提高山区铁路直供方式供电能力的研究

杜瑞建

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 概述

图1 典型的山区铁路纵断面缩图

随着国民经济快速发展,铁路运量迅速增长,越来越多的铁路需要经过山区。带回流线的直接供电方式具有结构简单、占用空间小,又便于运营维护,比较适合山区铁路的地形情况复杂的特点。受地形条件的限制,山区铁路一般具有线路坡度大,隧道多等特点,典型的山区铁路纵断面缩图如图1所示。与之对应的牵引特性为：上坡方向牵引负荷重,机车牵引电流大；下坡方向牵引负荷小甚至无需牵引取流。这将导致双线铁路的2个方向接触网供电能力需求差异很大,上坡方向成为制约牵引网供电能力的瓶颈。如何在较少的经济投入下改善这种情况,是需要深入研究的问题。

2 研究思路

传统的直供方式双线铁路接触网上下行仅供电臂末端并联1次,哈大线采用了全并联方式[1],在每个车站设并联点。新建山区铁路站间距大、隧道多,缺少全并联的条件,通过在供电臂中部增设并联点,来研究对比其对牵引网供电能力的影响。

3 接触网载流能力分析

(1)有效电流

接触网传输波动剧烈的牵引负荷电流而产生焦耳热,载流能力计算中负荷电流的有效值起决定作用。有效电流值相当于等效直流电流,它在周期T内如同随时间变化的电流那样,在电阻上会引起相同的发热。因此,有效电流是决定接触网载流能力的基本依据,其表达式为[2]

(1)

在列车速度恒定的情况下连续紧密追踪时,周期负荷的有效电流表达式可以等效为[3]

(2)

(2)仅末端并联时的电流分配

仅供电臂末端并联情况下,一列车在供电臂中运行时其上下行接触网上电流分配如图2所示。

图2 仅末端并联的电流分配示意

列车连续紧密追踪时,上下行总电流为每列车电流分配的叠加,即

(3)

其中,Iu为上行接触网瞬时电流；Id为下行接触网瞬时电流。

(3)中部、末端均并联的电流分配

中部、末端均并联情况下,牵引网被分为2个网孔,定义靠近牵引所的网孔为第1个网孔,另外网孔为第2个网孔。列车在供电臂中运行时,2个网孔内上下行接触网上电流分配如图3、图4所示。

图3 列车在第1网孔时的电流分配示意

图4 列车在第2网孔时的电流分配示意

连续紧密运行情况下,列车由供电臂首端驶向末端的1个周期内,若n为偶数,存在于每个网孔的列车数不变,上下行接触网的电流分别为

x∈[0,1]

(4)

若n为奇数,列车由供电臂首端驶向末端的1个周期内,靠近中部并联点的列车将经过并联点,每个网孔内列车数量将发生变化,上下行接触网的电流分别为

(5)

(6)

(4)上下行接触网电流分配比较

将x∈[0,1]的电流代入公式(2),供电臂中部是否并联时的上下行接触网的电流分配如表1所示。

表1 上下行接触网电流分配对照

由表1可以看出,供电臂中部设并联点后,上下行电流分布更为均匀,下行接触网分流能力约为38%,相比中部不并联情况下分流能力的25%提高了13%,分流作用明显。

4 接触网电压损失分析

(1)仅末端并联时的接触网电压损失

下行不取流情况下,上下行接触网在分区所并联时,由第j列车产生的接触网电压损失表达式为[4]

(7)

式中Z′——线路单位等效自阻抗；

lj——第j列车与牵引变电所的距离。

按连续紧密追踪的最严重情况考虑,追踪间隔为n,供电臂末端有车,接触网电压损失表达式为

(8)

(9)

(2)中部、末端均并联的接触网电压损失

(10)

列车在第2个网孔时的接触网电压损失分为2部分：第1部分为列车在网孔内的电压损失,其与式(10)一致,但lj为第j列车与中部并联点的距离；第2部分为列车在第1孔内引起的电压损失,即

按连续紧密追踪的最严重情况考虑,供电臂末端有车,综合考虑2个网孔的列车分布,若n为偶数时,接触网电压损失为

(11)

简化为

(12)

若n为奇数时,接触网电压损失为

(13)

简化为

(14)

(3)接触网电压损失的比较

接触悬挂为JTM-95+CTS-120,回流线为LBGLJ-185的接触网在典型结构下的计算阻抗为

cosφ=0.8时,Z′=0.303 Ω/km,

cosφ=0.97时,Z′=0.206 Ω/km,

根据以上公式,供电臂中部是否并联时的接触网电压损失对比见表2。

表2 接触网电压损失对照

由表2可以看出,供电臂内超过1列机车运行情况下,供电臂中部设并联点后,接触网电压损失较仅末端并联的情况减小约10%,从而提高了牵引网的电压水平。

5 结论

针对山区铁路长大坡度、上下行负荷不均衡的特点,考虑利用上下行牵引网导线截面同时传输功率[5],对比研究了在供电臂中部增设并联点与传统的仅末端并联情况2个方案的电流分配和接触网电压损失。通过量化计算、分析,结果表明增设并联点方案在接触网上下行电流的均衡及网压的提高方面均有改善作用,能够有效地提高直供方式牵引网的供电能力。

[1] 孙震洋.哈大线牵引供电技术特点分析[J].铁道标准设计,2004(6).

[2] KieBling, Puschmann, Schmieder.电气化铁道接触网[M].北京：中国电力出版社,2004.

[3] 楚振宇.复线电气化铁路直供牵引网载流能力的计算[J].铁道工程学报,2010(8).

[4] 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,2002.

[5] 杨振龙.串并联电容补偿调压的比较[J].电气化铁道,1997(3).