摘要：本文从高速电气化铁路负荷特性入手，通过对牵引变电所实测负荷数据进行相关计算，分析了当前高速铁路运行的现状及存在的问题，并提出采用灵活的牵引供电系统运行方式，以期能够使牵引供电系统在幵通早期具有较高的经济性，同时又能满足远期运量的要求。
关键词：高速铁路；全并联供电；供电方式优化；经济运行；指标校验
引言
由于高速铁路（含客运专线）的牵引负荷为型动车组，机车功率大、速度快、高峰时段行车密度大，故高速铁路需要大容量的牵引变电所以及有效的供电方式。目前我国已建和在建的高速铁路牵引供电系统普遍釆用大容量牵引变电所与牵引供电方式，可靠性高，带负载能力强[1]。对线路的供电能力设计是考虑到远期的大运量而设计的，而在高速电气化铁路早期运行时，运量普遍较小，发车密度较低，牵引变电所的实际负荷小于其设计供电能力，致使设备容量过剩，影响系统运行的经济性。因而，对现有牵引供电系统进行研究，寻找到一种既与当前负荷水平相匹配，又能实现高速铁路经济优化运行目的的方案就显得十分必要[2]。
1 当前电气化铁路牵引供电容量现状
若线路按照近期运行能力设计，则对于中远期的运输需求难以适应，可能在很短时间内出现运量需求大于运能的问题，进而导致扩能改造或者修建高速新双线。随着我国经济的发展，客货运输需求量迅猛增长、运能趋于饱和，为满足市场运输需求，既有线路的扩能改造会导致投资明显增加，改造费用很大[3]。例如京沪高速铁路，目前采用大容量牵引变压器和供电方式，近期实际牵引负荷水平远低于设计水平，每年仅基本电费就有巨额支出，降低了系统运行的经济性。
针对不同时期的运输需求，选择在经济和技术上都能满足当前运输需求的最优的牵引供电系统运行方式尤为重要。目前已开通的高速铁路在运行初期普遍运量较小，远未达到设计的发车密度，牵引供电系统供电能力得不到充分利用，造成了牵引供电资源闲置和巨额运行费用支出问题。
2 高速电气化铁路牵引负荷特性
电气化铁路牵引负荷特性与机车类型、线路条件和运行组织等紧密相关。高速电气化铁路的牵引负载为交直交传动电动车组，谐波含量低，功率因数高，普遍采用再生制动。高速牵引负荷的特点有其自身的特殊性。机车功率大、可靠性要求高。高速铁路牵引机车功率要比普速电气化铁路有所增大，以利于列车高速、大编组运行。
例如，在京津城际铁路、武广高速铁路客运专线、郑西高速铁路客运专线均有采用的辆编组、型高速动车组，总牵引功率可达京沪高铁和沪杭高铁主要使用系列动车组，其中与分别为辆编组、辆编组，牵引功率分别达到、。系列动车组中的辆编组牵引功率更是高达。再者，高速铁路一般要实现追踪间隔的行车密度，因此牵引变电所的负荷也相当大，对供电可靠性及供电质量的要求高。
在一个供电区间内，电力机车受线路状况以及自然条件等因素的影响较小，为保持列车高速、平稳的运行，需要从接触线持续、稳定受流，所以列车运行带电概率高，不停车运行的机车带电概率一般大于0.9。在早、晚时段或节假的高峰客流时段，根据客流量需要，可能组织大编组、高密度运输，甚至在短时形成紧密追踪。因此，高速铁路负荷具有显著的时段特性，牵引负荷集中特性明显。
3 京沪高速铁路牵引供电容量计算
目前己幵通的高速铁路在运行初期普遍运量较小，远未达到设计的发车密度，牵引供电系统供电能力得不到充分利用，造成了牵引供电资源过剩和巨额运行费用（如变压器容量电费）支出问题。对京沪高速铁路江苏省属上海铁路局管辖范围内的牵引变电所负荷进行了测试和分析。取用个牵引变电所的测试数据进行相关分析。牵引供电系统示意图见图1。
图1 高速铁路牵引供电系统示意图
根据实测牵引负荷值，易得该牵引变电所次边的负荷容量全日平均值Sav,从而可得到主变压器的日平均容量利用率µ=Sav/SN.经计算得，牵引变电所1主变压器的日平均容量利用率15.71%。同样地，经分析计算可以得到另外两个牵引变电所的情况，3个牵引变电所主变压器的空载运行概率、日平均容量利用率和T绕组全天平均负载率。
由实测负荷曲线以及分析结果可知，牵引负荷幅值变化频繁，其大幅度剧烈波动，使得主变压器在大负荷工况时出现短时绕组负载率较高现象，但是绕组的全天平均负载率低下；各主变压器的容量并未得到充分利用，平均容量利用率仅在左右。总而言之，该线路各牵引变压器当前的实际牵引负荷水平较低，造成供电设备容量闲置，不利于牵引供电经济运行，故需要对该线当前的牵引供电系统运行方式进行优化，提高牵引变压器绕组利用率以及系统运行的经济性。
4 电气化铁路牵引供电容量优化方案
针对高速铁路牵引供电系统当前存在的问题，提出采用灵活的牵引供电系统运行方式，以期能够使牵引供电系统在开通早期具有较高的经济性，同时又能满足远期运量的要求，并通过实测数据进行相关计算，对优化方案下的供电技术指标进行校验。
停运部分变电所，由其相邻的变电所来供电，减少运行的变电所数目和电分相（分区所处）数目，提高供电设备利用率。改接线为纯单相接线，减少电分相（牵引变电所出口处）数目以及投入运行的单相变压器数量，节省供电设备容量。本文通过选取的3个牵引变电所计算时，即停运牵引变电所1和牵引变电所3，如图所示：
图2 优化方案一示意图
5 结论
在参考了大量文献的基础上，对高速铁路牵引供电系统的基本情况进行了详细的归纳总结，着重阐述了高速铁路普遍采用的纯单相、接线牵引变压器以及带回流线的直接供电方式、供电方式的工作原理，并介绍了京沪高速铁路牵引供电系统的相关情况。此外，从分析高速铁路牵引负荷特点入手，通过对牵引变电所实测牵引负荷数据进行相关计算，指出当前高速铁路运行的现状及存在的问题，并提出优化运行方案。
参考文献
[1]马庆安,董昭德,郭凯. 电气化铁路牵引网短路电流计算[A]. 中国铁道学会自动化委员会.中国铁道学会电气化委员会2017年年会及新技术研讨会论文集[C].中国铁道学会自动化委员会:中国铁道学会,2017:5.
[2]国内首部《电气化铁道暨轨道交通供电系统安装工艺技术》全册出版发行[A]. 《今日轨道交通》抢鲜版2017年01月[C].:国铁科创新轨道交通科技股份有限公司,2017:1.
[3]沈文韬. 单三相组合式同相供电试验与改造方案研究[D].西南交通大学,2016.
论文作者:马国祥
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/26
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