高速铁路牵引负荷的特点

相对一般铁路，高速铁路运输质量更高、线路传送的能量密度大大增加。需明确研究机车负荷特点和对牵引供电系统的要求。

3.2.1.1　单列车功率

列车运行速度越高，空气阻力越大，空气阻力随速度呈几何级数增长。在牵引重量、线路坡度相同的情况下，运行速度越快，牵引功率和能耗大幅度提高。列车单位质量的功率需求曲线，如图3.1所示。

图3.1　典型的列车单位质量的功率需求曲线

时速200km以上的列车，典型的持续功率均在12000～18000kW，短时最大功率还可能有20％以上的过载发挥。从200km/h开始到350km/h，每吨牵引质量需要的功率将从10kW增长到20～25kW。如法国时速300～320km的TGV-M两列对接后更达18 000kW。

2003—2004年武广高铁进行方案设计时，当时国内还没有350km/h高速机车或高速动车组。根据我们开展的高速机车车辆（概念列车）参数仿真研究，得到设计需求的机车总功率为22000kW。与如今实际运用的最新型380A型的动车组总功率相当。

3.2.1.2　列车负载率和受电时间

特点：列车负载率高，受电时间长。

试验表明空气阻力与列车运行速度的平方成正比，机械阻力与速度的一次方成正比。列车运行阻力可以用下式表示。

式中：w0——列车运行基本阻力；

v——列车速度；

a、b、c——常数。

高速铁路动车组在高速运行过程中为了克服空气阻力，需要持续从接触网取得电能，因此高速铁路动车组在运行过程中持续受流时间长、取流概率大。铁四院用于武广高铁牵引供电系统设计所拟合的机车取流情况，如图3.2所示。(www.xing528.com)

图3.2　武广高铁牵引供电系统设计中的机车仿真取流情况

3.2.1.3　供电质量要求

为充分发挥高速机车优良的速度/牵引力特性，需要为机车运行提供更稳定的电压水平：正常条件下，电压水平不宜低于22.5kV，由于再生制动方式再生能量大，牵引供电系统最高持续电压不宜高于27.5kV。当时参照欧洲规范EN50163，具体要求见下表3.1。

表3.1　EN50163定义的牵引供电系统允许工作电压范围

注：①Umin1和Umin2之间的持续时间不应超过2min；②Umax1和Umax2之间的持续时间不应超过5min；③所有电线断路器打开时，变电所总线电压应不超过Umax1；④在正常情况下，电压变化范围是：Umin1～Umax1；⑤出现异常时，电压超出Umin2～Umin1的范围不应引起任何损害或故障；Umax1/Umax2：在一段不确定的时间内，Umax2每次出现之后的电压应不大于Umax1；⑥在非持续条件下（见下面两点），不能达到Umax1和Umax2之间的电压；⑦再生制动；⑧电压调整系统（如机械抽头转换开关）的开动；⑨最低运行电压：在异常情况下，Umin2是全部车辆运行时接触导线最低电压限制值。

以下是2009年铁道部最后招标采购的用于本工程的CRH3动车组功率/网压限制曲线，如图3.3，与铁四院2005年在设计武广高铁牵引供电系统时所提出的最低电压水平要求相同。

图3.3　CRH3动车组功率/网压限制曲线图

3.2.1.4　牵引负荷

与国外的某些高速铁路有所不同的是，武广高速铁路列车速度高且密度大，远期最大区段客流高达210对/日，每列车编组大，高速车牵引重量750t，16节编组。近期按4min列车间隔紧密运行，远期按3min列车间隔紧密运行，为保持牵引网电压水平的稳定，要求匹配的供电系统设备能力大，对外部电源供电能力的要求也大为提高。

（1）短时集中负荷特征明显。高速铁路具有显著的时段特征。在早、晚时段和节假日的高峰客流期，根据客流量需要，可能组织大编组、高密度运输，甚至在短时形成紧密追踪，牵引负荷集中特征明显。牵引供电系统应具有应对各种集中负荷供电的能力和条件。

（2）大容量的电能传输。为了使高铁动车组充分发挥其优良的速度/牵引力特性，并满足其高峰小时的牵引功率需求，就必须要有大容量的电能传输系统相适应。在工程上最主要的体现就是要求接触网简单、轻型，满足高速受流和大容量的电能传输要求。

（3）越区供电能力要求高。由于旅客运输能力和准点的需要，牵引供电系统应具有应对各种各样条件的供电能力。在出现某一牵引变电所解列退出供电的情况下，往往采用由两相邻牵引变电所越区进行供电。为了尽量减少越区供电对运输能力和准点的影响，应避免过多地限制列车数量或降低列车速度，以免加大两相邻牵引变电所的供电负荷。