论文部分内容阅读
摘要：铁路贯通线中电缆的使用比例在大幅提高，然而由于其负载较小，加之电缆本身的电容特性，使其末端电压被抬升，可能会影响到电气设备的正常运行。在现阶段，很多补偿装置都已经通过自动化程序进行控制。但是反复的投、切电容器，调压器调档常引起设备故障。随着我国电力技术水平的的不断发展，在保证设备运行可靠的基础上将无功补偿装置纳入自动化管理，不仅能给铁路供配电系统的管理带来便利，更能对对铁路安全行车提供保障。
关键词：铁路贯通线；贯通线电压；电压；电压质量；无功补偿；调压器；并联电容器
中图分类号：F253.3 文献标识码：A 文章编号：
引言：在对电缆结构和参数进行分析的基础上，建立了PSCAD/EMTDC电缆模型，并对调压器和电缆的数学模型进行了分析。根据可能影响电缆贯通线电压的因素，在不同条件组合下对自长度为120km以内的电缆贯通线进行了理论计算和PSCAD/EMTDC仿真计算，二者结果非常接近，验证了模型的可行性。分析了电缆长度、系统阻抗、调压器阻抗、电缆参数对贯通线的电压分布影响，经仿真可知随着电缆长度、系统阻抗、调压器阻抗、电缆截面的增大，贯通线首末端的电压也随之增大。最后在系统阻抗、调压器型号一定情况下，通过对不同型号电缆的实例仿真，用最小二乘法在MATLAB平台上拟合出了较为准确的贯通线电压与电缆长度的关系公式。
铁路上的贯通线是指电力贯通线，是用来直接为铁路各车站电气集中设备及区间自闭信号点提供可靠、不间断电源的线路，用于铁路信号、通信及其他铁路综合用电的电力系统线路，一般距离铁路100米以内，它引于公共电网或公共电网以外的發电厂、变电站及输配电线路，它是铁路沿线连通两相邻变、配电所的主要对沿线铁路用电负荷供电的10KV或35KV电力线路。
在铁路电力系统的常规设计中，一般每40-60km 左右设一座10kV 配电所，有的地方受外部电源条件的制约甚至达到间隔70-80km 设置一座10kV 配电所。铁路用电负荷较小且较分散，除车站内有生产、生活负荷外，其余用电负荷均分布在铁路区间内。在实际运行中根据贯通线供电臂长短及用电负荷大小来确定供电方式。一般为单方向供电方式，即由一个配电所单一方向向下一个配电所供电。较长的供电臂对贯通线路的电压质量和供电可靠性造成不利影响。
城市配电网中的 10 kV 供电系统的网络结构一般是辐射状，线路多采用架空线与电缆混合的方式。对于不同等级的负荷采用不同线路供电，不同线路之间一般没有电气联系，线路发生故障将导致该线路上的全部负荷失去电源。铁路贯通线的网络结构同样是辐射状，干线铁路区间供电线路采用双贯通线，将架空线路沿铁路两侧架设，或者电缆沿铁路两侧隧道、桥梁、路基电缆槽敷设。铁路的电力设计中根据负荷的不同重要程度，分别采用一级负荷与综合负荷电力贯通线为不同负荷供电，其中综合负荷电力贯通线可以作为一级负荷电力贯通线的备用电源。
在目前的铁路电力设计中，常见的提高贯通线电压质量的方式有以下三种：在变配电所内设无功补偿装置的方式提，利用贯通调压器方式，及贯通线路上设置并联电容器方式。
贯通调压器：铁路配电所内贯通线馈出均设贯通调压器。调压器工作方式分为逆调压、顺调压和常调压三种方式。逆调压是指在用电高峰时升高电压，用电低谷时降低电压。顺调压是在供电线路不长且符合变动不大的情况下，用电高峰时降低电压，用电低谷时升高电压。常调压是保持电压为一个基本不变的数值的调压方式。调压器的工作原理是通过改变调压器一二次线圈匝数比来调节二次侧输出电压。设变压器一次侧电压为U1，二次侧电压为U2，调压器一二次线路匝数比为K，通过减小一二次线圈匝数比K，即可提高馈出电压U2。铁路贯通线供电臂较长，线路末端电压低，每日内用电负荷波动不大，因此贯通调压器采用常调压的方式。根据每段线路实际运行情况，设定调压器档位。这也是提供贯通线电压最直接的方式。在实际运营中，要保证贯通线路的供电质量，需要将变电所无功补偿装置与贯通调压器配合使用，以此来提高贯通线的电压质量。
变配电所内设置无功补偿装置：在变配电所内，为了保证供电电路的无功平衡，在设计时需要配置一定容量的无功补偿装置。补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等。在35kV/10kV 铁路变电所中，主要采用的无功补偿装置为并联电容器，且一般联接在变电所内10kV 母线上。在设计中，并联电容器的容量一般按照变电站主变压器容量的30%配置。变电站无功补偿的原理是利用并联电容器的投、切，改变线路无功功率的大小，调节无功功率在电抗上产生的电压降，从而达到调压的目的。
图1
如图1 所示，由于电源侧为地方公网，为不可控因素。假定高压侧为无穷大系统，即母线电压U1 恒定不变。投入并联电容器不仅提高了系统功率因数，也对提高贯通线始端电压有一定作用。在实际运行中，往往采用分组式的并联电容器，即根据贯通线实时电压情况，分组投入电容器。这使得无功补偿的调节更加灵活。
贯通线路上装设并联电容器：贯通线的负荷特性是平均负载率低，用电负荷较分散，供电臂长，线路损耗大，线路末端电压质量差。所以，也经常采用分散补偿的方式来提高线路的运行性能，降低线路损耗，提高线路电压质量。分散补偿是指把一定容量的并联电容器安装在供电距离远、负荷重、功率因数低的架空线路上。
线路设分散补偿同变电所内设置并联电容器时一样，可以对贯通线的电压质量有一定程度的提高。其不同之处在于，分散式的无功补偿装置采取就地平衡无功功率的方式，针对某一段线路或某一个点进行的补偿，尽量减少线路上无功电流。并且，当线路处于轻载状态时，应防并联电容器向系统中反送无功，所以其容量选择不宜过大，应以补偿局部电网中配电变压器的空载损耗总值为度。每条线路上安装一处为宜，最多不超过两处。
分散补偿根据电压质量和负荷变化投切，使用更加灵活。但是也因为其限制条件较多，组合方式繁复，在实际中反而较少使用。
针对铁路贯通线与城市配电网 10 kV 供电系统的不同特点，及其对铁路贯通线系统整体可靠性造成的影响，利用基于最小路的网络法对铁路贯通线的可靠性进行评估，提出铁路贯通线的设计方案的参考意见。从计算结果可以看出，虽然干线铁路贯通线与城市配电网 10 kV 供电系统的电压等级相同，但由于两个系统的不同特征，相同电压等级的铁路贯通线的可靠性要高于城市配电网的可靠性，这符合铁路贯通线供电高可靠性的客观要求。铁路贯通线的 10 kV 供电线路沿铁路线分布，因此,大部分线路位于气候、地形条件较为复杂的野外，系统可靠性受自然环境因素的影响较大。
结束语：提高铁路10kV 铁路贯通线电压质量的方式进行一次粗浅探讨，对于更多实践性问题，还有待广大电力工程师在设计中总结和创新。依据TB/T1335—1996《铁道车辆强度及试验鉴定规范》，对速度为 160 km/h 的货车摇枕进行了有限元分析，用当量应力对静强度进行了评定，在各载荷工况下，摇枕的强度均满足要求。通过有限元分析，还可以找出摇枕在主要载荷下的薄弱部位，为结构设计和优化提供理论依据。
参考文献：
[1] 傅茂海，李 芾，于 明，等. 160 km/h高速货车转向架方案及其动力学性能分析[J]. 铁道车辆，2003，41(11)：1-6.
[2] 于 明，徐世峰，谢素明，等. 160 km/h高速货车转向架的研制[J]. 铁道车辆，2006，44(7)：8-12.
[3] 于会彬，卢 静. 我国现行铁路货车铸钢摇枕、侧架标准与AAR标准的对比分析[J]. 铁道技术监测，2009，37(6)：1-4.
[4] 严隽耄. 车辆工程[M]. 北京：中国铁道出版社，2005.
[5] 杜平安. 有限元网格划分的基本原则[J]. 机械设计与制造，2000(1)：34-36.
[6] 孙建明，颜秋容. 高速铁路10 kV电力系统RAMS定量评估研究[J]. 铁道工程学报，2008，10(12)：40-44.
[7] 苏小倩，吴重民，林晓东. 配电系统可靠性的评估和分析[J]. 广东电力，2002，15(4)：22-25.
关键词：铁路贯通线；贯通线电压；电压；电压质量；无功补偿；调压器；并联电容器
中图分类号：F253.3 文献标识码：A 文章编号：
引言：在对电缆结构和参数进行分析的基础上，建立了PSCAD/EMTDC电缆模型，并对调压器和电缆的数学模型进行了分析。根据可能影响电缆贯通线电压的因素，在不同条件组合下对自长度为120km以内的电缆贯通线进行了理论计算和PSCAD/EMTDC仿真计算，二者结果非常接近，验证了模型的可行性。分析了电缆长度、系统阻抗、调压器阻抗、电缆参数对贯通线的电压分布影响，经仿真可知随着电缆长度、系统阻抗、调压器阻抗、电缆截面的增大，贯通线首末端的电压也随之增大。最后在系统阻抗、调压器型号一定情况下，通过对不同型号电缆的实例仿真，用最小二乘法在MATLAB平台上拟合出了较为准确的贯通线电压与电缆长度的关系公式。
铁路上的贯通线是指电力贯通线，是用来直接为铁路各车站电气集中设备及区间自闭信号点提供可靠、不间断电源的线路，用于铁路信号、通信及其他铁路综合用电的电力系统线路，一般距离铁路100米以内，它引于公共电网或公共电网以外的發电厂、变电站及输配电线路，它是铁路沿线连通两相邻变、配电所的主要对沿线铁路用电负荷供电的10KV或35KV电力线路。
在铁路电力系统的常规设计中，一般每40-60km 左右设一座10kV 配电所，有的地方受外部电源条件的制约甚至达到间隔70-80km 设置一座10kV 配电所。铁路用电负荷较小且较分散，除车站内有生产、生活负荷外，其余用电负荷均分布在铁路区间内。在实际运行中根据贯通线供电臂长短及用电负荷大小来确定供电方式。一般为单方向供电方式，即由一个配电所单一方向向下一个配电所供电。较长的供电臂对贯通线路的电压质量和供电可靠性造成不利影响。
城市配电网中的 10 kV 供电系统的网络结构一般是辐射状，线路多采用架空线与电缆混合的方式。对于不同等级的负荷采用不同线路供电，不同线路之间一般没有电气联系，线路发生故障将导致该线路上的全部负荷失去电源。铁路贯通线的网络结构同样是辐射状，干线铁路区间供电线路采用双贯通线，将架空线路沿铁路两侧架设，或者电缆沿铁路两侧隧道、桥梁、路基电缆槽敷设。铁路的电力设计中根据负荷的不同重要程度，分别采用一级负荷与综合负荷电力贯通线为不同负荷供电，其中综合负荷电力贯通线可以作为一级负荷电力贯通线的备用电源。
在目前的铁路电力设计中，常见的提高贯通线电压质量的方式有以下三种：在变配电所内设无功补偿装置的方式提，利用贯通调压器方式，及贯通线路上设置并联电容器方式。
贯通调压器：铁路配电所内贯通线馈出均设贯通调压器。调压器工作方式分为逆调压、顺调压和常调压三种方式。逆调压是指在用电高峰时升高电压，用电低谷时降低电压。顺调压是在供电线路不长且符合变动不大的情况下，用电高峰时降低电压，用电低谷时升高电压。常调压是保持电压为一个基本不变的数值的调压方式。调压器的工作原理是通过改变调压器一二次线圈匝数比来调节二次侧输出电压。设变压器一次侧电压为U1，二次侧电压为U2，调压器一二次线路匝数比为K，通过减小一二次线圈匝数比K，即可提高馈出电压U2。铁路贯通线供电臂较长，线路末端电压低，每日内用电负荷波动不大，因此贯通调压器采用常调压的方式。根据每段线路实际运行情况，设定调压器档位。这也是提供贯通线电压最直接的方式。在实际运营中，要保证贯通线路的供电质量，需要将变电所无功补偿装置与贯通调压器配合使用，以此来提高贯通线的电压质量。
变配电所内设置无功补偿装置：在变配电所内，为了保证供电电路的无功平衡，在设计时需要配置一定容量的无功补偿装置。补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等。在35kV/10kV 铁路变电所中，主要采用的无功补偿装置为并联电容器，且一般联接在变电所内10kV 母线上。在设计中，并联电容器的容量一般按照变电站主变压器容量的30%配置。变电站无功补偿的原理是利用并联电容器的投、切，改变线路无功功率的大小，调节无功功率在电抗上产生的电压降，从而达到调压的目的。
图1
如图1 所示，由于电源侧为地方公网，为不可控因素。假定高压侧为无穷大系统，即母线电压U1 恒定不变。投入并联电容器不仅提高了系统功率因数，也对提高贯通线始端电压有一定作用。在实际运行中，往往采用分组式的并联电容器，即根据贯通线实时电压情况，分组投入电容器。这使得无功补偿的调节更加灵活。
贯通线路上装设并联电容器：贯通线的负荷特性是平均负载率低，用电负荷较分散，供电臂长，线路损耗大，线路末端电压质量差。所以，也经常采用分散补偿的方式来提高线路的运行性能，降低线路损耗，提高线路电压质量。分散补偿是指把一定容量的并联电容器安装在供电距离远、负荷重、功率因数低的架空线路上。
线路设分散补偿同变电所内设置并联电容器时一样，可以对贯通线的电压质量有一定程度的提高。其不同之处在于，分散式的无功补偿装置采取就地平衡无功功率的方式，针对某一段线路或某一个点进行的补偿，尽量减少线路上无功电流。并且，当线路处于轻载状态时，应防并联电容器向系统中反送无功，所以其容量选择不宜过大，应以补偿局部电网中配电变压器的空载损耗总值为度。每条线路上安装一处为宜，最多不超过两处。
分散补偿根据电压质量和负荷变化投切，使用更加灵活。但是也因为其限制条件较多，组合方式繁复，在实际中反而较少使用。
针对铁路贯通线与城市配电网 10 kV 供电系统的不同特点，及其对铁路贯通线系统整体可靠性造成的影响，利用基于最小路的网络法对铁路贯通线的可靠性进行评估，提出铁路贯通线的设计方案的参考意见。从计算结果可以看出，虽然干线铁路贯通线与城市配电网 10 kV 供电系统的电压等级相同，但由于两个系统的不同特征，相同电压等级的铁路贯通线的可靠性要高于城市配电网的可靠性，这符合铁路贯通线供电高可靠性的客观要求。铁路贯通线的 10 kV 供电线路沿铁路线分布，因此,大部分线路位于气候、地形条件较为复杂的野外，系统可靠性受自然环境因素的影响较大。
结束语：提高铁路10kV 铁路贯通线电压质量的方式进行一次粗浅探讨，对于更多实践性问题，还有待广大电力工程师在设计中总结和创新。依据TB/T1335—1996《铁道车辆强度及试验鉴定规范》，对速度为 160 km/h 的货车摇枕进行了有限元分析，用当量应力对静强度进行了评定，在各载荷工况下，摇枕的强度均满足要求。通过有限元分析，还可以找出摇枕在主要载荷下的薄弱部位，为结构设计和优化提供理论依据。
参考文献：
[1] 傅茂海，李 芾，于 明，等. 160 km/h高速货车转向架方案及其动力学性能分析[J]. 铁道车辆，2003，41(11)：1-6.
[2] 于 明，徐世峰，谢素明，等. 160 km/h高速货车转向架的研制[J]. 铁道车辆，2006，44(7)：8-12.
[3] 于会彬，卢 静. 我国现行铁路货车铸钢摇枕、侧架标准与AAR标准的对比分析[J]. 铁道技术监测，2009，37(6)：1-4.
[4] 严隽耄. 车辆工程[M]. 北京：中国铁道出版社，2005.
[5] 杜平安. 有限元网格划分的基本原则[J]. 机械设计与制造，2000(1)：34-36.
[6] 孙建明，颜秋容. 高速铁路10 kV电力系统RAMS定量评估研究[J]. 铁道工程学报，2008，10(12)：40-44.
[7] 苏小倩，吴重民，林晓东. 配电系统可靠性的评估和分析[J]. 广东电力，2002，15(4)：22-25.