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【摘 要】煤炭是我国从事工业生产和经济建设的主要应用能源物资，目前，我国煤炭运输的主要形式是铁路运输，且运输模式也逐步发展。然而，在实际工作中，任有许多问题频繁出现而没有得到解决。针对铁路牵引变压器长期过负荷这一问题，进行了分析，并且提出相应的措施，充分发挥牵引变压器的过负荷能力，做到既节约资金，又保证不间断供电。
【关键词】牵引供电系统;过负荷状态;继电保护
包神铁路集团货运以煤炭运输为主，拥有包神线、塔韩、甘泉及新准等重载运输通道。近年来，由于塔韩铁路线运量逐年增加，牵引变电所主变压器过负荷现象越来越频繁，部分变电所主变压器出现过负荷保护动作告警，影响铁路正常行车组织。如何科学的制定措施，充分发挥牵引主变压器的过载能力，做到既节约投资又保证供电安全，成为急需研究解决的课题。
一、牵引供电系统的特点
电气化铁道供电需要一次供电系统和牵引供电系统共同完成。其中一次供电系统是指电力系统向电气化铁道的供电部分。在我国，电力系统通常以110 kV或者220kV的电压等级向电气化铁道供电，主要包括地方变电站或发电厂和交流高压输电线，这两部分即为电气化铁道的一次供电系统。而牵引供电系统是指完成对电力机车供电的属于铁路部门管辖的部分，它由牵引变电所、馈电线、接触网、钢轨和钢轨回流线等组成。
1、供电方式及设备种类多样化，有直接供电方式、带回流线的直接供电方式、串联吸流变压器供电方式、自耦变压器供电方式，这些供电方式的技术和经济特性有较大的差异。牵引变压器有单相、阻抗匹配平衡接线、十字交叉接线等形式，它们具有不同的结构和性能特点。由于供电方式不同，接触网结构类型也较多。
2、牵引供电系统和电力机车在电气上是一个连续的整体，易于实现自动化和信息化管理。牵引供电系统中存在的主要技术问题，包括牵引变压器供电能力的提高及增容、牵引网电压的调节、电力系统要求对谐波、负序、无功的治理等。为解决这些技术问题，在设计和运行中需要对牵引供电系统进行深入研究，例如对各种供电方式的结构、参数、性能的分析计算和优化对变压器过负荷能力及对负荷平衡能力的研究对谐波、负序、无功、电压损失、防干扰能力等进行系统地分析和综合治理研究等等。可见，对电气化铁道供电系统的基本要求可以概括如下：保证向电气化铁路安全、可靠、不间断地供电;提高供电质量，保证必需的电压水平;提高功率因数，减少电能损失，降低工程投资和运营费用;尽量减少单相牵引负荷在电力系统中引起的负序电流、负序电压和高次谐波的影响;尽量减小对邻近的通信线路的干扰影响，我国电气化铁道己运营了几十年，在实践中积累了大量的经验，但与铁路电气化发达国家相比，在技术及装备上仍有较大的差距。特别是在面临高速和重载的要求下，电气化铁道供电系统中更有许多技术难题需要解决。
二、牵引供电系统设计主要内容
牵引供电系统设计一般包括预可行性研究阶段、可行性研究阶段、初步设计阶段和施工图阶段。预可行性研究是牵引供电系统项目立项的依据，按铁路建设的长远规划，经现场勘察后编制可行性研究文件是牵引供电系统项目决策的依据，根据批准的项目建议书，采用初测资料编制，可行性研究的工程数量和投资估算要有较高精度初步设计是牵引供电系统项目建设的主要依据，根据可行性研究鉴定意见，修改、补充供电方案，补充各项计算，初步设计文件经审查、修改、批准后，作为控制建设总规模和总概算的依据，满足工程招标、设备采购、征用土地和进行施工准备的需要施工图阶段则需要解决两个问题，一是根据初步设计审批意见校核供电方案，进行各项技术指标计算，二是配合建设、运营单位与电力部门协调、落实外部电源供电方案。在设计过程中，方案比选环节是最为关键的部分，一般牵引供电方案包括牵引网供电方式、牵引变电所、开闭所、分区所分布方案、牵引变压器接线方式及容量计算、接触导线和供电线选择、牵引网电压水平及补偿措施、牵引能耗及电能损失计算、接触网的供电及运行方式、无功补偿和滤波装置设计等。为了得到推荐方案，需要根据相关专业提供的详细资料，进行电气计算，并将计算结果和其他资料进行综合技术经济性比较，征求运营单位主要是上级单位的意见，进行最后的落实工作。
三、慨况
牵引供电系统设计方案：全线采用带回流线的直接供电方式。在三个牵引变电所，并利用三个分区所工程设计如图所示。
1、一阶段：货运专线开通后的继电保护措施
在电气化工程开通后，供电设备运行状况基本良好。由于运输组织部门在货运方面不断加大運量，货运速度也有明显提高，不断提高货车牵引质量;这些提高线路运输能力的行车组织方式的变化，导致线路牵引负荷有较大增加，已经严重超越了单位批复意见中的设计条件，造成牵引供电系统继电保护经常跳闸，给正常行车带来一定影响。目前保护整定值经过多次调整已经接近设备极限能力，但是现场不断增长的牵引负荷导致保护告警的现象仍然时有发生。目前实际的条件与单位批复意见发生了变化。
将牵引变压器过负荷倍数调整为2 倍，供电专业按此值调整了牵引变压器过负荷保护定值：过负荷段电流定值：I1FH = Kk ×IeH = 2× 165.33= 330.66 A过负荷Ⅰ段时间：T1FH = 60 s过负荷Ⅱ段电流定值：I2FH = Kk×IeH = 2× 165.33= 330.66 A过负荷Ⅱ段时间：T2FH = 90s，需要注意的是主变铁心采用的是低损耗冷轧取向硅钢片，绕组采用的是同一厂家的纸包无氧铜导线绕制。为避免匝间击穿，过负荷倍数调整到2 倍后建议不要再调高。
2、二阶段：建议对牵引供电系统进行改造措施
目前实际的运行条件已经严重超过了单位批复意见，建议在适当时机对牵引供电系统进行改造设计，并采取以下改造方案。
（1）牵引变压器进行增容改造。为避免长期过负荷导致绝缘水平下降以及主变匝间击穿等严重问题，建议对牵引变压器进行增容改造，更换更大容量的变压器。 （2）牵引变压器二次侧出线导线、上网供电线、接触网导线扩能改造，在整个牵引供电系统长期严重过负荷时，牵引变压器二次侧出线导线、上网供电线、接触网导线发热会超过设计水平，为此，建议对以上设备加大导线线径并精心校核其可靠性。
（3）增设接触网加强线。可考虑在供电臂内增设接触网加强线，牵引变电所内电流互感器需要更换设备增容牵引变电所110 kV进线、主变出线、27.5 kV 馈线电流互感器需要更换大电流互以适应;一次侧电流根据实际情况校核后选取。为了更有效利用变压器过负荷能力，牵引变电所内增设主变热过负荷保护，热积累效应同时考虑电流基波和谐波分量的作用，具有变压器绕组超温告警功能，当绕组达到一定温度时发出告警信号，具备跳闸预告警功能，提前一段时间提示保护即将出口跳闸一般整定成只告警不跳闸，保护返回考虑散热过程，根据绕组温度的情况确定。
（4）主变增设牵引变压器油色谱在线监测系统。为了提前发现变压器因长时间过负荷运行等原因造成油质劣化带来的故障隐患，避免使之扩大为事故影响供电系统安全运行，主变增设牵引变压器油色谱在线监测系统。该装置为成熟产品，在电气化铁道应用较多，定期投切主备牵引变压器，使之均衡使用如可以规定主备牵引变压器每3个月投切一次。
（5）安排相应的检测检修和试验，及时处理设备缺陷比如缩短对牵引变压器的色谱跟踪和铁心绝缘摇测周期，可以规定牵引变压器色谱跟踪和铁心绝缘摇测周期，对变电所综自系统及SCADA 远动系统进行相应的接口及软件扩容改造这是必须的优化措施，以适应供电系统改造需要。
（6）在所有供变电设备及接触网改造完成后需对继电保护整定值重新进行调整，根据新的供电系统参数如新的主变短路阻抗、主变容量、馈线最大负荷电流等，对主变、馈线等保护的相关整定值重新进行校核调整，此处不再赘述。
四、采取的技术措施
1、牵引主变压器过负荷能力设定
V /V 结线的牵引主变压器典型负荷曲线如。按环境温度 30℃，绕组热点温度不超过 140℃，顶层油温不超过 105℃。过负荷能力要求 24h 内出现200% 的负荷不超过 3 个，出现的時间间隔为 4h，其他时间按 100% 的负荷运行。考虑到牵引变压器的负荷率较低，一般为 0.6，设定变压器后备保护过负荷倍数为 2.5，过负荷延时 90s。结合某高速铁路牵引供电系统的具体情况，按照牵引负荷逐步增大的顺序分三个阶段研究了牵引供电及其他系统在长期严重过负荷状态下的策略：即研究了整个牵引供电系统的各个环节提升改造的方法以及行车组织等方面的应对策略，对目前电气化铁道长期过负荷这一普遍问题进行了分析。
2、馈线保护整定值修改
按实际运行的母线最低电压及最大负荷电流进行整定
3、采取措施后的效果
牵引变电所保护整定值调整后，主变压器过负荷现象得到明显的改善，过负荷跳闸大幅度减小，线路运量较为合理，基本满足铁路运输要求，牵引变压器未发生异常现象，各项试验数据均正常。
参考文献：
[1]谭秀炳，刘向阳.电气化铁道供电系统[M]. 北京：中国铁道出版社，2015.
[2]王术合.浅谈变电所综合自动化系统监测方案论证[J]. 铁道工程学报，2016（4）.
[3]杨晓杰，邓飞雯. 电所综合自动化系统监测方案论证[J].岩石力学与工程学报，2016（4）.
[4]贺威俊，简克良.浅谈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，2015.
（作者单位：神华包神铁路公司）
【关键词】牵引供电系统;过负荷状态;继电保护
包神铁路集团货运以煤炭运输为主，拥有包神线、塔韩、甘泉及新准等重载运输通道。近年来，由于塔韩铁路线运量逐年增加，牵引变电所主变压器过负荷现象越来越频繁，部分变电所主变压器出现过负荷保护动作告警，影响铁路正常行车组织。如何科学的制定措施，充分发挥牵引主变压器的过载能力，做到既节约投资又保证供电安全，成为急需研究解决的课题。
一、牵引供电系统的特点
电气化铁道供电需要一次供电系统和牵引供电系统共同完成。其中一次供电系统是指电力系统向电气化铁道的供电部分。在我国，电力系统通常以110 kV或者220kV的电压等级向电气化铁道供电，主要包括地方变电站或发电厂和交流高压输电线，这两部分即为电气化铁道的一次供电系统。而牵引供电系统是指完成对电力机车供电的属于铁路部门管辖的部分，它由牵引变电所、馈电线、接触网、钢轨和钢轨回流线等组成。
1、供电方式及设备种类多样化，有直接供电方式、带回流线的直接供电方式、串联吸流变压器供电方式、自耦变压器供电方式，这些供电方式的技术和经济特性有较大的差异。牵引变压器有单相、阻抗匹配平衡接线、十字交叉接线等形式，它们具有不同的结构和性能特点。由于供电方式不同，接触网结构类型也较多。
2、牵引供电系统和电力机车在电气上是一个连续的整体，易于实现自动化和信息化管理。牵引供电系统中存在的主要技术问题，包括牵引变压器供电能力的提高及增容、牵引网电压的调节、电力系统要求对谐波、负序、无功的治理等。为解决这些技术问题，在设计和运行中需要对牵引供电系统进行深入研究，例如对各种供电方式的结构、参数、性能的分析计算和优化对变压器过负荷能力及对负荷平衡能力的研究对谐波、负序、无功、电压损失、防干扰能力等进行系统地分析和综合治理研究等等。可见，对电气化铁道供电系统的基本要求可以概括如下：保证向电气化铁路安全、可靠、不间断地供电;提高供电质量，保证必需的电压水平;提高功率因数，减少电能损失，降低工程投资和运营费用;尽量减少单相牵引负荷在电力系统中引起的负序电流、负序电压和高次谐波的影响;尽量减小对邻近的通信线路的干扰影响，我国电气化铁道己运营了几十年，在实践中积累了大量的经验，但与铁路电气化发达国家相比，在技术及装备上仍有较大的差距。特别是在面临高速和重载的要求下，电气化铁道供电系统中更有许多技术难题需要解决。
二、牵引供电系统设计主要内容
牵引供电系统设计一般包括预可行性研究阶段、可行性研究阶段、初步设计阶段和施工图阶段。预可行性研究是牵引供电系统项目立项的依据，按铁路建设的长远规划，经现场勘察后编制可行性研究文件是牵引供电系统项目决策的依据，根据批准的项目建议书，采用初测资料编制，可行性研究的工程数量和投资估算要有较高精度初步设计是牵引供电系统项目建设的主要依据，根据可行性研究鉴定意见，修改、补充供电方案，补充各项计算，初步设计文件经审查、修改、批准后，作为控制建设总规模和总概算的依据，满足工程招标、设备采购、征用土地和进行施工准备的需要施工图阶段则需要解决两个问题，一是根据初步设计审批意见校核供电方案，进行各项技术指标计算，二是配合建设、运营单位与电力部门协调、落实外部电源供电方案。在设计过程中，方案比选环节是最为关键的部分，一般牵引供电方案包括牵引网供电方式、牵引变电所、开闭所、分区所分布方案、牵引变压器接线方式及容量计算、接触导线和供电线选择、牵引网电压水平及补偿措施、牵引能耗及电能损失计算、接触网的供电及运行方式、无功补偿和滤波装置设计等。为了得到推荐方案，需要根据相关专业提供的详细资料，进行电气计算，并将计算结果和其他资料进行综合技术经济性比较，征求运营单位主要是上级单位的意见，进行最后的落实工作。
三、慨况
牵引供电系统设计方案：全线采用带回流线的直接供电方式。在三个牵引变电所，并利用三个分区所工程设计如图所示。
1、一阶段：货运专线开通后的继电保护措施
在电气化工程开通后，供电设备运行状况基本良好。由于运输组织部门在货运方面不断加大運量，货运速度也有明显提高，不断提高货车牵引质量;这些提高线路运输能力的行车组织方式的变化，导致线路牵引负荷有较大增加，已经严重超越了单位批复意见中的设计条件，造成牵引供电系统继电保护经常跳闸，给正常行车带来一定影响。目前保护整定值经过多次调整已经接近设备极限能力，但是现场不断增长的牵引负荷导致保护告警的现象仍然时有发生。目前实际的条件与单位批复意见发生了变化。
将牵引变压器过负荷倍数调整为2 倍，供电专业按此值调整了牵引变压器过负荷保护定值：过负荷段电流定值：I1FH = Kk ×IeH = 2× 165.33= 330.66 A过负荷Ⅰ段时间：T1FH = 60 s过负荷Ⅱ段电流定值：I2FH = Kk×IeH = 2× 165.33= 330.66 A过负荷Ⅱ段时间：T2FH = 90s，需要注意的是主变铁心采用的是低损耗冷轧取向硅钢片，绕组采用的是同一厂家的纸包无氧铜导线绕制。为避免匝间击穿，过负荷倍数调整到2 倍后建议不要再调高。
2、二阶段：建议对牵引供电系统进行改造措施
目前实际的运行条件已经严重超过了单位批复意见，建议在适当时机对牵引供电系统进行改造设计，并采取以下改造方案。
（1）牵引变压器进行增容改造。为避免长期过负荷导致绝缘水平下降以及主变匝间击穿等严重问题，建议对牵引变压器进行增容改造，更换更大容量的变压器。 （2）牵引变压器二次侧出线导线、上网供电线、接触网导线扩能改造，在整个牵引供电系统长期严重过负荷时，牵引变压器二次侧出线导线、上网供电线、接触网导线发热会超过设计水平，为此，建议对以上设备加大导线线径并精心校核其可靠性。
（3）增设接触网加强线。可考虑在供电臂内增设接触网加强线，牵引变电所内电流互感器需要更换设备增容牵引变电所110 kV进线、主变出线、27.5 kV 馈线电流互感器需要更换大电流互以适应;一次侧电流根据实际情况校核后选取。为了更有效利用变压器过负荷能力，牵引变电所内增设主变热过负荷保护，热积累效应同时考虑电流基波和谐波分量的作用，具有变压器绕组超温告警功能，当绕组达到一定温度时发出告警信号，具备跳闸预告警功能，提前一段时间提示保护即将出口跳闸一般整定成只告警不跳闸，保护返回考虑散热过程，根据绕组温度的情况确定。
（4）主变增设牵引变压器油色谱在线监测系统。为了提前发现变压器因长时间过负荷运行等原因造成油质劣化带来的故障隐患，避免使之扩大为事故影响供电系统安全运行，主变增设牵引变压器油色谱在线监测系统。该装置为成熟产品，在电气化铁道应用较多，定期投切主备牵引变压器，使之均衡使用如可以规定主备牵引变压器每3个月投切一次。
（5）安排相应的检测检修和试验，及时处理设备缺陷比如缩短对牵引变压器的色谱跟踪和铁心绝缘摇测周期，可以规定牵引变压器色谱跟踪和铁心绝缘摇测周期，对变电所综自系统及SCADA 远动系统进行相应的接口及软件扩容改造这是必须的优化措施，以适应供电系统改造需要。
（6）在所有供变电设备及接触网改造完成后需对继电保护整定值重新进行调整，根据新的供电系统参数如新的主变短路阻抗、主变容量、馈线最大负荷电流等，对主变、馈线等保护的相关整定值重新进行校核调整，此处不再赘述。
四、采取的技术措施
1、牵引主变压器过负荷能力设定
V /V 结线的牵引主变压器典型负荷曲线如。按环境温度 30℃，绕组热点温度不超过 140℃，顶层油温不超过 105℃。过负荷能力要求 24h 内出现200% 的负荷不超过 3 个，出现的時间间隔为 4h，其他时间按 100% 的负荷运行。考虑到牵引变压器的负荷率较低，一般为 0.6，设定变压器后备保护过负荷倍数为 2.5，过负荷延时 90s。结合某高速铁路牵引供电系统的具体情况，按照牵引负荷逐步增大的顺序分三个阶段研究了牵引供电及其他系统在长期严重过负荷状态下的策略：即研究了整个牵引供电系统的各个环节提升改造的方法以及行车组织等方面的应对策略，对目前电气化铁道长期过负荷这一普遍问题进行了分析。
2、馈线保护整定值修改
按实际运行的母线最低电压及最大负荷电流进行整定
3、采取措施后的效果
牵引变电所保护整定值调整后，主变压器过负荷现象得到明显的改善，过负荷跳闸大幅度减小，线路运量较为合理，基本满足铁路运输要求，牵引变压器未发生异常现象，各项试验数据均正常。
参考文献：
[1]谭秀炳，刘向阳.电气化铁道供电系统[M]. 北京：中国铁道出版社，2015.
[2]王术合.浅谈变电所综合自动化系统监测方案论证[J]. 铁道工程学报，2016（4）.
[3]杨晓杰，邓飞雯. 电所综合自动化系统监测方案论证[J].岩石力学与工程学报，2016（4）.
[4]贺威俊，简克良.浅谈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，2015.
（作者单位：神华包神铁路公司）