匈牙利铁路项目对国内铁路枢纽牵引供电设计的启示

尚国旭，王会杰，杨振龙，董志杰

0 引言

2015年11月24日，中国政府与匈牙利政府在中东欧“16+1”会议上签署了《关于匈塞铁路项目匈牙利段开发、建设和融资合作的协议》，标志着匈塞铁路匈牙利段正式启动建设。作为中国-中东欧合作的标志性项目，匈塞铁路匈牙利段的推进将对中东欧相关国家基建发展发挥带动效应。

匈牙利铁路电力牵引的历史可以追溯到1932年的布达佩斯—科马罗姆铁路。在过去的90年中，匈牙利铁路电气化一直在进行中，技术得到不断发展。目前，匈牙利全国电气化铁路已超过2 500 km，约占其铁路总长的33%[1]。

匈塞铁路匈牙利段全面执行欧盟铁路互联互通技术规范，全面执行匈牙利国家、行业、企业技术标准和规范，牵引供电系统设计与国内类似项目相比存在较大差异。本文结合匈塞铁路匈牙利段设计经验，总结匈牙利铁路牵引供电系统技术特点，探讨国内枢纽牵引供电优化方案，为牵引供电系统设计提供参考。

1 工程概况

匈塞铁路匈牙利段全长约166 km，起自布达佩斯肖洛克莎尔站，终至匈塞两国边境，与塞尔维亚诺苏铁路相接，现状为单线电气化铁路。该线路增建二线后设计速度为160 km/h（线下预留200 km/h条件），最小曲线半径2 600 m，最大坡度5‰，电力机车/动车组牵引，轴重22.5 t，采用自动闭塞方式。

2 牵引供电系统概况

2.1 牵引供电系统构成

匈牙利电气化铁路采用单相、交流、工频（50 Hz）牵引供电系统，可直接取电自公用电网，无需专门的发电或变频设备，因此牵引供电系统的构成与国内基本一致，区别在于除电力机车外，还需满足部分轨旁固定设备（道岔融雪、车辆预冷预热装置等）的用电需求，如图1所示。

图1 匈牙利铁路牵引供电系统构成示意图

2.2 外部电源的供电方式

外部电源的供电方式是指电力系统与牵引变电所的连接方式，其取决于牵引负荷的用电等级和电力系统的分布情况[2]。匈牙利常用的输电电压等级有400、220、120 kV等，其中400 kV和220 kV输电网作为核心网络主要用于国际间传输，电气化铁路一般采用120 kV作为外部电源输入电压等级。

匈塞铁路匈牙利段外部电源供电方式如图2所示，其中Dunavarsány为新建牵引变电所，由同一变电站的不同母线接引两路独立电源供电，Szabadszállás和Kishkunhalas为既有牵引变电所，分别由不同变电站接引两路电源供电。

图2 匈塞铁路匈牙利段外部电源供电方式

2.3 牵引网的供电方式

牵引网的供电方式由牵引网完成特殊输电功能的技术要求和经济性能决定，按设备类型不同，分为1×25 kV和2×25 kV两种供电方式。匈牙利铁路1×25 kV供电方式如图3所示，其中电源线一般仅在单线电气化铁路中设置，主要为车站固定用电设备提供第2路电源，以提高供电可靠性。

图3 匈牙利铁路1×25 kV供电方式

匈牙利铁路2×25 kV供电方式如图4所示，按实现方式不同，2×25 kV系统又分为采用120/50 kV牵引变压器和120/25 kV牵引变压器两种类型。在相同的传输功率下，2倍的供电电压会导致1/4的系统损耗，因此2×25 kV供电方式允许相邻牵引变电所的间距更大。

图4 匈牙利铁路2×25 kV供电方式

匈塞铁路匈牙利段现状为单线电气化铁路，沿线牵引供电设施分布具有唯一性，因此改造后维持1×25 kV牵引网供电方式，通过增设加强线满足运量增加后的用电需求。

3 牵引供电系统的技术特点

3.1 牵引变压器运行方式

区别于国内牵引变压器一主一备的运行方式，匈牙利铁路牵引变电所内的2台牵引变压器在正常运行时分别为左右侧供电臂供电，如图5（a）所示；紧急情况下1台牵引变压器可以接管全所范围内用电负荷，如图5（b）所示。

图5 牵引变压器运行方式

3.2 馈线断路器配置原则

区别于国内每条馈线单独配置1台断路器，匈牙利铁路牵引变电所内馈线断路器采用“1带2”的运行方式。单线铁路的电源线和接触网在所内共用1台断路器，如图6（a）所示；双线铁路的上、下行接触网在所内共用1台断路器，如图6（b）所示。

图6 匈牙利铁路牵引变电所27.5 kV侧接线示意图

3.3 双线接触网并联方式

区别于国内在分区所、AT所实现上、下行接触网的并联，匈牙利电气化铁路在相邻牵引变电所间一般不设分区所，通过在每个车站设置开关场实现上、下行接触网的并联及对站场的分束供电，如图7所示。

图7 匈牙利铁路车站开关场接线示意图

综上，匈牙利电气化铁路牵引变压器在近、远端均实现了备用，可靠性更高；接触网强调供电单元划分，灵活性更强；但由于系统多处采用隔离开关替代断路器，导致在快速、精准切除故障方面略显不足。总体来讲，匈牙利铁路牵引供电系统区别于中国铁路传统模式，为国内牵引供电系统设计拓宽了思路。

4 对国内铁路枢纽供电设计的思考

4.1 “由里向外”供电优化建议

4.1.1 设计现状

目前，国内铁路枢纽牵引供电系统多采用“由里向外”供电方式[3]，即结合枢纽内大型车站正线数目多、动车所或机务段需设置独立电源线等特点，在负荷中心（枢纽大型车站）设置1座牵引变电所，向多条铁路干线供电，同时兼顾动车运用所、机务段等特殊用电设施，如图8所示。

图8 枢纽“由里向外”供电示意图

4.1.2 存在问题

铁路枢纽形成“由里向外”供电格局必然导致中心牵引变电所承担大范围、辐射状的供电任务。国内牵引变电所高压进线和牵引变压器均采用100%固定备用，一般可靠性较高，但27.5 kV开关柜采用单母线集中布置，存在停电影响范围大、越区支援能力不足、设备检修不便等问题[4]。

4.1.3 优化建议

当枢纽规划形成“由里向外”供电格局时，可考虑将牵引变电所内1组牵引变压器在正常时分列运行，紧急时互为备用，同时取消备用牵引变压器组的优化方案，如图9所示。为保证外部电源可靠性，2台牵引变压器可分别通过独立的电源线接入地方变电站，并采取换相联接方式降低对电力系统的负序影响。

考虑国内设计中一般按紧密运行校验牵引变压器安装容量[5]，优化方案会导致牵引变压器安装容量偏大，但在大宗工业用户根据实际最大需量缴纳基本电费后[6]，牵引变压器安装容量已不再制约运营成本。在建设成本方面，2台大容量牵引变压器的造价也明显低于4台小容量牵引变压器。

当枢纽内用地紧张或外电源路径受限时，也可考虑将牵引变电所一分为二，分散布置，如图10所示，此时中心牵引变电所的高压进线、变压器、高压室、控制室均实现了100%备用，可靠性最高。

4.2 “由外向里”供电优化建议

4.2.1 设计现状

当枢纽“由里向外”供电格局已基本形成，同时有新建线路引入时，为避免扩大变电所的供电范围，也可能会采用“由外向里”的枢纽供电方式，即在枢纽外新建牵引变电所供电至接轨车站，在枢纽新建分区所实现末端并联和必要时的越区供电，如图11所示。

图11 枢纽线路“由外向里”供电示意图

4.2.2 存在问题

新建线路采用“由外向里”的枢纽供电方式后，分区所邻近中心牵引变电所设置，两所之间的供电臂一般很短，不需要末端并联提高供电能力，导致分区所仅发挥50%功能，利用率不高。同时由于枢纽总图规划不稳定，若远期又有新线从图11所示的中间站接轨，在采用“由外向里”供电方式的情况下，很难满足车站不同正线的独立供电需求。

4.2.3 优化建议

当枢纽线路采用“由外向里”的供电方式时，可在图11所示的枢纽接轨站外设置1处电分相，中间站设置1座两进两出开闭所，如图12所示。开闭所电源取自中间站上、下行接触网，引出两路馈线为枢纽侧区间接触网供电，电分相上设置联络开关以实现必要时的越区供电。优化方案调整新建分区所为新建开闭所，既实现了分区所的必要功能，又提高了枢纽供电的灵活性。

图12 枢纽线路“由外向里”供电优化方案

4.3 动车所（存车场）供电优化建议

4.3.1 设计现状

由于大型枢纽车站始发终至车辆较多，一般设有动车所或存车场以满足动车组快速检修、高效运营的需求。动车所或有整备检查作业的存车场要求由两回电源供电，其中至少一回为独立电源[7]。在设计过程中，一般由牵引变电所或开闭所引出独立供电线为动车所（存车场）供电，如图13所示。

图13 动车运用所供电方案现状

4.3.2 存在问题

当动车所（存车场）由开闭所供电时，可较好地实现分束供电，但由于要求开闭所至少有1路电源取自牵引变电所，此时动车所（存车场）往往也具备由牵引变电所直接供电的条件，其在经济性方面欠佳；当动车所（存车场）由牵引变电所供电时，由于牵引变电所27.5 kV馈线场地受限且距离动车所（存车场）远，供电线投资高，一般通过2条馈线经走行线为动车所（存车场）供电，影响检修作业的灵活性，在技术性方面欠佳。

4.3.3 优化建议

当动车所（存车场）由牵引变电所供电时，可通过2台断路器经多台隔离开关实现分束供电，如图14所示。为节省供电线投资，可将2路供电线引至动车所（存车场）后再实施分束。由于故障影响范围大、故障测距不易实现等原因，断路器“1带2”运行方式在国内双线铁路鲜有应用，但若用于为动车所（存车场）供电，则属于介于两种常规方案之间的折中选择，可以兼顾技术性和经济性。

图14 牵引变电所向动车所供电优化方案

5 结论

本文结合匈塞铁路匈牙利段设计经验，总结了匈牙利电气化铁路牵引供电系统技术特点，探讨了国内枢纽牵引供电优化方案，得出以下结论：

（1）当枢纽规划采用“由里向外”供电格局时，新建中心牵引变电所可设置2台单相接线牵引变压器，正常时分列运行，紧急时互为备用，以提高枢纽供电可靠性。

（2）当引入枢纽线路采用“由外向里”供电方式时，可在枢纽中间站新建开闭所，实现末端并联的同时兼顾为其他线路供电，以提高枢纽供电灵活性。

（3）动车所（存车场）可由牵引变电所通过2台断路器经多台隔离开关实现分束供电，既节省工程投资，又可保证供电灵活性。