黃勇魁

中鐵建電氣化局集團(tuán)南方工程有限公司 湖北 武漢 430000

在大型鐵路系統(tǒng)中，電氣化鐵道供電系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用，其有效保障了鐵路安全。我國電氣化鐵路里程隨著社會發(fā)展不斷增加，供電技術(shù)和方式的變化以及技術(shù)的創(chuàng)新使得電氣化鐵路更迭速度加快，鐵路在我國交通運(yùn)輸系統(tǒng)中是最為主要的運(yùn)輸方式，其承擔(dān)了重要的社會責(zé)任，為我國交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展和社會整體發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。因此，對于鐵路系統(tǒng)而言，供電系統(tǒng)的運(yùn)行十分重要，其直接影響著電氣化鐵路運(yùn)行發(fā)展，本文主要研究電氣化鐵道供電系統(tǒng)技術(shù)。

1 電氣化鐵道供電系統(tǒng)概述

電氣化鐵道是由電力牽引而運(yùn)行的，其在運(yùn)行過程中需要在鐵道線上安裝電力機(jī)車供電牽引系統(tǒng)，其與其他鐵路系統(tǒng)的優(yōu)勢不同，既具有人與自然和諧相處特征，也具有可持續(xù)發(fā)展特征。鐵道電氣化供電系統(tǒng)是在國家電網(wǎng)中的高壓交流電環(huán)境下運(yùn)行的，先將高壓交流電傳輸?shù)借F路牽引變電站中，同時(shí)利用變電站進(jìn)行首次電流降壓，之后將降壓后的電流輸送到接觸網(wǎng)上，接觸網(wǎng)獲得電流后通過機(jī)車內(nèi)部系統(tǒng)對高壓交流電進(jìn)行二次降壓，將其從整流電變?yōu)橹绷麟?，再使用直流電?dòng)機(jī)進(jìn)行供電，最后通過直流電動(dòng)機(jī)促進(jìn)鐵路機(jī)車車輪軸實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而推動(dòng)車廂行進(jìn)[1]。電氣化鐵道供電系統(tǒng)主要采用交流控制系統(tǒng)，其通過變電所將三相交流電設(shè)置成25KV單相交流電，可以縮短供電距離，降低施工成本，提高鐵道運(yùn)行穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。該系統(tǒng)包括調(diào)度、檢測、自動(dòng)化控制三個(gè)主要功能模塊，這些功能模塊可以充分發(fā)揮國家電網(wǎng)使用和鐵路運(yùn)輸能力需求。

2 電氣化鐵道供電系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用及創(chuàng)新

電氣化鐵道通過供電系統(tǒng)提高電氣化的應(yīng)用效果，一方面可以為列車提供充足的行進(jìn)牽引動(dòng)力，并簡化鐵路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，另一方面也能夠使鐵道運(yùn)輸管增加安全、穩(wěn)定和可靠，有效緩解鐵道運(yùn)輸壓力。在此基礎(chǔ)上，有關(guān)部門利用各種新技術(shù)優(yōu)化供電系統(tǒng)，使其能夠在實(shí)際運(yùn)行中更好的發(fā)揮作用和優(yōu)勢，為我國鐵路運(yùn)輸健康持續(xù)發(fā)展提供保障，并滿足人們?nèi)粘３鲂小?/p>

2.1 監(jiān)控技術(shù)

電氣化鐵道供電系統(tǒng)中的安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，其可以及時(shí)作出風(fēng)速、地震等環(huán)境信息預(yù)警，利用環(huán)境預(yù)警模塊確保預(yù)警有效，同時(shí)也可以監(jiān)控處理系統(tǒng)本身問題，使系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)中。該系統(tǒng)在構(gòu)建應(yīng)用時(shí)，為了能夠具有實(shí)際使用功效，需要在構(gòu)建時(shí)期積極建設(shè)供電綜合調(diào)度子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置，并在子系統(tǒng)下建設(shè)三個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)和具體監(jiān)測模塊，利用子系統(tǒng)確保監(jiān)控系統(tǒng)把握自身情況，不斷完善系統(tǒng)自身運(yùn)行，提高運(yùn)行效果。而在建設(shè)子系統(tǒng)時(shí)，需要建設(shè)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控的自動(dòng)化系統(tǒng)，使子系統(tǒng)具有自動(dòng)化監(jiān)測功能，及時(shí)預(yù)警系統(tǒng)故障。而在建設(shè)供電監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，需要通過網(wǎng)橋設(shè)備加強(qiáng)子系統(tǒng)與綜合系統(tǒng)連接。而在建設(shè)綜合系統(tǒng)時(shí)，需要在內(nèi)部設(shè)置2個(gè)車站監(jiān)控模塊，以便實(shí)時(shí)了解車站運(yùn)行情況，確保車站穩(wěn)定安全運(yùn)行，并保證鐵道供電正常[2]。

現(xiàn)階段，電力監(jiān)控中心配置電力監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)選擇OPEN300系統(tǒng)配置法，這種情況下的監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、電力報(bào)表處理以及前置通信等目的，具體設(shè)計(jì)見圖1。該系統(tǒng)包含了實(shí)時(shí)、歷史、描述、圖形報(bào)表這四個(gè)數(shù)據(jù)庫，各個(gè)模塊間通過數(shù)據(jù)庫彼此連接實(shí)現(xiàn)通信。而交通系統(tǒng)十分龐大，密度高，運(yùn)量大，為了能夠使監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，就需要有關(guān)部門準(zhǔn)確配置系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)，防止由于參數(shù)錯(cuò)誤引發(fā)安全事故[3]。電力監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)在鐵道運(yùn)行中的應(yīng)用可以保證交通穩(wěn)定安全進(jìn)行，其憑借著遙測、遙控、遙信和遙調(diào)等功能提供了可靠性的平臺保障，其中遙測可以通過電子技術(shù)精確測量電壓、溫度和功率等參數(shù)模擬量，遙控可以通過遠(yuǎn)程控制全面監(jiān)控供電狀態(tài)運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理設(shè)備問題，遙信可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控對系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。另外，電力監(jiān)控系統(tǒng)中，通過應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建了數(shù)據(jù)中心，將大數(shù)據(jù)和監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合起來形成了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以用于收集相關(guān)數(shù)據(jù)，例如設(shè)備年限、檢修時(shí)長、損耗點(diǎn)、外部環(huán)境變化等等數(shù)據(jù)，自動(dòng)錄入往年監(jiān)測數(shù)據(jù)并對其分析，全面監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化，尋找規(guī)律，并與其他相關(guān)部門共享信息數(shù)據(jù)，綜合反饋情況，為鐵路運(yùn)行提供保障[4]?？傊?，電力監(jiān)控系統(tǒng)利用是數(shù)據(jù)收集、設(shè)備監(jiān)控、參數(shù)配置等等功能為系統(tǒng)運(yùn)行提供了保障，進(jìn)而提高了鐵道運(yùn)行效率和質(zhì)量。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)

2.2 接觸網(wǎng)技術(shù)

1.BIM技術(shù)。隧道群中，接觸網(wǎng)供電主要使用高壓電纜，其在進(jìn)入到隧道時(shí)需要利用電纜爬架固定在隧道壁上，進(jìn)行電纜敷設(shè)，直到上網(wǎng)點(diǎn)上網(wǎng)。而在敷設(shè)過程中，會出現(xiàn)供電電纜和下錨補(bǔ)償設(shè)施存在干擾的現(xiàn)象，尤其是下錨需要擴(kuò)挖斷面時(shí)電纜和下錨補(bǔ)償設(shè)施的位置會更加復(fù)雜，利用BIM技術(shù)能夠解決這些矛盾點(diǎn)，同時(shí)也能夠?qū)﹄娎|進(jìn)行合理排布，確保敷設(shè)美觀。有些地段路徑比較復(fù)雜，敷設(shè)電纜時(shí)需要BIM技術(shù)協(xié)助，把控好整個(gè)施工質(zhì)量，避免出現(xiàn)返工、材料浪費(fèi)等現(xiàn)象[5]。另外，在基礎(chǔ)網(wǎng)管理中，施工進(jìn)度管理是主要工作，傳統(tǒng)管理主要采用P6軟件和甘特圖，但是這是一種靜態(tài)管理，并不適應(yīng)工程各個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整和邏輯關(guān)系，當(dāng)前采用BIM技術(shù)能夠有效銜接各個(gè)施工工序，并通過立體平面圖將已完成施工直觀表達(dá)出來，統(tǒng)計(jì)好工作量和具體信息。

2.零件防松技術(shù)。柔性防松技術(shù)是通過彈簧柔性彈力保證螺母和螺栓使用彈簧式防松環(huán)緊鎖起來，產(chǎn)生一種軸向抱緊力，進(jìn)而對沖擊和振動(dòng)導(dǎo)致的松脫力產(chǎn)生一定的抵制沖擊，避免螺紋松動(dòng)。彈簧和螺母是一種組合結(jié)構(gòu)，其中有些部分采用了螺母內(nèi)螺紋和螺桿外螺紋連接方式，有些部分采用了彈簧和螺桿外螺紋結(jié)合方式，有效擴(kuò)大了螺紋受力面積，增強(qiáng)彈簧所具有的彈性抱緊力，若是螺母有松動(dòng)現(xiàn)象，則徑向和軸向會有極大阻力從而有效避免振動(dòng)過程中出現(xiàn)螺母松動(dòng)現(xiàn)象。這種柔性防松技術(shù)的抗震性和防松性都比較明顯，可以減少螺母維護(hù)概率。

3.自動(dòng)化技術(shù)。接觸網(wǎng)弓網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行對電氣化鐵道高速安全運(yùn)行十分重要，為了能夠使接觸網(wǎng)穩(wěn)定，需要先使整個(gè)弓網(wǎng)保持穩(wěn)定，也就是在電力機(jī)車受到基礎(chǔ)網(wǎng)取流和電弓影響情況下確保接觸網(wǎng)能夠保持高平穩(wěn)性運(yùn)行。接觸網(wǎng)導(dǎo)高出現(xiàn)的主要因素包括彈性吊索安裝張力、腕臂結(jié)構(gòu)、吊弦長度和安裝工藝等，其中有些部件是工廠預(yù)制完成的[6]?，F(xiàn)階段，我國技術(shù)發(fā)展迅速，人工智能水平大幅度提升，自動(dòng)化吊弦穿線機(jī)和自動(dòng)化腕臂預(yù)配平臺應(yīng)用在所生產(chǎn)體系中，這種自動(dòng)化預(yù)配平臺的應(yīng)用有效提高了生產(chǎn)效率和數(shù)據(jù)精確性，保證了弓網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.新型絕緣材料。接觸網(wǎng)技術(shù)的發(fā)揮和應(yīng)用需要在設(shè)置供電時(shí)有關(guān)部門將電氣化鐵道供電系統(tǒng)作為切入點(diǎn)科學(xué)配置系統(tǒng)參數(shù)。而在電氣化鐵道供電系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，接觸網(wǎng)外部環(huán)境和電氣條件存在復(fù)雜多變性，為了能夠使接觸網(wǎng)在這種情況下穩(wěn)定安全運(yùn)行，有關(guān)部門需要根據(jù)絕緣控制標(biāo)準(zhǔn)采用新型絕緣材料對接觸網(wǎng)進(jìn)行相應(yīng)地改造，并控制好閃絡(luò)間距，使其處于920mm，減少接觸網(wǎng)誤閃事件發(fā)生率，確保人員和財(cái)產(chǎn)安全[7]。另外，有關(guān)部門還需要對接觸網(wǎng)環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而選擇先進(jìn)的合成絕緣材料，使絕緣網(wǎng)絕緣性能能夠提高，例如高性能樹脂基復(fù)合材料，這種材料呈編織狀結(jié)構(gòu)，自身承載力可以不斷提高，而且主要以高性能樹脂為主要結(jié)構(gòu)，整體性能更好，具有超高強(qiáng)度、超輕重量，應(yīng)用在絕緣網(wǎng)上具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益，可以實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的綠色環(huán)保建設(shè)目的。高性能樹脂基復(fù)合材料這種材料可以在接觸網(wǎng)網(wǎng)臂、支架、電纜支架等等部分使用，其所制成的構(gòu)件具有良好的電絕緣性能，可以提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)絕緣性，實(shí)現(xiàn)高壓絕緣，減少建設(shè)成本[8]。另外，還需要利用動(dòng)態(tài)化測量技術(shù)對絕緣網(wǎng)絕緣性能進(jìn)行精準(zhǔn)測量，以便后期方便調(diào)整控制絕緣性能。

2.3 供變電技術(shù)

電氣化鐵路發(fā)展過程中，供電系統(tǒng)的要求不斷提高，各種新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，筆者主要介紹以下幾種：

1.功率單元擾動(dòng)量全前饋控制技術(shù)。相關(guān)部門采用該技術(shù)用來防止擾動(dòng)量影響供電系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)載電流控制使供電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效率提高。另外，為了方式電網(wǎng)電壓諧波過強(qiáng)導(dǎo)致電流驟變，有關(guān)部門需要將積分控制器使用效果充分發(fā)揮出來，對電網(wǎng)電壓變幅進(jìn)行科學(xué)控制，進(jìn)而使供電系統(tǒng)響應(yīng)性能可以得到有效提升，與此同時(shí)還需要根據(jù)機(jī)車負(fù)載控制要求使電流波形質(zhì)量提升，進(jìn)而科學(xué)控制擾動(dòng)量[9]。

2.多臺無牽引變壓器同相供電裝置并聯(lián)控制技術(shù)。為了能夠連通好各個(gè)供電系統(tǒng)，相關(guān)部門需要盡量將電分相環(huán)節(jié)取消掉，并按照電力變化特征解決逆變器環(huán)流問題，使多臺無牽引變壓器與供電裝置并聯(lián)，進(jìn)而使供電系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。另外，若是環(huán)流超過限度則會導(dǎo)致整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行受到影響，導(dǎo)致安全事故。在同相供電系統(tǒng)中，利用逆變器并根據(jù)并聯(lián)控制要求優(yōu)化同相供電系統(tǒng)性能，通過并聯(lián)多臺供電裝置可以實(shí)現(xiàn)就近供電，通過科學(xué)調(diào)整并控制線路距離可以減少逆變器并聯(lián)。牽引供電一般電壓比較高，這導(dǎo)致線路電能損耗量增加。

3.BT模式、SF6自耦變電器和AT供電模式。電氣化鐵路不斷發(fā)展，供電系統(tǒng)安全性要求提高，為協(xié)調(diào)好各種系統(tǒng)使其能夠更好發(fā)展，供電人員需要根據(jù)其他按部門要求進(jìn)行綜合調(diào)查開發(fā)不同的電算方法，使其可以在不同類型網(wǎng)絡(luò)計(jì)算過程中找到對應(yīng)信息，進(jìn)而解決實(shí)操中的各種問題。實(shí)際工作中在電力系統(tǒng)單相負(fù)荷等因素影響下出現(xiàn)三相級不平衡問題，影響了牽引供電系統(tǒng)傳輸電能。新時(shí)期，BT模式是應(yīng)用比較廣泛的一種供電模式，但是其在使用時(shí)會有一些問題，若是電力機(jī)車通過電弓那么電路供電會有短路現(xiàn)象，進(jìn)而影響電氣化鐵路運(yùn)行安全，導(dǎo)致火災(zāi)等事故，而且需要花費(fèi)大量維修費(fèi)用，不利于鐵路經(jīng)濟(jì)性和安全性實(shí)現(xiàn)。因此從長遠(yuǎn)來看并不適合應(yīng)用在電氣化鐵路供電系統(tǒng)中[10]。另外新時(shí)期，SF6自耦變電器供電模式應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，其在隧道供電中應(yīng)用效果顯著，還有AT供電模式應(yīng)用也比較廣泛，其可以保證鐵路運(yùn)行安全，提高電氣化鐵路運(yùn)行安全以及遠(yuǎn)動(dòng)控制率，為鐵路建設(shè)實(shí)現(xiàn)新發(fā)展起到推動(dòng)作用。AT供電模式使用高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣同軸電力電纜，盡管價(jià)格高無法大量使用，但是可以在饋線中使用，效果較好，也可以在長隧道、長橋梁上的電氣化線路中應(yīng)用。

2.4 安全性分析

電氣化鐵道供電系統(tǒng)實(shí)操容易被各種因素影響而出現(xiàn)安全問題，例如內(nèi)部設(shè)備機(jī)械運(yùn)行不協(xié)調(diào)、外部環(huán)境變化等。因此，供電系統(tǒng)需要具體問題具體分析，并為了將整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)整體性充分發(fā)揮出來需要在供電安全監(jiān)測基礎(chǔ)上確保經(jīng)濟(jì)合理，可以從以下兩方面進(jìn)行：一方面，電氣化鐵道安全監(jiān)控需要綜合分析風(fēng)速、地震等各種自然預(yù)警信息，根據(jù)列車站點(diǎn)以及控制中心配置，在站點(diǎn)內(nèi)位置檢測點(diǎn)并將其集中在具體子系統(tǒng)中，以子系統(tǒng)為列車站點(diǎn)安全監(jiān)控組成部分，采用單元方式與整個(gè)安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合起來為后續(xù)數(shù)據(jù)提供安全監(jiān)控支持。另一方面，在系統(tǒng)中納入對子系統(tǒng)中產(chǎn)生影響的信息，并對這些信息監(jiān)測處理，根據(jù)等級差異構(gòu)成子系統(tǒng)處理體系，確保供電安全[11]。電氣化鐵道供電安全監(jiān)控過程中，圍繞調(diào)度系統(tǒng)弄設(shè)備在網(wǎng)橋設(shè)備上進(jìn)行綜合系統(tǒng)控制。電氣化鐵道供電系統(tǒng)中的監(jiān)測信息在傳輸?shù)秸{(diào)度子系統(tǒng)控制中進(jìn)行分析整理，并對其進(jìn)行等級控制，關(guān)聯(lián)綜合安全監(jiān)控。尤其是綜合調(diào)度子系統(tǒng)接收了監(jiān)測信息后可以通過電郵方式進(jìn)行系統(tǒng)信息彼此共享。同時(shí)，還需要仔細(xì)檢查供電系統(tǒng)，并設(shè)置各種監(jiān)控措施，規(guī)范供電安全監(jiān)控系統(tǒng)，同步進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和備份監(jiān)控，進(jìn)而落實(shí)好供電安全監(jiān)控工作。另外，完善安全監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上需要對供電系統(tǒng)具體環(huán)節(jié)進(jìn)行仔細(xì)檢查，優(yōu)化并規(guī)范系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、整體框架、重復(fù)性布置裝置等，對供電系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行備份監(jiān)控和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 電氣化鐵道供電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展前景

電氣化鐵道建設(shè)以安全高效為基礎(chǔ)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)也需要以此為基礎(chǔ)確保技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用具有安全性和高效性。生態(tài)文明建設(shè)背景下，電氣化鐵道建設(shè)需要遵循環(huán)保節(jié)約原則在供電系統(tǒng)中應(yīng)用，促使電氣化鐵道運(yùn)行能夠同時(shí)保證安全高效和節(jié)能環(huán)保。當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，不同類型通信干線逐步發(fā)展，實(shí)際運(yùn)行時(shí)需要綜合分析鐵道干線，考慮其中影響并進(jìn)行合理規(guī)劃，科學(xué)建設(shè)鐵道線路以及供電系統(tǒng)，為了能夠使電氣化鐵道供電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長遠(yuǎn)發(fā)展，相關(guān)部門需要重視專業(yè)人才培養(yǎng)和引進(jìn)，提高引進(jìn)門檻，并加強(qiáng)人員教育培訓(xùn)和拓展訓(xùn)練，建設(shè)高素質(zhì)團(tuán)隊(duì)，并提高整體科研能力，加強(qiáng)新技術(shù)開發(fā)創(chuàng)新，推動(dòng)鐵道供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文針對電氣化鐵道供電系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行分析，深入剖析了供電系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了具體分析?，F(xiàn)階段，我國鐵路交通建設(shè)重點(diǎn)在于供電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和創(chuàng)新，使其能夠在當(dāng)前的發(fā)展環(huán)境中實(shí)現(xiàn)逐步創(chuàng)新，并建設(shè)安全穩(wěn)定運(yùn)行的鐵路。而鐵路部門需要加大人才引進(jìn)，建設(shè)專門的研究團(tuán)隊(duì)，提高其創(chuàng)造能力以及專業(yè)素質(zhì)，為電氣化鐵道發(fā)展供電系統(tǒng)提供保障。