沪杭客专与既有线牵引供电运行方式的探讨(傅豪情).doc

沪杭客专与既有线牵引供电运行方式的探讨摘 要：本文对沪杭客专与既有线牵引供电运行过程中供电方式、牵引网保护、故障情况下区段隔离操作的不同特点进行探讨，并评价其优缺点。关键词：客专 既有线 供电运行方式 探讨 沪杭客专高速铁路全长160公里，运行最高时速350公里，已于2010年10月份正式开通运行。牵引供电系统是客运专线系统中重要的组成部分。接触网是电气化铁路重要的行车设备，是向电力机车、电动车组等移动设备安全可靠供电的特殊输电线路，一旦故障停电，将直接影响正常的行车秩序，甚至会影响旅客人身健康。借鉴国外高速铁路先进理念，从客运专线技术平台统一角度考虑，沪杭牵引供电系统采用AT供电方式。它在提高牵引网供电能力、减少电分相、改善电磁环境和降低外部电源投资等方面具有明显的优势。满足高速动车组高密度、持续重荷载运行要求。经过半年多的实际运行，它的各项创新技术也正在得到进一步验证。下面就客专与既有线牵引供电运行方式进行探讨。一、牵引网供电方式的比较1 带回流线的直供电方式原理。在线路上，机车供电由接触网和钢轨-回流线构成回路，如图一所示。在接触网支柱上架设一条与钢轨并联的导线，称为回流线，隔一段从钢轨上将电流引回回流线，利用接触网与回流线之间的互感作用，使钢轨中的电流尽可能由回流线流回牵引所主变，减少电气空间与大地的不对称性，因而能部分抵消接触网对邻近设备的电磁干扰，这种供电方式简单，投资较省，牵引网阻抗较小，能损也较低。但供电距离短，分相多，机车速度受到限制。2 自耦变压器（AT）供电方式原理。自耦变压器（AT）供电方式是20世纪70年度才发展起来的一种供电方式。工作原理如图二：电力机车由接触网受电后牵引电流由钢轨流回自耦变压器，再经自耦变压器绕组和正馈线流回牵引所。当自耦变压器的一个绕组流过机车电流时，其另一个绕组感应出电流供给电力机车。与接触网同杆架设一条对地电压为25kV但相位与接触网电压反相的“正馈线”，接触网与钢轨和正馈线与钢轨间形成25kV电压可供电力牵引用电。这种方式可在不提高牵引网绝缘水平的条件下将馈电电压提高一倍，可成倍提高牵引网的供电能力，扩展牵引变电所间距，减少分相数量，牵引供电各项技术指标十分优越，特别适用于高速和重载电气化铁路。3 带回流的直接供电方式和AT供电方式的主要优缺点见表1。由表可知，两种供电方式各有利弊，当接触悬挂导线型号配置相同的情况下，AT供电方式的牵引阻抗与带回流的直接供电方式相比小很多。表1 带回流的直接供电方式和AT供电方式的主要优缺点供电方式优点缺点带回流的直接供电方式供变电设施和牵引网结构简单，便于维护；一次性投资和运营维修费用少；供电可靠性高，故障范围影响小；牵引变压器容量小，便于接入电网。牵引所数量多，外部电源工程数量和投资较大；防干扰性能较AT供电方式差；牵引网电压损失和电能损失较大。AT供电方式供电能力强，供电距离远，可减少外部电源工程投资；防干扰效果好，减少防干扰费用；可减少电分相数量，从而有利于提高列车运行速度；牵引网载流能力强，牵引网电压损失和电能损失较小。供变电实施较多，牵引网结构较复杂；一次性投资大；施工和维修较复杂；牵引变压器安装容量大，对电源线要求高。4 沪杭客运专线牵引供电方式的选择2006年我局管内既有沪昆线、京沪线电气化改造运行以来，牵引供电方式采用带回流线的直供电方式。经过多年运行，随着电力机车车流密度的增加，动车组的大量开行，机车负载特性的变化，既有牵引供电设备已渐渐不能跟上运输的需要，特别是繁忙程度最高的沪宁段，2009年“4.1”调图以后，沪宁段在原有每天50多趟的基础上又增开了20多对动车组，最短列车追踪间隔缩短至4分钟，在动车组密集时段，常常使多个牵引所馈线断路器过流跳闸，主变过负荷频繁报警，接触网、供电线等主导电回路多次发生过热断股现象，牵引供电能力已达到极限。牵引供电方式的选择。高速铁路与常规电气化铁路主要有两方面不同点：一方面是列车速度高，本线设计速度最高为350 km/h；另一方面是列车牵引电流大，为维持列车的高速运行，列车必须具备较大的牵引功率及牵引电流。沪杭客专高速铁路是由不同速度等级的动车组混跑的客运专线（在近、远期逐步加大350km/h及以上动车组数量和运行范围），最高速度为350km/h的高速动车组采用大功率流线型交-直-交动车组，200km/h及以上的跨线列车也均为交-直-交动车组，高速动车组（16辆编组）牵引负荷的主要特点如表2所示。表2 高速动车组牵引负荷的主要特点 列车运行最高速度(km/h)200350轮周功率（kW）1100017600列车传动方式大功率流线型交-直-交动车组负荷电流（A）*平均电流为520A左右平均电流为910A左右受流方式双弓受流电制动方式再生制动功率因数0.890.98谐波含量单次谐波含量低，但频谱较宽追踪运行间隔(min)按4min铺画运行图注*：负荷电流基于实测值。AT供电方式具有适应高电能传输的能力，同时可以降低对接触悬挂载流量的要求和减轻牵引网电流密度，并有利于大运量客运专线接触网的轻型化和系统匹配设计。牵引网供电方式采用AT供电方式后在供电能力、减少电分相、改善电磁环境和降低外部电源投资等方面的优势均比较明显，对于高速铁路高速度、高密度和重负荷的情形尤其适宜；因此高速正线的牵引供电系统应采用225kV AT供电方式，杭州、上海枢纽地区内高中速联络线、动车组走行线和动车段（所）等采用125kV带回流线的直接供电方式。既满足列车中速运行，又简化牵引网的结构，降低了造价。二、牵引网的保护的比较1、既有线直供加回流方式的牵引网保护组成如图三，它由牵引所馈线断路器、分区所断路器保护结合组合而成。正常运行时牵引所断路器设有阻抗一、二段，电流速断、过流、增量保护，重合功能；分区所断路器设有阻抗一、二段，电流速断保护，重合功能。2、沪杭客专AT供电方式的牵引网保护组成如图四，它由牵引所断路器、AT所断路器、分区所断路器保护组合而成。正常运行时牵引所断路器设有阻抗一、二段，电流速断、过流、增量保护，重合功能；分区所、AT所断路器只设失压功能，分区所在越区运行方式时才投入阻抗一段、过流、增量、失压保护。3、两种牵引网保护优缺点。两种保护模式主要在于分区所保护方式的不同。既有线的模式是当线路上行或下行有故障时，对应的牵引所馈线断路器和分区所断路器启动保护跳闸，经2秒延时进行一次重合，当故障是瞬时的，断路器重合成功，接触网恢复供电；当故障是永久性的，断路器重合到故障线路后加速跳闸，切断故障线路。该种保护模式重点在于牵引所馈线断路器与分区所断路器之间保护需要匹配好，保护的选择性较差，对故障点重合次数多，对牵引网采用较多电缆区段不适用，另外分区所断路器动作灵敏性较差，有时发生拒动造成停电范围扩大。客专AT供电方式下当线路上行或下行有故障时，牵引所上下行断路器同时启动跳闸， AT所、分区所上下行并联断路器失压跳闸后全部解列，经延时后牵引所上下行断路器分别重合闸。当故障是瞬时的，断路器重合成功，接触网恢复供电；当故障是永久性的，上行或下行断路器重合到故障线路后加速跳闸，切断故障线路。经过半年多运行经验表明,该种保护模式断路器保护的选择性、可靠性强。三、故障情况下区段隔离操作的比较随着电气化铁路运行速度的不断提高，特别是客专高速铁路的大量开通，对牵引系统的的安全、优质、可靠供电提出更高要求，当牵引网发生永久性故障时，通过跳闸信息初步判断故障性质和故障地点，对一时不易查找到的故障需要通过分段隔离重点区段，缩小故障查找范围，减少停电区段，尽一切可能保证运输畅通。当故标指示在车站内并且车站正线和侧线间有分束隔离开关时，先打开此开关甩开侧线，试送电查找故障点；如果仍未发现故障点时则就近打开正线开关，变电所试送电或通过分区所越区试送电确认故障区段。当故标指示在区间正线时，可就近断开两侧隔离开关，通过变电所或通过分区所越区试送电方式确认故障区段。确定故障区段后仍不能找到故障点时，可采取隔离惯性故障设备（如电缆、带电缆的供电线、避雷器、隔离开关）的方式查找故障点。对能进行分束停电的站场，一时不能查找到故障点时，可采取分束停电方法确认故障区段。既有线牵引网隔离设备的特点：大部分区间站两端和所亭供电线上网开关全是手动控制的隔离开关；大站牵引网设置隔离开关较少，供电分束范围较大。客专线路牵引网隔离设备的特点：牵引网线路上的开关全部纳入调度运动控制，大型客站每个股道两端都设置隔离开关，供电分束范围小，既有线与客专线路牵引网隔离故障区段操作比较见表3。例如，2011年4月沪杭客专线路上某高速列车在嘉善南站下行线司机反映机车受电弓有异常情况，后安排列车在嘉兴南站7道停车，由调度在远端操作断开嘉兴南站7道分束隔离开关进行停电，机械师进行登车顶检查处理受电弓。前后处理时间二十多分钟就处理完毕，期间整个供电臂正线未停电，确保后续列车的正常运行。又如，2011年3月沪杭客专某牵引所馈线上下行同时阻抗一段跳闸，上行重合不成功，经联系行调无异常后试送也未成功，此后调度根据故标指示在正线区间里，就远动断开改区间两端的隔离开关后试送电成功。十多分钟就隔离出了故障区段，大大缩短故障情况下故障区段隔离时间。表3 既有线与客专线路牵引网隔离故障区段操作比较线别区间站隔开控制方式所亭上网点隔开控制方式大站分束范围优缺点既有线手动手动较大故障隔离操作时间长，隔离区段范围较大客专线路远控电动远控电动较小故障隔离操作时间短，隔离区段范围较小四、采用AT供电方式在节约能源方面的效果1、牵引网供电方式采用AT供电方式，它既可提高牵引网电压水平， 又可降低牵引网电能损耗；牵引变电所的布点合理并设置在负荷中心，供电臂长度适中，减少了牵引负荷在牵引网上的电能损失。2、枢纽牵引变电所考虑负荷集中和互相支援，供电臂长度缩短，提高变电所供电能力。3、牵引变压器采用三相V结线变压器，提高了牵引变压器的容量利用率，减少了空载损耗，并有利于交-直-交动车组再生能量的吸收。4、交-直-交动车组采用三相异步牵引电机，可充分发挥异步电机全电压启动、变频均匀调速和再生制动的功能；它还消除了低次谐波分量对电力系统的影响，动车组功率因数高，并减少了牵引网电能损失。在正常运行方式下，牵引网在AT所和分区所处实现上下行同相并联供电，本线牵引网的电能损耗较单边分开供电情况减少。五、结束语：沪杭客专牵引系统AT供电上还有分相开关采用两组隔离开关，能保证在反向行车的特殊情况下也能进行闭合分相开关进行救援，同时两组分相开关在越区供电时可以作为分区所越区