任应科

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，兰州　730000)



准东铁路增建二线牵引供电系统研究

任应科

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，兰州730000)

摘要：结合伊泰准东铁路虎石至周家湾段增建二线电气化工程特点，为增建二线绕行既有线的牵引供电系统提出一种新的设计思路，并对其牵引网的载流能力、牵引变压器容量、牵引网末端电压水平等主要控制因素进行分析，同时对配套电气化工程从不同角度进行优化设计，使研究方案技术更合理，供电能力更强，具有明显的经济效益和社会效益。

关键词：铁路；增建二线；牵引供电系统；研究

伊泰准东铁路虎石至周家湾段增建二线自准东铁路周家湾站(DK0+000=K2+644)引出，绕行既有线设巴润哈岱站、沙圪堵北站，西行至终点虎石站(DK60+850.8=准东线K66+279.75)，线路全长60.5 km，线路绕行距既有线最远约40 km，线路平面如图1所示。设计运量为7 800万t/年，并预留运量增长条件。

铁路等级：地方铁路I级(线下工程按国铁I级)；正线数目：双线；限制坡度：增建二线上行4‰，下行12‰；机车类型：SS4双机；牵引质量：10 000 t，部分5 000 t；到发线有效长度:1 700 m；闭塞类型：自动闭塞。

既有准东铁路牵引网采用AT供电方式，设有福兴城牵引变电所和薛家湾、海子塔、沙圪堵、西营子4座AT所，供电设施分布见图2。由薛家湾和沙圪堵220 kV变电站各出1回110 kV线路为牵引变电所供电。

图1　线路平面示意

1供电方案研究

本线为准东铁路虎石至周家湾段增建二线工程，其供电系统主要考虑如下内容。

(1)增建二线绕行既有线，无法利用既有供电设施为新建二线供电。

(2)“伊泰铁路网”是以准东铁路为主干通道向周边辐射，在周家湾站接轨的铁路有呼准铁路及其增建二线、酸周线等。在虎石站接轨的铁路有准东二期及其复线。因此牵引供电系统要保证虎石、周家湾两“枢纽站”的供电可靠，同时要与“伊泰铁路网”近、远期规划相适应。

当增建二线绕行既有线，且供电设施不可共用时，通常是将既有线与增建二线按双单线考虑。既有线维持由既有供电设施供电，新建二线则新设供电设施供电。显然，本线单一的考虑新设供电设施为新建二线供电与“伊泰铁路网”近、远期规划不匹配，会造成后期供电设施设置的不合理和重复建设，且周家湾、虎石站作为路网的“枢纽”站，供电可靠性及灵活性较差。

综上所述，根据既有供电设施情况，结合“伊泰铁路网”规划，牵引供电系统按“统筹考虑，分期实施”的原则，优先在两枢纽站(周家湾、虎石)设牵引变电所，设巴润哈岱、DⅡK29+000、沙圪堵北、福兴城4座AT所，利用既有海子塔、沙圪堵AT所，供电设施方案见图2。周家湾、虎石牵引变电所投入运行后，将既有福兴城牵引变电所退出运行，变电所的场坪、房屋和设备在后期工程建设中统筹利用，尽可能减少废弃工程。

图2　牵引供电设施分布方案

此方案充分考虑本线特点和“伊泰铁路网”近、远期规划，在接轨铁路多、运输重要的虎石和周家湾站新建牵引变电所，具有如下优点。

(1)在运输枢纽站设牵引变电所，可对各场、段实现分场分束供电，提高供电的可靠性。

(2)供电臂长度适中，供电能力对远期发展的适应性较强。

(3)新建牵引变电所可为接轨的铁路预留供电条件，使“伊泰铁路网”牵引供电设施的设置更为合理。虽将福兴城牵引变电所退出运行，但既有房屋、设备可为后期工程所利用，同时利用既有110 kV线路为新建牵引变电所供电，避免了重复工程，节省了投资。

(4)供电系统能够形成很好的支援，供电灵活、可靠，同时在建设过程中对既有线影响小。

2牵引供电系统主要控制因素分析

新建牵引变电所两供电臂分别为既有线(轻载)和增建二线(重载)。开行重载列车后，随着机车牵引定数的增大，机车带电电流也急剧增大，同时因闭塞类型由原半自动闭塞变为自动闭塞，列车按追踪间隔运行，使供电臂上同时存在的列车数增加，这些都对牵引供电系统的适应性提出了更高的要求，主要体现在以下几方面。

2.1牵引网载流能力

接触网悬挂工作温度通常为80～100 ℃，按摩尔根公式[1-2]分别计算铝包钢芯铝绞线承力索、钢铝电车线接触线的持续载流量及短时载流量，其结果见表1。

牵引网允许载流量为承力索、接触线载流量之和，在导线高度确定的情况下，导线间的电流分配取决于导线间的耦合关系，与各自的漏抗成反比，计算导线间电流分配比见表2。

表1　导线载流量计算结果

表2　导线载流量分配计算结果

根据承力索和接触线各自的载流量及电流分配比，既有线和新建二线采用的接触网悬挂组合载流量见表3。

表3　接触网悬挂载流量

2.1.1既有线牵引网载流能力

当闭塞类型发生改变后，既有线主要运行5 000 t及10 000 t的回空列车，但由于列车按追踪间隔运行，使供电臂同时存在的列车数增加，因此需对既有接触网导线进行校验。

经计算，既有线短时最大电流为732.6 A，则承力索、接触线中分配的电流分别为351.6 A和381 A，因此，既有接触网导线满足增建二线后的载流需求，各导线规格详见表4。

表4　既有线线材规格和张力

2.1.2增建二线牵引网载流能力

与既有线不同，增建二线除了列车按追踪间隔运行，行车密度高，同时重载机车电流大，使得牵引网的载流能力成为牵引供电系统主要的控制因素。

经计算，增建二线短时最大电流为1 094.4 A，承力索、接触线中分配的电流均为547.2 A，根据计算结果，增建二线导线规格选择见表5。

表5　增建二线线材规格和张力

2.2牵引变压器容量

由于本线地处电源稀少地区，又开行重载列车，因此本线采用供电功率较大、供电区段较长的AT供电方式。变压器选用将V/V接线和AT方式纯单相接线的技术进行整合的V/X接线牵引变压器[3]。

V/X接线牵引变压器是由2台单相变压器组合而成的，2台单相变压器分别为既有线负荷和增建二线负荷，同时考虑相邻线牵引负荷，依据TB/T165—1996规定，按近期12 min追踪间隔、过负荷能力100%确定，周家湾、虎石牵引变电所变压器安装容量分别为2×(20+25)MVA、2×(25+20)MVA。

根据准东铁路公司提供的运营数据，虎石、周家湾牵引变电所母线最大短时电流分别为1 136、1 487 A。设计容量对本线及相邻线运量增长和过负荷运行都有较强的适应能力。

2.3牵引网电压水平

牵引网末端电压水平是衡量牵引供电系统的一个重要指标。本线虽按追踪间隔运行，但由于线路绕行，接触网在末端无法实现并联运行，因此牵引网电压按接触网末端断开计算，追踪间隔数由列车走行时分与追踪间隔时分确定，计算至末端最大电压降为[2]

(1)

由于V/X接线变电所两供电臂分别由各自的变压器供电，因此供电臂在变压器中产生的电压损失为

(2)

(3)

式中，XT为变压器电抗，Ω；Imax为计算条件下供电臂最大电流，A。由此可计算牵引网最低电压。

2.3.1牵引网正常运行

牵引网正常运行时，最低电压按5 000 t和10 000 t列车混跑，远期10 min追踪间隔进行校验计算，电压水平均满足要求，无需要采取补偿措施，计算结果见表6。

表6　牵引网电压水平

实际运营数据显示：当供电臂为5 000 t列车追踪运行时，牵引网末端电压最低为23.03 kV；供电臂按5 000、10 000 t列车追踪时，牵引网末端电压最低为21.5 kV。

2.3.2越区供电能力

周家湾牵引变电所解列时，由虎石牵引变电所分别经既有线和新建二线越区供电至周家湾。同理，虎石牵引变电所解列时，由周家湾牵引变电所越区供电至虎石。

因本线机车运行速度较低，越区供电能力按维持行车速度不变，增大追踪间隔进行计算。经计算，当追踪间隔增大到25 min时，越区供电臂可满足1列10 000 t和5 000 t列车同时运行，牵引网末端电压均满足越区供电时的要求，计算结果见表7。

表7　牵引网电压水平

3电气化配套工程设计

3.1牵引变电所设计

牵引变电所两相母线均设并联电容补偿装置，以提高牵引变电所功率因数，并吸收部分三次谐波。

牵引变电所均与10 kV电力配电所合建，节约场地，便于维护管理，减少了值班人员。同时因地方电力部门只能为配电所提供1路10 kV电源，且电源点距10 kV配电所较远，供电不稳定，因此在变电所设110/10 kV电力变压器，为10 kV配电所提供1路电源，供电可靠、方便。

3.2接触网设计

接触网悬挂类型采用全补偿简单链形悬挂，考虑机车交路中受电弓滑板匹配要求，选择接触线与既有相一致。

同时本线为运煤重载铁路，因此在虎石站装车点设置可移动刚性悬挂接触网。移动接触网由接触网Y型下锚装置、刚柔过渡段、刚性梁、可移动绝缘接触杆及传动系统组成[4]，如图3所示。当运煤列车到达后，可移动接触网移开，漏斗仓下煤；装煤完毕后，可移动接触网移至线路上方使电力机车牵引发车。提高了生产效率、节约建设投资及运营成本、安全可靠。

图3　可移动接触网示意

4结语

伊泰准东铁路虎石至周家湾段增建二线于2013年10月开通，与其接轨的酸周线、呼准增建二线及准东二期铁路也相继开通运营。据运营单位反馈，牵引供电系统运行稳定，主要技术指标良好。供电设施设置结合“伊泰铁路网”近、远期规划，大大减少了工程投资，取得了良好的经济效益和社会效益。同时结合本线特点，为增建二线绕行既有线提供了新的设计方法。同时将牵引变电所与10 kV电力配电所合建，设110/10 kV电力变压器为10 kV配电所供电，漏斗仓下设移动接触网装置等设计优化，为今后类似工程提供参考。

参考文献：

[1]马劲飞，汪吉健.链形悬挂电流分配及接触网悬挂载流截面研究[J].电气化铁道，2006(S1):38-39.

[2]谭秀炳，刘向阳.交流电气化铁道牵引供电系统[M].成都:西南交通大学出版社，2003：138-143，237.

[3]杨振龙.V/X接线牵引变压器的研究和应用[J].电气化铁道，2004(4):12-13.

[4]郑刚.装煤站的可移动接触网解决方案[J].电气化铁道，2006(S1):103-104.

[5]中华人民共和国铁道部.TB10009—2005铁路电力牵引供电设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[6]贺威俊，高仕斌.电力牵引供变电技术[M].成都:西南交通大学出版社，1998.

[7]中铁第一勘察设计院集团有限公司.准东线周家湾至虎石段增建第二线工程可行性研究 (修改)全一册 [R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2012.

[8]铁道部电气化工程局电气化勘测设计院.电气化铁道设计手册：牵引供电系统[M].北京: 中国铁道出版社，1998.

[9]聂宏旺.漏斗仓下移动式接触网机构设计[J].铁道标准设计，2005(7)：108-110.

[10]张晓鹏，孟志强，韩正庆.并联补偿装置电抗器过电压保护方案[J].电气化铁道，2006(S1)：202-205.

[11]杨振龙.VX接线与Scott接线牵引变压器的工程应用比较[J].电气化铁道，2006(3):4-7.

[12]曹建猷.电气化铁道供电系统[M].北京:中国铁道出版社，1993.

收稿日期：2015-10-19； 修回日期：2015-11-09

作者简介：任应科(1981—)，男，工程师，2005年毕业于兰州交通大学电气工程及自动化专业，E-mail：635579487@qq.com。

文章编号：1004-2954(2016)06-0113-04

中图分类号：U223

文献标识码：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