術(shù)測試，通過調(diào)整牽引變電所主變壓器檔位、合并樞紐內(nèi)供電單元、投切電容補償裝置等多種措施，但治理效果并不理想。

1.5 綜合分析與下一步治理方案。

上述通過增大機車等效阻抗的手段因有一定的局限性，不能徹底解決網(wǎng)壓波動問題；而調(diào)整牽引變電所主變壓器的分接開關(guān)、減小供電線阻抗等措施對降低供電牽引網(wǎng)回路阻抗的效果也不明顯。為此，在減小牽引網(wǎng)等效阻抗方面，需重新考慮新的方法，通過對供電系統(tǒng)各類技術(shù)指標(biāo)進行精密的計算機仿真計算，經(jīng)過技術(shù)參數(shù)的比對分析和論證，大家認為：采取增大徐州鐵路樞紐的供電系統(tǒng)短路容量、加大牽引變壓器安裝容量的方案，可顯著減小變壓器阻抗，將大大降低供電系統(tǒng)阻抗。該方案既可有效解決徐州樞紐網(wǎng)壓波動而產(chǎn)生振蕩的問題；又可增大主變壓器的供電容量，避免主變壓器實施超負荷運行，提高供電可靠性。雖然該方案的經(jīng)濟成本短時較高，但在技術(shù)上是具備可操作性的、實施效果是顯著的。

2 項目的立項與實施

2.1 項目的審批立項與投資

徐州樞紐作為集團公司的北大門，在全年完成鐵路運輸生產(chǎn)任務(wù)的指標(biāo)上有著舉足輕重的作用。為確保徐州樞紐運輸安全和供電可靠，及時消除行車設(shè)備安全隱患，進一步提高運輸能力，經(jīng)集團公司充分論證、研究項目實施的必要性后，按照技術(shù)改造項目決策程序?qū)π熘荼睜恳冸娝鶎嵤┰鋈莞脑祉椖窟M行審批立項。項目立項后，集團公司批復(fù)項目工程投資估算為982萬元，項目竣工決算為772.87萬元，工程實施中投資節(jié)省209.13萬元，主要原因是設(shè)備及工程費用的中標(biāo)價格低于前期預(yù)算價格。

2.1 項目的實施

（1）項目主要工程量包括：牽引變電所2臺既有平衡牽引變壓器的供電容量由31.5 MVA增容至50 MVA，主變壓器低壓側(cè)電流互感器、主變壓器回流扁鋼同步實施增容，接地網(wǎng)進行局部（同回流有關(guān)）增容、補強，更換高壓室母排、支持絕緣子，更換室外高壓場地軟母線和引下線，更換室外端子箱和回流電纜等。

（2）項目工程于2017年3月18日開工，2017年6月20日竣工，是集團公司首個僅采用電纜過渡供電而實現(xiàn)樞紐牽引變電所供電設(shè)備大面積技術(shù)改造的建設(shè)項目。牽引變電所主變壓器實施擴容改造后，供電容量增大了1.59倍，能滿足徐州樞紐內(nèi)電力機車、高鐵動車組日益增長的運行負荷需求；同時，對新投運的主變壓器重新測算分析供電牽引網(wǎng)等效阻抗，供電系統(tǒng)等效阻抗可直接降低20%以上，同步再降低變壓器的短路電壓百分?jǐn)?shù)（Ud%），由現(xiàn)在10.54%降低到8%內(nèi)，可進一步降低供電系統(tǒng)阻抗12%以上，由此可見，這次改造對降低牽引網(wǎng)等效阻抗的效果非常明顯。

3 項目實施后的安全效益、經(jīng)濟效益

3.1 安全效益

2017年7月，上海局集團公司再次組織鐵科院、西南交大學(xué)電氣工程學(xué)院在徐州樞紐徐州北牽引變電所、徐州北開閉所、徐州機務(wù)段進行了牽引網(wǎng)低頻網(wǎng)壓波動相關(guān)電氣參數(shù)的測試，但測試儀器未測到低頻網(wǎng)壓波動數(shù)據(jù)和波形。

根據(jù)徐州供電段提供的網(wǎng)壓波動逐年監(jiān)測數(shù)據(jù)，截至2020年5月30日，徐州北牽引變電所每年網(wǎng)壓波動次數(shù)如圖1所示。由圖1中可知，2017年項目投入后，網(wǎng)壓波動現(xiàn)象大為減少，尤其是2018和2019年網(wǎng)壓波動次數(shù)為0。

圖1 徐州北變電所網(wǎng)壓波動統(tǒng)計

牽引網(wǎng)低頻網(wǎng)壓波動往往會影響電力機車正常牽引和整備，擾亂運輸秩序，造成客、貨列車晚點或無法正常行車。通過對牽引變電所主變壓器增容及重新采用低阻抗變壓器，提高了牽引供電系統(tǒng)的供電能力及對電力機車的阻抗比，有效解決了樞紐內(nèi)多臺HXD2B等大功率交直交電力機車靜置升弓同時取流整備時引起的低頻網(wǎng)壓波動問題，避免了電力機車牽引閉鎖現(xiàn)象的發(fā)生，保障了徐州樞紐鐵路運輸秩序。另外，網(wǎng)壓波動時，電力機車司機在高溫或嚴(yán)寒環(huán)境下無法升弓取流，無法完成機車內(nèi)的降溫或取暖以及風(fēng)泵打風(fēng)等整備工序。從運輸組織及職工的工作環(huán)境上，項目投運后均具有顯著的社會安全價值。

3.2 經(jīng)濟效益

通過對徐州北牽引變電所主變壓器進行增容改造，有效抑制了牽引網(wǎng)低頻網(wǎng)壓波動，消除了由于網(wǎng)壓波動造成電力機車牽引供電單元閉鎖而無法正常開車的現(xiàn)象，保障了徐州樞紐鐵路運輸秩序，也減少了電力機車、牽引供電系統(tǒng)設(shè)備的故障率。另外，供電容量增大后可以同步提高運輸能力，樞紐內(nèi)可多開行客貨運列車對數(shù)。項目投運后，從增加運能、減少設(shè)備故障帶來生產(chǎn)成本上進行初步測算、分析，上述增收、節(jié)支所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，每年至少可達1 200萬元/年。對于徐州北牽引變電所主變壓器增容改造時所投資的772.87萬元，不但在項目投運1年內(nèi)集團公司能夠收回成本，而且該項目每年還能顯著產(chǎn)生經(jīng)濟效益。

4 項目投運后的思考與投資意義分析

徐州北牽引變電所主變壓器增容改造項目投運若干年后，集團公司認真組織開展項目后評價追蹤分析，通過對照項目可行性研究報告及審批文件的主要內(nèi)容，與項目建成后所達到的實際效果進行對比分析，經(jīng)研究確認，本次改造大大地補強了徐州鐵路樞紐的供電能力，提高了供電設(shè)備可靠性，極大地改善了制約鐵路運能發(fā)展的瓶頸指標(biāo)，有效地提升了鐵路運量，保障了樞紐內(nèi)電力機車、高鐵動車組的運行安全。

該項目不僅已完成審批立項時所取得的預(yù)定目標(biāo)，而且還在完成徐州鐵路樞紐運輸組織生產(chǎn)任務(wù)及改善職工的工作環(huán)境方面帶來了顯著的社會安全和經(jīng)濟效益?？偨Y(jié)項目在立項和實施過程，通過開展充分的前期研究和技術(shù)分析，是非常有必要的，既能快速有效解決現(xiàn)場生產(chǎn)的問題和安全隱患，又能及時收回投資成本、持續(xù)收獲項目投運后的投資效益，從而證明，安排該項目的投資是科學(xué)合理的。

同時，通過及時總結(jié)該項目的立項研究、實施過程中的投資經(jīng)驗，既為鐵路重大技改造項目的投資分析積累了寶貴財富，又有利于集團公司進一步加強和改進技術(shù)改造項目的立項管理，不斷提高了技術(shù)改造投資決策管理水平。

5 結(jié)束語

針對供電系統(tǒng)復(fù)雜、電力機車型號繁雜的鐵路樞紐，遇到發(fā)生牽引變電所過負荷報警和網(wǎng)壓波動等故障時，實施牽引變電所主壓器增容改造是一項值得分析和考慮的投資方案，對補強供電能力短板、提高運輸能力、消除行車設(shè)備安全隱患具有很好的借鑒意義。同時，通過及時總結(jié)實施、運行該類設(shè)備的技術(shù)改造經(jīng)驗，可進一步優(yōu)化相關(guān)專業(yè)類設(shè)備實施技術(shù)改造的投資立項方法，在不斷完善投資決策水平方面有很好的參考價值。