铁路牵引变电所主变压器增容改造的技术分析及思考

胡志洪 中国铁路上海局集团有限公司计划统计部

1 项目前期研究

1.1 徐州北牵引变电所是徐州铁路枢纽重要的行车设备

徐州北牵引变电所主要向徐州铁路枢纽地区内京沪线上下行客货车正线、陇海线上下行客货车正线、郑徐高铁的徐州至大湖联络线及徐州站、徐州北编组站、机务段开行的电力机车、高铁动车组实施牵引供电。徐州北牵引变电所设置独立馈线分别向徐州客开闭所和徐州北开闭所供电。

徐州北牵引变电所是徐州铁路枢纽牵引供电的心脏，一旦它中断供电，将中断国家的京沪、陇海两大铁路干线开行电力机车，严重影响郑徐高铁动车组的开行秩序，给国家经济和社会旅客的出行将带来不可估量的影响。徐州铁路枢纽作为集团公司的北大门，徐州北牵引变电所就是这座大门上安装的核心部件，它的安全可靠运行对全国铁路运输生产秩序将产生重大意义。

1.2 徐州北牵引变电所的运行现状

徐州北牵引变电所于2006年7月1日正式投运，单台主变压器容量为31.5 MVA（平衡变压器），高压侧额定电压为110 kV。随着社会经济的发展与技术进步，徐州铁路枢纽内客货运运量的不断增长，既有电力机车更新换代成和谐型HXD大功率交直交电力机车，铁路列车运行图中图定列车对数及其电力机车的牵引质量均较大地超过原供电容量设计。自2011年开始，徐州牵引变电所主变压器过负荷运行的报警次数越来越多，主变压器过负荷I段告警频繁发生并呈不断上升趋势。截止2015年7月31日，徐州牵引变电所主变压器过负荷I段告警共计发生326次（见表1）。另外，自2011年5月份以来，为满足完成重载货物列车的电力牵引任务，徐州铁路枢纽内开行的和谐型HXD型大功率交直交电力机车台数的不断增多，徐州枢纽地区频繁出现牵引网网压波动现象，截止2015年7月，据统计，网压波动现象共计发生891次。

表1 2011年～2016年徐州北牵引变电所主变压器过负荷统计表

1.3 徐州北牵引变电所主变压器运行存在的问题及后果

徐州北牵引变电所主变压器长期超设计负荷运行，主变压器时常伴随出现异常声音、过负荷I段告警，导致接触网供电可靠性降低，部分供电单元甚至发生接触网故障跳闸，枢纽内接触网出现大面积停电现象，无法完成枢纽内电力机车的牵引和整备作业；另外，徐州枢纽地区频繁出现牵引网网压波动，网压波动造成电力机车牵引供电单元闭锁而无法正常开行。上述徐州北牵引变电所运行存在的问题，将严重影响徐州枢纽铁路运输秩序，致使铁路运能显著降低；同时，大大提高了电力机车、动车组和牵引供电系统设备的故障率，给铁路生产带来了较大的安全隐患。

1.4 主变压器过负荷与牵引网网压波动的研究分析与初期治理

（1）研究分析。从2013年起，集团公司供电、机务、计统部共同研究、联合制定方案，先后组织铁科院、西南交通大学等院校开展了徐州铁路枢纽电压波动与抑制技术的研究、测试，对主变压器过负荷报警与牵引网网压波动现象实施针对性的测试和仿真计算等处理，逐步掌握网压波动低频振荡情况下的牵引供电系统与电力机车的电压、电流与功率分布情况，通过分析牵引网电压振荡起因，为制定治理振荡措施提供数据支持。大家对各类技术数据进行细致地分析，认为：网压异常波动现象是由于供电系统阻抗与和谐型HXD大功率交直交电力机车阻抗不匹配所引起的，减小供电系统阻抗或者增大电力机车等效阻抗均能抑制网压波动，因此，可从电力机车和牵引网阻抗两方面入手来有效抑制网压的异常波动。

（2）网压波动初期治理。一是通过增大电力机车等效阻抗为手段，该方法相对易操作，集团公司于2013年多次组织HXD2B电力机车主机厂人员到现场调试参数、升级调整机车控制系统，使得网压波动从2014年的593次下降到2015年的102次，但仍无法彻底解决该现象，说明调节电力机车控制系统的的技术参数有一定的局限性，特别是在供电系统复杂、机车型号繁杂的徐州铁路枢纽，将无法根治该类问题。二是通过减小供电系统阻抗为手段，2014年集团公司先后多次组织设备管理单位、设计院开展现场联合调查和技术测试，通过调整牵引变电所主变压器档位、合并枢纽内供电单元、投切电容补偿装置等多种措施，但治理效果并不理想。

1.5 综合分析与下一步治理方案。

上述通过增大机车等效阻抗的手段因有一定的局限性，不能彻底解决网压波动问题；而调整牵引变电所主变压器的分接开关、减小供电线阻抗等措施对降低供电牵引网回路阻抗的效果也不明显。为此，在减小牵引网等效阻抗方面，需重新考虑新的方法，通过对供电系统各类技术指标进行精密的计算机仿真计算，经过技术参数的比对分析和论证，大家认为：采取增大徐州铁路枢纽的供电系统短路容量、加大牵引变压器安装容量的方案，可显著减小变压器阻抗，将大大降低供电系统阻抗。该方案既可有效解决徐州枢纽网压波动而产生振荡的问题；又可增大主变压器的供电容量，避免主变压器实施超负荷运行，提高供电可靠性。虽然该方案的经济成本短时较高，但在技术上是具备可操作性的、实施效果是显著的。

2 项目的立项与实施

2.1 项目的审批立项与投资

徐州枢纽作为集团公司的北大门，在全年完成铁路运输生产任务的指标上有着举足轻重的作用。为确保徐州枢纽运输安全和供电可靠，及时消除行车设备安全隐患，进一步提高运输能力，经集团公司充分论证、研究项目实施的必要性后，按照技术改造项目决策程序对徐州北牵引变电所实施增容改造项目进行审批立项。项目立项后，集团公司批复项目工程投资估算为982万元，项目竣工决算为772.87万元，工程实施中投资节省209.13万元，主要原因是设备及工程费用的中标价格低于前期预算价格。

2.1 项目的实施

（1）项目主要工程量包括：牵引变电所2台既有平衡牵引变压器的供电容量由31.5 MVA增容至50 MVA，主变压器低压侧电流互感器、主变压器回流扁钢同步实施增容，接地网进行局部（同回流有关）增容、补强，更换高压室母排、支持绝缘子，更换室外高压场地软母线和引下线，更换室外端子箱和回流电缆等。

（2）项目工程于2017年3月18日开工，2017年6月20日竣工，是集团公司首个仅采用电缆过渡供电而实现枢纽牵引变电所供电设备大面积技术改造的建设项目。牵引变电所主变压器实施扩容改造后，供电容量增大了1.59倍，能满足徐州枢纽内电力机车、高铁动车组日益增长的运行负荷需求；同时，对新投运的主变压器重新测算分析供电牵引网等效阻抗，供电系统等效阻抗可直接降低20%以上，同步再降低变压器的短路电压百分数（Ud%），由现在10.54%降低到8%内，可进一步降低供电系统阻抗12%以上，由此可见，这次改造对降低牵引网等效阻抗的效果非常明显。

3 项目实施后的安全效益、经济效益

3.1 安全效益

2017年7月，上海局集团公司再次组织铁科院、西南交大学电气工程学院在徐州枢纽徐州北牵引变电所、徐州北开闭所、徐州机务段进行了牵引网低频网压波动相关电气参数的测试，但测试仪器未测到低频网压波动数据和波形。

根据徐州供电段提供的网压波动逐年监测数据，截至2020年5月30日，徐州北牵引变电所每年网压波动次数如图1所示。由图1中可知，2017年项目投入后，网压波动现象大为减少，尤其是2018和2019年网压波动次数为0。

图1 徐州北变电所网压波动统计

牵引网低频网压波动往往会影响电力机车正常牵引和整备，扰乱运输秩序，造成客、货列车晚点或无法正常行车。通过对牵引变电所主变压器增容及重新采用低阻抗变压器，提高了牵引供电系统的供电能力及对电力机车的阻抗比，有效解决了枢纽内多台HXD2B等大功率交直交电力机车静置升弓同时取流整备时引起的低频网压波动问题，避免了电力机车牵引闭锁现象的发生，保障了徐州枢纽铁路运输秩序。另外，网压波动时，电力机车司机在高温或严寒环境下无法升弓取流，无法完成机车内的降温或取暖以及风泵打风等整备工序。从运输组织及职工的工作环境上，项目投运后均具有显著的社会安全价值。

3.2 经济效益

通过对徐州北牵引变电所主变压器进行增容改造，有效抑制了牵引网低频网压波动，消除了由于网压波动造成电力机车牵引供电单元闭锁而无法正常开车的现象，保障了徐州枢纽铁路运输秩序，也减少了电力机车、牵引供电系统设备的故障率。另外，供电容量增大后可以同步提高运输能力，枢纽内可多开行客货运列车对数。项目投运后，从增加运能、减少设备故障带来生产成本上进行初步测算、分析，上述增收、节支所产生的经济效益，每年至少可达1 200万元/年。对于徐州北牵引变电所主变压器增容改造时所投资的772.87万元，不但在项目投运1年内集团公司能够收回成本，而且该项目每年还能显著产生经济效益。

4 项目投运后的思考与投资意义分析

徐州北牵引变电所主变压器增容改造项目投运若干年后，集团公司认真组织开展项目后评价追踪分析，通过对照项目可行性研究报告及审批文件的主要内容，与项目建成后所达到的实际效果进行对比分析，经研究确认，本次改造大大地补强了徐州铁路枢纽的供电能力，提高了供电设备可靠性，极大地改善了制约铁路运能发展的瓶颈指标，有效地提升了铁路运量，保障了枢纽内电力机车、高铁动车组的运行安全。

该项目不仅已完成审批立项时所取得的预定目标，而且还在完成徐州铁路枢纽运输组织生产任务及改善职工的工作环境方面带来了显著的社会安全和经济效益。总结项目在立项和实施过程，通过开展充分的前期研究和技术分析，是非常有必要的，既能快速有效解决现场生产的问题和安全隐患，又能及时收回投资成本、持续收获项目投运后的投资效益，从而证明，安排该项目的投资是科学合理的。

同时，通过及时总结该项目的立项研究、实施过程中的投资经验，既为铁路重大技改造项目的投资分析积累了宝贵财富，又有利于集团公司进一步加强和改进技术改造项目的立项管理，不断提高了技术改造投资决策管理水平。

5 结束语

针对供电系统复杂、电力机车型号繁杂的铁路枢纽，遇到发生牵引变电所过负荷报警和网压波动等故障时，实施牵引变电所主压器增容改造是一项值得分析和考虑的投资方案，对补强供电能力短板、提高运输能力、消除行车设备安全隐患具有很好的借鉴意义。同时，通过及时总结实施、运行该类设备的技术改造经验，可进一步优化相关专业类设备实施技术改造的投资立项方法，在不断完善投资决策水平方面有很好的参考价值。