张亚宾 杨建兴 辛荣亮

摘要：大秦线一期工程韩家岭～大石庄段于1988年12月28日开通运营，牵引供电系统按年运量1亿吨设计，大秦线2002年完成货运量10231万吨，已超过原设计的输送能力，牵引供电能力极为紧张，尤以延庆～下庄段为甚，已严重影响机车正常运行。本文介绍了延庆～下庄段应急改造工程牵引供电系统设计的四个“第一”，确保了大秦线2004年年运量1.5亿吨、2005年年运量2亿吨目标的实现，供重载铁路牵引供电系统设计参考。

Abstract： Hanjialing to Dashizhuang line， which is the first project of Datong-Qinhuangdao line， was opened and operated on December 28， 1988. The traction feeding system of Datong-Qinhuangdao line was designed on the base of 100 million tons per year volume， but the volume reached to 102.31 million tons in 2002， which was much more than original design transportation capacity. Over loading made traction power feeding system extremely tight， especially in Yanqing to Xiazhuang line， and this had seriously affected the normal operation of locomotives. This paper introduces four "NO.1" in the design of the traction power feeding system in emergency reconstruction project of Yanqing to Xiazhuang line， which can ensure to achieve the goal of year volume reaches up to 150 million tons in 2002 and 200 million tons in 2004. This paper can also be considered as the reference of the traction power feeding system design.

關键词：延庆至下庄；应急工程；牵引供电系统；改造方案

Key words： Yanqing to Xiazhuang；emergency project；traction feeding system；reconstruction plan

中图分类号：TM922.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）29-0140-03

0 引言

大秦线是我国第一条双线电气化、开行重载单元式列车的运煤干线，西起大同市，东至港口城市秦皇岛，主要承担晋北、蒙西及西北部的煤炭外运任务。大秦线开通14年来，运量逐年增长，2002年完成货运量10231万吨，已超过原设计10000万吨的输送能力，根据运量预测，2004年大秦线的煤炭运输量为1.5亿吨，2005年煤炭运输量将达到2亿吨以上。因此，大秦线牵引供电能力普遍不适应运输组织的需要，特别是延庆～下庄供电臂接触网的供电能力成为限制大秦线运量进一步提高的瓶颈。为了缓和大秦线延庆～下庄段的供电能力紧张，以及为增加重载列车、减少车流密度、预留天窗时间为下阶段的2亿吨扩能改造施工创造条件，有必要对延庆～下庄段实施应急改造，对供电设备能力进行加强，以满足2004年大秦线年运量1.5亿吨目标的实现。

1 既有牵引供电系统概况

1.1 牵引供电系统运行概况

根据运营资料，大秦线2004年1月完成运量1225.9万吨，较1.5亿吨日历进度累计亏欠44.6万吨，而牵引供电设备已处于过负荷运行状态，1月份共发生馈线过负荷跳闸21次，较为严重的供电区段有5处，尤以延庆～下庄段为甚，该区段的过负荷跳闸有12次之多，接触网传导电流过载严重，供电臂末端电压接触网电压低至16.3kV，经常导致机车停车，牵引供电系统供电能力满足不了运输组织需要。

1.2 牵引网供电方式和主要设备

大秦线牵引网供电方式采用AT供电方式，延庆至下庄区段牵引供电设施分布有延庆牵引变电所、铁炉村开闭所和下庄分区所。所内主要设备和接触网设备选型如图1所示。

1.3 外部电源概况

延庆牵引变电所的外部电源电压为110kV，两回电源进线引自110kV康庄变电站，而康庄110kV进线母线由聂各庄变电所供电，该变电所主变压器容量为180MVA，从聂各庄变电所至延庆牵引变电所的输电线线路长度达74km。延庆牵引变电所的系统阻抗标么值分别为：最大运行方式为2.456；最小运行方式为4.4。从上述数据可分析出，延庆牵引变电所的供电系统的短路容量小（最小方式下为227MVA），系统较为薄弱。

1.4 供电能力薄弱的原因分析

延庆至下庄供电臂供电能力薄弱，接触网电压水平低的原因分析如下：

①110kV电力系统短路容量小、外部电源输电线路过长，造成系统电压损失过大。当牵引负荷增大至1000A时，55kV母线的最低网压将达到40kV以下，其中系统压损将占到绝大部分，如功率因数为0.85时，系统压降将达到14000V。现场运营的实测也证明了这一点。

②牵引负荷远远超过了设计负荷，行车组织密度和运量超过原设计的供电能力。

③线路坡度大，供電臂长，牵引负荷大。

延庆～下庄供电臂长度为47.3km，上行方向为重载列车，除延庆至军都山隧道约10km的上坡外，其余均为下坡，线路最大坡度为4‰；下行方向虽为空车，但上坡区段居多，线路最大坡度为12‰。因此，在延庆～下庄供电臂上下行方向负荷电流均较大，导致接触网末端电压过低。

2 牵引供电系统改造方案

改造方案的目标是提高延庆至下庄段的接触网最低网压。

结合本段网压偏低的主要原因，如能改善延庆牵引变电所所的外部电源，提高系统的最小短路容量，并通过增设牵引变电所，将可以从根本上解决网压低的问题。但考虑到改善电源且增设牵引变电所需和电力部门进行协商，周期较长。为确保大秦线2004年实现年运量1.5亿吨目标的实现，应在既有的牵引供电系统进行增容补强，采取相应的补强网压的措施，提高供电臂末端电压水平。

2.1 主要设计原则

①充分利用既有的牵引供电设施，并与大秦线2亿吨改造工程相结合，尽量减少电力设备废弃；②本次改造为大秦线年运量2亿吨、牵引质量2万吨改造工程的应急工程，牵引网正常运行状态下，机车受电弓电压按不低于19kV设计，待正式工程实施后，通过增加牵引变电所方案，实现正常运行情况下机车受电弓电压不低于20kV。③通过本次的应急工程改造，延庆至下庄段的接触网最低电压水平应确保在19kV以上，保证大秦线2004年年运量达到1.5亿吨。

2.2 改造方案

目前在既有线电气化铁路通常采用提高接触网电压的措施主要有：增设串联电容补偿装置；牵引网增设加强导线，减少牵引网阻抗，降低压损；增设牵引变电所，缩短变电所供电距离；采用增压变压器方案。

本段线路采用AT供电方式，目前牵引网最低网压达到16kV，如提高网压4kV以上，需结合既有可行的补强措施综合考虑，本次网压补偿措施提出综合网压提高方案。

2.2.1 变电所增设自耦变压器和有载自动调压装置

①牵引变电所增设2台自耦变压器。

延庆牵引变电所内既有牵引变压器为十字交叉结线，所内不设自耦变压器，当机车运行在延庆牵引变电所与铁炉村开闭所之间时，牵引变压器二次绕组除承受55kV回路电流外，还承受27.5kV回路电流。另据运行部门反映，随着运量的增长，延庆～下庄供电臂T、N线间电流增至最大约1000A，变压器与外部的电气连接线（如导电杆等）出现过负荷现象，大秦线2亿吨改造后，负荷将可能增至1500～2000A，过负荷现象更为严重。

为均衡牵引网电流，缓解主导电回路传导能力不足的压力，在延庆牵引变电所内增设2台自耦变压器，自耦变压器的容量按照年运量2亿吨的需要选择，即20MVA。

②增设有载自动调压装置。

在延庆牵引变电所母线与自耦变压器之间装设有载自动调压装置，增压变压器原边额定电压为2×27.5kV，副边电压为（2×27.5kV+2×（6×1kV）），额定结构容量为（2×6000）kVA。

增压变压器的自动控制器可以同时对T、F线电压进行同步联锁控制，并保证级位保持相同，分接开关每动作一个档位，T-F间电压提高2kV，T-R间电压提高1kV；当上、下行馈线同时投入运行时，自动控制器可以同时对两台有载调压增压变压器进行同步联锁控制，并保证级位保持相同；当仅有上行或下行馈线投入时，自动控制器可以单独对一台有载调压增压变压器进行控制。

对于增压变压器的增压效果，一方面牵引负荷使得增压变压器原边电压低于额定工作电压，导致增压变压器的效率降低；另一方面，考虑电力系统、牵引变压器阻抗以及功率因数的影响后，增压变压器的增压效果也有所降低，计算如表1所示。

表1中27.5kV侧牵引负荷电流按2000A计算，增压变压器变比使得原边负荷电流增大，导致电力系统、牵引变压器上的电压损失增大，因此分接开关调整一个档位，T、R间实际增压小于1kV（0.66kV）。

综合考虑上述原因对增压变压器效率的影响后，牵引网的电压仍可提高2kV以上。

2.2.2 分区所增设可调无功补偿装置和固定电容无功补偿装置

为减少牵引网电压损失，提高延庆～下庄供电臂牵引网电压水平，同时有利于改善延庆牵引变电所的功率因数，在下庄分区所下行母线上安装1套可调无功补偿装置，并联电容器安装容量为5600kvar，串联电抗器额定容量为646kvar，为限制空载情况下母线电压升高，同时在分区所装设磁阀式可调电抗器，额定容量为4500kvar。另外再装设一组固定电容补偿装置，并联电容器安装容量为5600kvar，串联电抗器额定容量为646kvar。

在下庄分区所装设可调无功补偿装置以及固定电容补偿装置后，牵引网电压可提高1.5～2kV。

方案确定时对将补偿装置安装在延庆牵引变电所或下庄分区所两种情况作以下分析，电容器的安装容量及增压效果如表2所示。

从表2中可以看出，当相同容量的电容器组容量（5600kvar）安装在分区所或变电所时，增压效果是不同的，安装在分区所时电压增量是安装在变电所的1.34倍。因此，为了提高牵引网的电压，电容器组安装在分区所较安装在变电所更有效。

2.2.3 开闭所将上、下行接触网并联运行

在延庆牵引变电所和下庄分区所中间的铁炉村开闭所，将上、下行接触网并联运行供电。接触网上下行全并联供电后，可改善牵引网的电流分布，提高牵引网电压0.4～0.5kV，另外，通过对AT所并联与不并联情况下分别计算，牵引网能耗约可降低10%。

2.2.4 采用大截面合金牵引网导线和增設加强线

为进一步提高网压、增强传导能力，对延下段的接触网改造结合大秦线2亿吨扩能改造提前实施，改造后接触网导线选择为：

接触线：CTHA-150；

承力索：THJ-150；

加强导线：延庆至军都山隧道之间约10km设加强导线，型号为TJ-120，即既有的载流承力索利旧；

正馈线：延庆至军都山隧道之间约10km选择2×LGJ-185导线，剩余区段选择LGJ-240导线；

保护线：LGJ-95；

通过对既有接触网导线的更换，增大接触网的等效载流截面和载流量，解决了接触网传导电流过载的问题，同时降压了牵引网阻抗，降低了牵引网的电压损失和牵引网损耗。

3 改造方案实施效果

在改造方案采取的四大措施中，有载自动调压方案和可调无功补偿增压方案均无在AT区段工程实施经验，为提高运行中补偿电压的可靠性，两种补偿措施同时采取。

本方案的实施在铁道部领导的关心下，经建设单位、设计单位、施工单位和供货厂家的多次论证后得以实施，工程从2004年3月中旬开始至2004年4月25日全部完工。

从2004年4月25日至2004年底，延庆至下庄段接触网最低网压保持在20kV以上，保证了机车的正常运行，牵引变电所功率因数由0.88提高至0.92，实现了设计的目标。确保了大秦线增开万吨列车、2004年年运量1.5亿吨目标的实现。

4 结论

①本工程第一次在AT供电方式下采用了增压变压器方案提高网压，效果良好。为既有AT供电方式的电气化铁路提高网压提供了一种新的选择。②第一次在AT供电方式下采用分区所加装可调电容无功补偿装置提高网压并兼有提高牵引变电所功率因数的尝试，可在下一步实践中进行总结。③在电气化铁道中第一次采用了大截面的接触网导线。接触线采用CTHA-150mm2，承力索采用THJ-150mm2，与之配套的17种接触网零部件新研制。为下一步实现大秦线扩能2亿吨的目标奠定了坚实的基础和经验。④工程中采用铁炉村开闭所上下行接触网并联运行，均衡了上下行的牵引网电流分布，改善了网压。同时降低了牵引网电能损失，节省了运营成本。经测算，大秦线年运量2亿吨，年用电量将达到21.7亿度，如每度电计列0.5元，则年电费为10.85亿元；如将下一步扩能改造工程中的AT所并联运行，可节省电费约760万元/年，经济效果显著。

参考文献：

[1]TB 10009-98，铁路电力牵引供电设计规范[S].1998.

[2]电气化铁道设计手册-牵引供电系统，1988.

[3]电气化铁道接触网，2004.