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朔黃鐵路牽引供電系統擴能改造方案優化研究與實踐
來源:朔黃鐵路發展有限責任公司     作者:曹廣河     發布時間:2013年03月28日

   一、概述

朔黃鐵路西起山西省神池縣,東至河北省黃驊港,全長594公里,是國家I級雙線電氣化鐵路,由神華集團、鐵道部、河北省共同出資建設,2000年開通投入運營,2011年煤炭運量達到1.78億噸,預計2012年煤炭運量超過1.9億噸。根據國家能源戰略和神華集團的規劃,朔黃鐵路從2010年開始實施4億噸擴能改造工程,沿線部分車站到發線有效長度改造成2800米,以適應開行二萬噸列車的需要。朔黃鐵路的擴能改造,對于緩解國家煤炭運輸的緊張局面具有重要的戰略意義。

牽引供電系統是電氣化鐵路的重要組成部分。朔黃鐵路沿線設有15個牽引變電所,14個分區所,1個開閉所。其中2個牽引變電所是AT供電方式,其余變電所是直供加回流供電方式,接觸網采用全補償簡單鏈型懸掛方式,導線采用鋁包鋼導線。在實施擴能改造的大背景下,對牽引供電系統改造方案進行優化研究,在節省投資的條件下使牽引供電能力滿足運輸能力的需要,是擺在我們運營管理者和設計人員面前的重要課題。

二、牽引供電系統改造的原則

1.供電能力與運輸能力相匹配的原則。供電能力的大小主要由變電所的主變容量和接觸網的載流能力來決定,因此,只要牽引變壓器的容量和接觸網的載流能力足夠大,就能滿足運輸能力的要求。但由于運量有一個逐步增長的過程,如果變壓器的容量按遠期規劃的運量一步增容到位,則很可能會形成“大馬拉小車”的情況,基本電費支出巨大,造成運營成本的浪費。所以,變壓器的增容必須有一個分步實施的過程。

2.變電所的主變容量與接觸網的載流能力相匹配的原則。牽引供電系統由變電所和接觸網兩大部分組成,牽引供電系統的供電能力由變電所的變壓器容量和接觸網的載流能力來決定。如果變電所的變壓器容量和接觸網的載流能力不匹配,只增加變電所的變壓器容量或只增加接觸網的載流能力,都不能有效提高牽引供電系統的供電能力。

3.主變容量與其控制保護裝置相匹配和接觸網各種導線相匹配的原則。牽引變電所主要由變壓器、斷路器、隔離開關、互感器、二次保護裝置等設備組成,主變壓器的容量決定了斷路器、隔離開關、和電流互感器等設備的容量,如果某項設備的容量選擇不合理,過大則會造成設備的浪費,過小則有可能燒損設備。同樣,接觸網由接觸線、承力索、供電線、回流線、正饋線等組成,如果選擇不合理,也直接影響到接觸網的載流能力,或造成回流不暢等問題。

三、牽引供電系統擴能改造方案優化研究

1.按運量2.2億噸進行牽引供電系統的局部改造。

朔黃鐵路從2010年擴能改造之初,運量已達到1.6億噸,通過對設備實際運行數據的分析,我們認為只要對部分薄弱環節進行增強改造,牽引供電能力就能滿足運量為2.2億噸的要求。主要的改造項目是在朔黃全線增設接觸網加強線、龍宮變電所兩端增設AT所、三個變電所變壓器增容、變電所補償電容增容等。下面分別進行敘述。

1)在全線增設接觸網加強線。

在既有線的擴能改造過程中,判斷接觸網是否需要進行更換的依據有兩個,一是接觸網的容許載流能力是否滿足運能的需要,二是接觸網導線的機械強度是否滿足安全系數的要求。從載流能力看,朔黃鐵路接觸網采用GLCN-250接觸線和LGJ-185承力索,其持續載流能力是929安。根據各變電所饋線電流的統計數據分析(見表1),饋線最大電流已經接近或超過其容許載流能力。

1:饋線最大電流

變電所名

神池南

龍宮

原平南

東冶

滴流蹬

小覺

西柏坡

靈壽

饋線最大電流(A

890

980

810

790

900

720

825

910

變電所名

定州西

安國

肅寧北

行別營

滄州西

黃驊南

狼駝子

饋線最大電流(A

750

790

900

750

800

1089

520

注:表中僅列出各所的最大饋線電流

從機械強度看,朔黃鐵路是2000年開通運營的,至今剛過12年,按照鐵道部《接觸網運行檢修規程》,接觸網的大修周期是20-25年,朔黃線的接觸網還沒有到達大修周期。從接觸網的導線磨耗測量數據分析,除個別地點因接觸網調整不到位,局部形成硬點,導致磨耗偏大外,全線導線磨耗基本在允許范圍內,只需進行局部加強處理,就能滿足導線對機械強度的要求。如果立即將導線全部進行更換,會造成極大的浪費。

從上面的分析可以看出,既有接觸網導線暫時可以不必更換,但隨著運量的增長,其載流能力已顯不足?;诖?,我們提出增設接觸網加強線的方案。增設加強線的優點有三點,一是提高了接觸網的容許載流能力,暫緩了更換導線的時間,充分利用了既有導線的能力, 加強線選用LGJQ240導線,接觸網并聯加強線后容許載流量為1449安;二是既有接觸網并聯加強線后,可以降低接觸網的線路阻抗,有效減少線路造成的電壓降,提高供電臂的末端電壓;三是朔黃鐵路的牽引供電系統最終是要改造成AT供電方式的,將來改AT供電方式時加強線可以用來作為正饋線使用。所以,增設加強線有一舉三得的效果。

2)在龍宮變電所兩端供電臂的中間增設AT所。既有龍宮變電所是AT所,其牽引變壓器采用V/X接線方式,兩端供電臂分別供至寧武西分區所和北大牛分區所,(見圖一)。該供電方式是采用的2×27.5KV模式,其供電臂傳輸電能是直供方式和AT供電方式并聯作

用的結果,越靠近變電所,直供方式作用的效果越明顯,由于從變電所到分區所二十多公里的供電臂中間沒有設自耦變壓器,所以整個供電臂機車電流很大部分通過接觸網—軌道—保護線回到變電所,而流過正饋線的電流較小。大家知道,AT供電方式的最大優點就是設有自耦變壓器,機車部分電流可以通過自耦變壓器的作用從正饋線流回變電所。由于既有供電臂中間沒有裝設自耦變壓器,造成接觸網(T線)、正饋線(F線)、保護線(P)電流分配不平衡,AT供電方式的優點沒有得到充分的發揮。同時,由于電流不平衡的問題比較突出,也在一定程度上造成了牽引變壓器一次側電流不平衡,容量利用率低,過負荷比較嚴重?;谏鲜龇治?,我們提出在龍宮變電所的兩端供電臂的中間增設AT所。

3)對部分變電所的主變容量進行增容改造。在朔黃全線15個牽引變電所中,都不同程度存在著過負荷情況,表2是各變電所變壓器20121-6月份的過負荷報警次數統計。其中龍宮、肅寧北、狼駝子三個變電所過負荷現象比較突出。龍宮變電所兩端由于處于長大坡道,牽引負荷較重,機車取流較大,過負荷I段報警表現為次數多,持續時間長,最長持

2:各變電所變壓器20121-6月份過負荷報警次數

變電所名

神池南

龍宮

原平南

東冶

滴流蹬

小覺

西柏坡

靈壽

過負荷次數

1

215

4

6

10

26

48

29

變電所名

定州西

安國

肅寧北

行別營

滄州西

黃驊南

狼駝子

過負荷次數

35

0

532

28

55

49

796

注:過負荷保護報警定值為1.4

續時間達45分鐘,最嚴重時發生過過負荷II段動作造成跳閘的情況。根據龍宮所變壓器的使用說明書,其過載能力為:1382×1IN +12×2IN+2×3IN+30×1IN +12×2IN+2×3IN,即24小時內,允許2倍負荷2次,每次12分鐘,允許3倍負荷2次,每次2分鐘,其他時間允許滿載運行。因此目前的過負荷仍然在變壓器過載承受范圍內,但對變壓器的使用壽命會有較大的影響。肅寧北、狼駝子變電所處于技術站,調車作業比較多,多臺機車同時啟動時啟動電流比較大,會造成變壓器短時過負荷,一般維持在十幾秒至幾十秒范圍內,但過負荷由于次數較多,對變壓器的安全運行也有一定的影響。其它變壓器的過負荷次數較少,且均為短時過負荷,對變壓器的影響不大?;谏鲜龇治?,改造方案對龍宮、肅寧北、狼駝子三所的變壓器進行增容,以提高變電所的供電能力。其它變電所的變壓器在后續改造時再進行增容。

4)對變電所的斷路器、電流互感器、隔離開關等設備進行增容改造。由于接觸網增設加強線,接觸網的載流能力提高,根據變電所供電能力與接觸網的載流能力相匹配的原則,需要對變電所的饋線斷路器、饋線隔離開關、電流互感器等設備進行相應的增容改造,同時由于部分變電所變壓器的增容,也需對相應的上述設備進行改造。

5)對變電所的補償電容進行增容改造。目前朔黃線開行的電力機車全部為SS4型機車,功率因數較低,按2.2億噸運量考慮,列車開行密度和萬噸列車的對數相應增加,必然會使牽引負荷進一步增加。因此必須增加補償電容的容量,以滿足功率因數不小于0.9的要求??紤]到朔黃線將逐步增加大功率交流機車,機車本身的功率因數會有較大的提高,目前暫時仍采用固定補償方式,只是在神池南變電所采用了SVC動態補償裝置。

2.按年運量3.3億噸和4.0億噸分步實施擴能改造設計與施工。

根據朔黃鐵路的實際運營情況,目前是五千噸列車和萬噸列車混跑,2012年底前進行二萬噸列車試驗,預計2013年將開行一定數量的二萬噸列車。如果行車組織按照1萬噸列車和二萬噸列車間隔發車,則最大運量為3.3億噸??紤]到煤炭運輸增長的速度,目前的牽引供電能力預計將在2014年難以滿足運量的要求。朔黃鐵路公司已委托設計院按照年運量為3.3億噸進行牽引供電系統的設計,將目前的直供方式改為AT供電方式,將既有的加強線改為正饋線使用,同時逐步將鋁包鋼導線更換為銅導線,以提高接觸網的載流能力,并對所有變電所的牽引變壓器進行增容改造,使牽引供電系統的供電能力滿足3.3億噸年運量的要求。 

按照朔黃鐵路運量的規劃目標,當朔黃鐵路的上游鐵路神朔鐵路和準池鐵路年運量達到設計要求時,朔黃鐵路的年運輸能力要達到4億噸的水平。朔黃鐵路牽引供電系統將根據運量的增長速度,適時進行4億噸的擴能改造,在朔黃鐵路全線改造成AT供電方式和導線更換為銅線的基礎上,對所有牽引變壓器再次進行增容,在接觸網上增設加強線,以進一步提高牽引供電能力,滿足年運量為4億噸的要求。

四、方案實施效果

目前,牽引供電系統按照2.2億噸運量的擴能改造項目已基本完成施工,投入運營后收到較好的效果。

1.增設接觸網加強線后,其載流能力得到了很大的提高,實際饋線電流在容許載流范圍內,并且有合理的裕量。同時,由于并聯加強線后線路阻抗降低,各供電臂的末端電壓均有了一定程度的提高,平均提高0.1KV。在電力機車功率一定的情況下,末端網壓的提高會降低機車的取流,給牽引供電系統的安全運行帶來好處。

2.龍宮變電所兩端增設AT所后,使其供電臂上直供方式和AT方式的作用比有了明顯的改善,AT供電方式的效果得到了明顯的提高,改變了原來保護線電流過大、正饋線電流過小的情況,流過正饋線、保護線的電流得到了平衡,同時也改善了變壓器一次側電流的不平衡度和過負荷程度。

3.各變電所斷路器、隔離開關、電流互感器等設備增容后,提高了相應設備的供電能力,減少了原來經常發生設備局部過熱、燒損的情況,提高的供電設備的安全運行質量。 

4.補償電容增容后,提高了變電所的功率因數,所有變電所的功率因數均在0.9以上,平均在0.95左右,在地方供電部門實施功率因數獎懲措施的情況下,減少了電費支出,降低了運營成本。

五、結論

1.牽引供電系統的擴能改造必須與運量的需求相適應。在考慮增容幅度時,必須進行技術經濟比較,既要考慮運量的增長速度,又要考慮增容帶來的基本電費的支出,既要防止增容幅度過大造成的浪費,也要防止增容幅度過小造成頻繁改造。

2.朔黃鐵路牽引供電系統擴能改造分步實施的方案,綜合考慮了現有供電設備的實際運行狀況、朔黃鐵路運輸組織和運量的增長情況以及增容變壓器造成的基本電費成本增加情況,是經過充分的技術經濟比較后得出的,是經濟合理的。

3.朔黃鐵路牽引供電系統擴能改造的第一步局部改造方案,增設加強線、增設AT所、增容部分牽引變壓器容量等措施, 兼顧了運量的需求和既有設備的能力,實施后收到了較好的效果。

參考文獻:

【1】 曹建猷電氣化鐵道供電系統,中國鐵道出版社,1983.

【2】 繆耀珊.  AT牽引變電所接線方式的技術經濟分析,鐵道學報,1986,(4

【3】 李群湛賀建閩牽引供電系統分析,西南交通大學出版社,2007.

【4】 中鐵電氣化勘測設計研究院,朔黃鐵路擴能改造工程初步設計,2009.

【5】 中鐵電氣化勘測設計研究院,朔黃鐵路牽引供電方案研究,2012

 
 
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