重载铁路牵引供电安全分析与控制措施柳付浩--中国期刊网

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重载铁路牵引供电安全分析与控制措施柳付浩

发表时间：2020/9/3 来源：《基层建设》2020年第11期作者：柳付浩

[导读] 摘要：铁路牵引供电系统是指从电力系统或一次供电系统接受电能，通过变压、变相或换流（将工频交流变换为低频交流或直流电压）后，向电力机车负载提供所需电流制式的电能，并完成牵引电能传输、配电等全部功能的完整系统。

        天津南环铁路电务有限责任公司天津西青区 300381
        摘要：铁路牵引供电系统是指从电力系统或一次供电系统接受电能，通过变压、变相或换流（将工频交流变换为低频交流或直流电压）后，向电力机车负载提供所需电流制式的电能，并完成牵引电能传输、配电等全部功能的完整系统。铁路牵引供电系统的性能直接影响列车牵引功率牵引传动控制系统的性能。本文对重载铁路牵引供电安全分析与控制措施进行探讨。
        关键词：重载铁路；牵引供电；故障分析
        1牵引供电系统存在的问题
        虽然重载铁路铁路已相对成熟，但是要进一步提升却存在不容忽视的问题。因此必须首先发现并解决问题，才能突破现有水平。本人从牵引供电系统出发，分析出目前主要还存在以下几个问题：
        1.1电分相问题
        电分相作为接触网的关键结构之一，对限制重载列车的速度发挥着重要的作用。重载列车正常运行速度不高，经过传统式的电分相时，速度会进一步降低，所以机车通过电分相大大降低了运输效率，且造成能源浪费。过分相除使列车掉速外，还可能造成列车停止运行，直接影响铁路的正常运行。比如当电分相处于线路坡度较大的位置时，可能引起重载列车的坡停，造成大量的能量损耗。此外，电分相处一般是接触网系统的薄弱环节，机车通过电分相时，接头处容易出现打弓，加速导线和受电弓的磨损，大大增加了发生故障的几率。
        1.2谐波问题
        传统的交直型电力机车采用半控桥式整流，是靠晶闸管来控制导通角来控制机车出力，所以在整流过程中容易产生大量3、5、7次低频段的高次谐波电流，但也会出现20次及以上的高频高次谐波电流。而高次谐波电流的产生对供电系统有很多负面影响，比如增加变压器、电动机的铜损和铁损；涌入大量电流，导致电容器过热甚至损坏电容器；产生辐射作用，对周围无线电及电子设备产生干扰；造成计量仪表的感应盘产生额外转距，引起误差，严重时甚至烧毁线圈。
        1.3负序问题
        对于理想的电力系统，由于三相对称的，负序和零序分量的数值都为零。而当出现三相不对称即负序和零序分量度有幅值时，则表明系统出现了故障。所以，当重载铁路机车牵引功率增大时，牵引电流、电压相应增大，从而引起三相电压不平衡，产生负序问题。我国对不同电机正常运行负序电流的范围进行了规定，一旦超过规定范围，便很容易出现电机及其他相关设备损坏。比如，对于同步发电机，负序电流容易在相应部分引起发热、损耗，转子过热而烧坏设备。对于异步电机，负序电压不仅会增加电机的铜耗和转子的铁耗，一般还会改变电机中原来的旋转磁场，引起电机振动、噪音，引起电机的功率因数较低，效率较低，甚至造成电机停转。
        1.4再生制动问题
        再生制动指一种运用在电动车辆上的反馈制动技术，即在电车制动时，把电车的动能进行转化和储存，形成再生制动能量。再生制动其实在电气化铁路列车的应用已经很广泛，但实现再生的同时也出现一定问题。由于列车通常是将制动转化储存的电力输回电网，即使一般的再生制动只能利用30%的动能，最终实现再生能量的循环利用。但是重载铁路列车的牵引电流很大，能存储的再生制动电能也很大，当巨大的电能输回电网，却没有电力机车吸收利用或是超级电容存储时，容易造成接触网的电压升高。
        2关键技术解决方案
        对于以上重载铁路的牵引供电系统容易的四种问题，我们必须采取具有针对性的应对措施，积极探索并实施解决方案，从而实现关键技术上的改善和创新。主要从以下四个方面入手：
        2.1电分相问题解决方案
        （1）合理设置电分相。主要指电分相的数量和位置，应当尽量满足数量少、位置合理。在进行牵引供电系统设计时，在条件允许情况下，设置较长的供电臂，以避免电分相过多造成运输效率降低，避免能源浪费。此外，应当充分考虑电分相的位置，不设置在列车的减速地段如列车进出站，因为可能使列车直接停下，损耗动能。

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        （2）设置地面自动过分相装置。地面自动过分相装置，指通过沿线的地磁传感器识别列车的位置，再控制分相内的选相断路器，最终实现列车带电过分相。这也是目前最适用于大坡道分相问题较为理想的方案。
        （3）采用同相供电技术。同相供电系统的实质是单相供电系统，即全线为电力机车提供电能的供电区间具有相同的电压，为同一相位。这种技术是直接取消了电分相的设置，也是从根本上直接解决了列车过分相掉速、停车等种种问题。
        2.2谐波问题解决方案
        （1）对于高频高次谐波问题，可以利用高次谐波滤波装置，目前常采用的是高通滤波器，将其置于牵引系统的变电所内，滤出高频高次谐波，从而避免谐波影响供电系统，减少发生谐振和系统故障的几率。
        （2）对于低频高次谐波问题，一般可以在牵引系统的变电所内设置动态无功补偿装置，不仅可以滤除低频高次谐波，还能够改善功率因数低下的问题，从而同时实现降低高次谐波对供电系统的影响且提高功率因数。
        2.3负序问题解决方案
        （1）相序轮换的方式。这是传统的解决负序问题的方法，但由于重载铁路负荷的随机性很强，即使相序轮换，也很难达到三相对称，即轮换后可能依然存在负序电流。
        （2）采用平衡能力强的变压器。即在牵引变压器选择时，将其平衡能力充分考虑进去，因为平衡变压器可以使供电臂的负荷更为接近，从而减少负序电流的产生。
        （3）采用同相供电技术。牵引供电系统如果应用同相供电技术，可以使供电臂的负荷在三相电力系统上达到对称均匀分配，从而实现有功传递，并在一定程度上有效解决重载铁路的负序电流、电压问题。
        2.4研制线索变化监测系统
        利用电阻应变效应技术监测线索受温度变化的伸缩情况。在热胀时弧垂变化的供电线索（正馈线、中锚绳）表面粘贴金属箔式应变片（即电阻应变式传感器），采集电阻变化，经交流电桥变为电压变化，并转换成数字信号。电阻应变式传感器配置相应的电源装置（太阳能板和蓄电池逆变）进行监测工作，模数转换后通过现场安装的单片机装置对数据信息进行分析报警，利用无线网络上传至供电调度监控电脑显示屏，由供电调度通知管辖供电工区现场确认和复测。按照国铁集团颁布的供电维修规程并考虑安全裕度，以此安全间距值测定电阻参数，将这个电阻参数设为安全报警门槛定值，当应变传感器测定电阻值大于此定值时，发送报警数据信息。
        2.5加强参数状态监控
        利用供电6C监测手段、以及高清摄像捕捉图片分析和远距离测温设备提前预想，按状态修的要求，针对重载通道上存在的季节性、规律性、隐蔽性的安全问题进行研判，及时制定检修方案进行排除。
        2.6加强接触网集中维修工作
        加强接触网修程的设定和缺陷等级的划分，改变以前接触网设备分散检修组织形式，实行集中规模作业模式，优化大型维修装备的配置。集中维修前，参考设备缺陷等级和关键部件状态预估工作量，利用接触网检修车列、多平台作业车等现代化检修设备，提高检修效率和检修质量、降低维修成本。
        结束语
        综上所述，目前我国重载铁路仍具有巨大发展潜力，只要积极发现问题，解决问题，我国重载铁路事业就能更上一层楼。通过分析，其主要制约点在于牵引供电系统，所以想要提升重载列车的运输能力，就必须首先探索关键技术的解决方案，从而不断改进牵引供电系统。我们可以从电分相、谐波、负序和再生制动能源四个关键问题上，对供电系统进行改进和完善，使得重载列车的动力无忧，能源无忧。
        参考文献
        [1]张平.我国高速铁路牵引供电SCADA系统的分析与探讨[J].铁道建筑技术，2010.
        [2]卢宏伟.浅谈牵引变电所综合自动化系统[J].电站设备自动，2010.