牵引供电设施分布方案的研究

4.1.2.1　方案设计

该阶段的供电方案设计中，首先分析了牵引网末端网压、牵引网导体载流能力、电力系统对牵引负荷的承受能力等限制牵引变电所间距的主要因素，在稳定武广高速铁路引入武汉、广州枢纽的供电方案基础上，主要研究了三个全线区间（不包括两段的枢纽）的设所比选方案（指牵引变电所）。其中，方案一采用AT供电方式的武广区间18所方案；方案二采用AT供电方式的武广区间20所方案；方案三采用带加强线的TRNF供电方式加局部AT供电方式的武广区间共设25所的方案。

三个方案详见图4.1、图4.2、图4.3所示。

通过牵引供电仿真验算，上述三个供电方案均能很好地满足350km/h速度列车供电技术要求。上述三个方案的特征和投资综合比较详见表4.1。

表4.1　各牵引供电系统方案的特征和投资综合比较表

注：投资比以方案一为基准。

三个牵引供电方案投资比较直方示意图如图4.4所示。

图4.1　AT供电方式的武广区间18所方案

图4.2　AT供电方式的武广区间20所方案

图4.3　TRNF供电+局部AT的武广区间25所的方案

图4.4　供电方案投资比较直方示意图

从表4.1和图4.4中可以看出，如果不包括外部电源投资，方案三（采用直供方式为主的方案，图4.3）的投资最少，其次为方案一，最高为方案二。需要说明的是：由于外部电源建设和改造费用将分摊计入未来的电价费中由运营单位支付，并且该外部电源投资所占总投资较大，因此在高铁建设中必须予以考虑和重视。

计入外部电源投资后，则方案一（武广区间采用AT的18所方案）的总投资最少，其次为方案三，最高仍为方案二。由于总投资较大，虽然方案一（相对方案三）只节省约3％，也达到可观的8850万元。另外，方案一的变压器总安装容量也最小，意味着将来的运营费用也相对较低。故方案一在设计寿命期内的经济性最好。

4.1.2.2　方案综合比较

从以上分析可知，三个比选方案均在点、线现状和规划的结合方面协调较好，能很好地满足本高速铁路的负荷特点对牵引供电系统提出的技术要求。

由于本线的大负荷要求，TRNF供电方式要增设较大截面的加强线，其简洁性的优点得不到体现。而AT供电方式2×27.5（55kV）的高电压输电特点得到充分发挥。同时由于牵引负荷为不对称重负荷，对电力系统的负序含量影响更大，需要采用比普通铁路常用的110kV等级更高的220kV电压供电，220kV的配套电源投资较大。为了充分利用220kV资源能力，并结合尽量减少分相的要求，应在满足紧密运行条件下将变电所供电范围尽量扩大。所以，AT的18所方案（方案一）比AT的20所方案（方案二）更经济合理。

综合以上分析，工程实施方案推荐采用AT供电方式设18座牵引变电所的方案一（部分技术指标可参见图4.1）。

上述方案一的武广区间采用AT的18所方案，加上两段的武汉和广州南枢纽变电所，武广高铁工程范围内共新建20个牵引变电所。见图4.5。

有关武汉和广州南枢纽变电所的方案说明，将以广州南为例（案例），在第5.2节介绍，此略。

图4.5　武广高铁牵引变电所推荐方案（不包含武汉和广州南枢纽变电所）

4.1.2.3　全线牵引供电系统的设计仿真与确认(www.xing528.com)

武广高速铁路牵引供电系统设计过程中每个方案都经过供电仿真验算，并对仿真结果进行统计和分析。全线方案稳定以后，对影响整个系统性能的运行时分和供电系统的供电能力进行了评估，确认满足用户需求。在施工图设计阶段以前，牵引供电仿真设计是利用Webanet软件计算的，在施工图阶段又利用Open Track & Open PowerNet软件进行仿真验算，将两种仿真结果进行对比，发现两种仿真软件的验算结果基本相当。

以下评估结论摘录自OPB的咨询报告和铁四院提供咨询的校核仿真研究结果。

1）关于武广高速铁路运行时分仿真

（1）仿真计算条件。武广高铁运行仿真的条件中机车车辆为CRH3，下部结构数据为施工图阶段各专业间提供设计数据，时刻表为铁四院行车专业对武广高铁编制的运行图。

（2）仿真过程分析。武广高铁运行时分仿真的第一步，首先需根据给出的列车和下部结构数据计算了每辆列车的速度概览图和运行时间。

本次研究给出两种情况，一种是16节编组CRH3不停站的运行情况，另一种是16节编组CRH3经停新长沙、新衡阳的运行情况。两种情况的距离（s）-速度（v）曲线如图4.6、图4.7所示。

图4.6　CRH3不停站距离（s）-速度（v）曲线

图4.7　CRH3停长沙、衡阳的距离（s）-速度（v）曲线

从图4.6中可以看出CRH3从武汉到广州不停站运行，OpenTrack模拟出的最短运行时间约为175min，与我们编制的时刻表中列车开行时间是179min规划值之间只差4min，实际的时间富余量是2.6％。

对于实际运用的运输组织方案，一般不采用计算出来的最短开行时间。考虑到外部的一些影响因素，要在最短开行时间上增加一些时间富余量。武广高铁建设的OPB咨询过程中，有咨询专家提出参照欧洲高速铁路时刻表规划中通常采用5％～7％时间富余量。若按照欧洲的惯例，CRH3从武汉到广州不停站开行的计划时间需要184min。

同样，如图4.7，模拟仿真结果显示CRH3从武汉到广州经停长沙、衡阳两站后，全程最短运行时间约为193min，与我们编制的时刻表中列车开行时间195min只差2min，实际的时间富余量是1.7％。若按照欧洲的惯例考虑5％时间富余量，CRH3从武汉到广州经停长沙、衡阳两站后开行的计划时间需要201min。

在制订列车运行图中应该重点关注模拟仿真时间比计划长的线路区段。这些区段是以后的运营规划中进行调整的关键区段，对于武广高铁来说，郴州和乐昌区段是关键区段。

（3）评估结论。仿真研究结果表明，武广高铁的运输计划（远期运行图）在原则上是可行的。如果考虑国际高速铁路运营规划普遍采用的5％的最小时间富余量，全线的运行时间就要比上述的时刻表计划的运行时间长5～8min。

2）OPB咨询方对牵引供电系统能力和系统方案的确认与评估

基于武广高铁的设计及运行图计划数据、电网仿真结果，表明电气化系统的总体设计可以满足铁路运营安全性和可靠性的要求。

TPS系统布点方案满足远期运营需要。TSS变压器的额定功率采用了75（63）MVA主变压器负荷能力，满足近期运营要求，并留有对将来较高列车功率的富余。ATS和SP变压器的额定功率满足所有的长期运营要求。

接触网OCS负荷能力是一个关键问题，通过仿真结果分析，考虑到武广高铁典型的夏季高温条件（高环境温度及太阳辐射、低风速、高负荷），接触线的热负荷就变得很关键，至少在变电所区域如此。建议今后在目前OCS设计中已有的TSS和ATS之间安装并联接触网加强线。受电弓电压情况是稳定的。在线路的局部小区段，电压可能降低到25kV的额定电压以下，但是对列车功率及行车动力没有影响。

短路水平以及轨对地电压在预计的范围内。由于武广高铁特定的综合接地方案，在运营以及短路期间的轨电位都在最大允许值以内。其中采取缩短变电所附近最大轨道电路长度的措施是合适和有效的。

仿真的列车及电网能量消耗水平完全与开通运营后实测能量消耗水平相当，这也验证了所使用仿真工具的精确性。