一、概述

朔黄铁路西起山西省神池县，东至河北省黄骅港，全长594公里，是国家I级双线电气化铁路，由神华集团、铁道部、河北省共同出资建设，2000年开通投入运营，2011年煤炭运量达到1.78亿吨，预计2012年煤炭运量超过1.9亿吨。根据国家能源战略和神华集团的规划，朔黄铁路从2010年开始实施4亿吨扩能改造工程，沿线部分车站到发线有效长度改造成2800米，以适应开行二万吨列车的需要。朔黄铁路的扩能改造，对于缓解国家煤炭运输的紧张局面具有重要的战略意义。

牵引供电系统是电气化铁路的重要组成部分。朔黄铁路沿线设有15个牵引变电所，14个分区所，1个开闭所。其中2个牵引变电所是AT供电方式，其余变电所是直供加回流供电方式，接触网采用全补偿简单链型悬挂方式，导线采用铝包钢导线。在实施扩能改造的大背景下，对牵引供电系统改造方案进行优化研究，在节省投资的条件下使牵引供电能力满足运输能力的需要，是摆在我们运营管理者和设计人员面前的重要课题。

二、牵引供电系统改造的原则

1．供电能力与运输能力相匹配的原则。供电能力的大小主要由变电所的主变容量和接触网的载流能力来决定，因此，只要牵引变压器的容量和接触网的载流能力足够大，就能满足运输能力的要求。但由于运量有一个逐步增长的过程，如果变压器的容量按远期规划的运量一步增容到位，则很可能会形成“大马拉小车”的情况，基本电费支出巨大，造成运营成本的浪费。所以，变压器的增容必须有一个分步实施的过程。

2．变电所的主变容量与接触网的载流能力相匹配的原则。牵引供电系统由变电所和接触网两大部分组成，牵引供电系统的供电能力由变电所的变压器容量和接触网的载流能力来决定。如果变电所的变压器容量和接触网的载流能力不匹配，只增加变电所的变压器容量或只增加接触网的载流能力，都不能有效提高牵引供电系统的供电能力。

3．主变容量与其控制保护装置相匹配和接触网各种导线相匹配的原则。牵引变电所主要由变压器、断路器、隔离开关、互感器、二次保护装置等设备组成，主变压器的容量决定了断路器、隔离开关、和电流互感器等设备的容量，如果某项设备的容量选择不合理，过大则会造成设备的浪费，过小则有可能烧损设备。同样，接触网由接触线、承力索、供电线、回流线、正馈线等组成，如果选择不合理，也直接影响到接触网的载流能力，或造成回流不畅等问题。

三、牵引供电系统扩能改造方案优化研究

1．按运量2.2亿吨进行牵引供电系统的局部改造。

朔黄铁路从2010年扩能改造之初，运量已达到1.6亿吨，通过对设备实际运行数据的分析，我们认为只要对部分薄弱环节进行增强改造，牵引供电能力就能满足运量为2.2亿吨的要求。主要的改造项目是在朔黄全线增设接触网加强线、龙宫变电所两端增设AT所、三个变电所变压器增容、变电所补偿电容增容等。下面分别进行叙述。

（1）在全线增设接触网加强线。

在既有线的扩能改造过程中，判断接触网是否需要进行更换的依据有两个，一是接触网的容许载流能力是否满足运能的需要，二是接触网导线的机械强度是否满足安全系数的要求。从载流能力看，朔黄铁路接触网采用GLCN-250接触线和LGJ-185承力索，其持续载流能力是929安。根据各变电所馈线电流的统计数据分析（见表1），馈线最大电流已经接近或超过其容许载流能力。

表1：馈线最大电流

注：表中仅列出各所的最大馈线电流

从机械强度看，朔黄铁路是2000年开通运营的，至今刚过12年，按照铁道部《接触网运行检修规程》，接触网的大修周期是20-25年，朔黄线的接触网还没有到达大修周期。从接触网的导线磨耗测量数据分析，除个别地点因接触网调整不到位，局部形成硬点，导致磨耗偏大外，全线导线磨耗基本在允许范围内，只需进行局部加强处理，就能满足导线对机械强度的要求。如果立即将导线全部进行更换，会造成极大的浪费。

从上面的分析可以看出，既有接触网导线暂时可以不必更换，但随着运量的增长，其载流能力已显不足。基于此，我们提出增设接触网加强线的方案。增设加强线的优点有三点，一是提高了接触网的容许载流能力，暂缓了更换导线的时间，充分利用了既有导线的能力， 加强线选用LGJQ240导线，接触网并联加强线后容许载流量为1449安；二是既有接触网并联加强线后，可以降低接触网的线路阻抗，有效减少线路造成的电压降，提高供电臂的末端电压；三是朔黄铁路的牵引供电系统最终是要改造成AT供电方式的，将来改AT供电方式时加强线可以用来作为正馈线使用。所以，增设加强线有一举三得的效果。

（2）在龙宫变电所两端供电臂的中间增设AT所。既有龙宫变电所是AT所，其牵引变压器采用V/X接线方式，两端供电臂分别供至宁武西分区所和北大牛分区所，（见图一）。该供电方式是采用的2×27.5KV模式，其供电臂传输电能是直供方式和AT供电方式并联作

用的结果，越靠近变电所，直供方式作用的效果越明显，由于从变电所到分区所二十多公里的供电臂中间没有设自耦变压器，所以整个供电臂机车电流很大部分通过接触网—轨道—保护线回到变电所，而流过正馈线的电流较小。大家知道，AT供电方式的最大优点就是设有自耦变压器，机车部分电流可以通过自耦变压器的作用从正馈线流回变电所。由于既有供电臂中间没有装设自耦变压器，造成接触网（T线）、正馈线（F线）、保护线（P）电流分配不平衡，AT供电方式的优点没有得到充分的发挥。同时，由于电流不平衡的问题比较突出，也在一定程度上造成了牵引变压器一次侧电流不平衡，容量利用率低，过负荷比较严重。基于上述分析，我们提出在龙宫变电所的两端供电臂的中间增设AT所。

（3）对部分变电所的主变容量进行增容改造。在朔黄全线15个牵引变电所中，都不同程度存在着过负荷情况，表2是各变电所变压器2012年1-6月份的过负荷报警次数统计。其中龙宫、肃宁北、狼驼子三个变电所过负荷现象比较突出。龙宫变电所两端由于处于长大坡道，牵引负荷较重，机车取流较大，过负荷I段报警表现为次数多，持续时间长，最长持

表2：各变电所变压器2012年1-6月份过负荷报警次数

注：过负荷保护报警定值为1.4倍

续时间达45分钟，最严重时发生过过负荷II段动作造成跳闸的情况。根据龙宫所变压器的使用说明书，其过载能力为：1382×1IN +12×2IN+2×3IN+30×1IN +12×2IN+2×3IN，即24小时内，允许2倍负荷2次，每次12分钟，允许3倍负荷2次，每次2分钟，其他时间允许满载运行。因此目前的过负荷仍然在变压器过载承受范围内，但对变压器的使用寿命会有较大的影响。肃宁北、狼驼子变电所处于技术站，调车作业比较多，多台机车同时启动时启动电流比较大，会造成变压器短时过负荷，一般维持在十几秒至几十秒范围内，但过负荷由于次数较多，对变压器的安全运行也有一定的影响。其它变压器的过负荷次数较少，且均为短时过负荷，对变压器的影响不大。基于上述分析，改造方案对龙宫、肃宁北、狼驼子三所的变压器进行增容，以提高变电所的供电能力。其它变电所的变压器在后续改造时再进行增容。

（4）对变电所的断路器、电流互感器、隔离开关等设备进行增容改造。由于接触网增设加强线，接触网的载流能力提高，根据变电所供电能力与接触网的载流能力相匹配的原则，需要对变电所的馈线断路器、馈线隔离开关、电流互感器等设备进行相应的增容改造，同时由于部分变电所变压器的增容，也需对相应的上述设备进行改造。

（5）对变电所的补偿电容进行增容改造。目前朔黄线开行的电力机车全部为SS4型机车，功率因数较低，按2.2亿吨运量考虑，列车开行密度和万吨列车的对数相应增加，必然会使牵引负荷进一步增加。因此必须增加补偿电容的容量，以满足功率因数不小于0.9的要求。考虑到朔黄线将逐步增加大功率交流机车，机车本身的功率因数会有较大的提高，目前暂时仍采用固定补偿方式，只是在神池南变电所采用了SVC动态补偿装置。

2．按年运量3.3亿吨和4.0亿吨分步实施扩能改造设计与施工。

根据朔黄铁路的实际运营情况，目前是五千吨列车和万吨列车混跑，2012年底前进行二万吨列车试验，预计2013年将开行一定数量的二万吨列车。如果行车组织按照1万吨列车和二万吨列车间隔发车，则最大运量为3.3亿吨。考虑到煤炭运输增长的速度，目前的牵引供电能力预计将在2014年难以满足运量的要求。朔黄铁路公司已委托设计院按照年运量为3.3亿吨进行牵引供电系统的设计，将目前的直供方式改为AT供电方式，将既有的加强线改为正馈线使用，同时逐步将铝包钢导线更换为铜导线，以提高接触网的载流能力，并对所有变电所的牵引变压器进行增容改造，使牵引供电系统的供电能力满足3.3亿吨年运量的要求。 

按照朔黄铁路运量的规划目标，当朔黄铁路的上游铁路—神朔铁路和准池铁路年运量达到设计要求时，朔黄铁路的年运输能力要达到4亿吨的水平。朔黄铁路牵引供电系统将根据运量的增长速度，适时进行4亿吨的扩能改造，在朔黄铁路全线改造成AT供电方式和导线更换为铜线的基础上，对所有牵引变压器再次进行增容，在接触网上增设加强线，以进一步提高牵引供电能力，满足年运量为4亿吨的要求。

四、方案实施效果

目前，牵引供电系统按照2.2亿吨运量的扩能改造项目已基本完成施工，投入运营后收到较好的效果。

1．增设接触网加强线后，其载流能力得到了很大的提高，实际馈线电流在容许载流范围内，并且有合理的裕量。同时，由于并联加强线后线路阻抗降低，各供电臂的末端电压均有了一定程度的提高，平均提高0.1KV。在电力机车功率一定的情况下，末端网压的提高会降低机车的取流，给牵引供电系统的安全运行带来好处。

2．龙宫变电所两端增设AT所后，使其供电臂上直供方式和AT方式的作用比有了明显的改善，AT供电方式的效果得到了明显的提高，改变了原来保护线电流过大、正馈线电流过小的情况，流过正馈线、保护线的电流得到了平衡，同时也改善了变压器一次侧电流的不平衡度和过负荷程度。

3．各变电所断路器、隔离开关、电流互感器等设备增容后，提高了相应设备的供电能力，减少了原来经常发生设备局部过热、烧损的情况，提高的供电设备的安全运行质量。 

4．补偿电容增容后，提高了变电所的功率因数，所有变电所的功率因数均在0.9以上，平均在0.95左右，在地方供电部门实施功率因数奖惩措施的情况下，减少了电费支出，降低了运营成本。

五、结论

1．牵引供电系统的扩能改造必须与运量的需求相适应。在考虑增容幅度时，必须进行技术经济比较，既要考虑运量的增长速度，又要考虑增容带来的基本电费的支出，既要防止增容幅度过大造成的浪费，也要防止增容幅度过小造成频繁改造。

2．朔黄铁路牵引供电系统扩能改造分步实施的方案，综合考虑了现有供电设备的实际运行状况、朔黄铁路运输组织和运量的增长情况以及增容变压器造成的基本电费成本增加情况，是经过充分的技术经济比较后得出的，是经济合理的。

3．朔黄铁路牵引供电系统扩能改造的第一步—局部改造方案，增设加强线、增设AT所、增容部分牵引变压器容量等措施， 兼顾了运量的需求和既有设备的能力，实施后收到了较好的效果。

参考文献：

【1】 曹建猷. 电气化铁道供电系统，中国铁道出版社，1983.

【2】 缪耀珊.  AT牵引变电所接线方式的技术经济分析，铁道学报，1986，（4）

【3】 李群湛. 贺建闽. 牵引供电系统分析，西南交通大学出版社，2007.

【4】 中铁电气化勘测设计研究院，朔黄铁路扩能改造工程初步设计，2009.

【5】 中铁电气化勘测设计研究院，朔黄铁路牵引供电方案研究，2012