朔黃鐵路組合式同相供電方案研究

侯東光，解紹鋒，周 婷，徐 莘

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朔黃鐵路組合式同相供電方案研究

侯東光，解紹鋒，周 婷，徐 莘

組合式同相供電方案能解決重載鐵路中存在的負序和無功等電能質量問題并可取消牽引變電所處分相絕緣器。本文以朔黃鐵路為例，基于典型牽引變電所實測數(shù)據(jù)設計組合式同相供電方案，以變壓器溫升為依據(jù)進行方案驗證，并結合實際分析方案的經(jīng)濟性。結果表明組合式同相供電方案可提高系統(tǒng)整體經(jīng)濟效益，具有較高的應用推廣價值。

組合式同相供電；重載鐵路；電能質量；容量；溫升

0 引言

隨著重載鐵路運量的不斷提高，牽引供電系統(tǒng)中由單相牽引負荷引起的負序問題日益突出。重載鐵路上運行著較多的交-直型機車，無功問題仍然存在。同時，電分相的采用也制約著高速鐵路和重載鐵路的發(fā)展。目前，我國電氣化鐵路中主要通過變電所換相連接及采用平衡接線變壓器等方法抑制負序，通過在變電所加裝無功補償裝置提高功率因數(shù)。同相供電技術可以較好地解決牽引供電系統(tǒng)中，電能質量和電分相的問題。同相供電系統(tǒng)中相鄰兩牽引變電所電壓相位相同，可取消變電所出口處電分相。同相補償裝置對單相負荷引起的負序進行補償，并提供負荷無功功率，有功功率由牽引變壓器和同相補償裝置共同提供。目前，關于組合式同相供電已有較多研究[1～3]，并已經(jīng)進行了實際工程應用[4，11]。

本文主要介紹組合式同相供電方案原理及設備容量計算方法，結合朔黃鐵路實測數(shù)據(jù)進行方案設計；對選取的設備進行溫升仿真，討論設備容量的合理性；根據(jù)方案的一次性投入、節(jié)省運行費用及新增經(jīng)濟效益，分析組合式同相供電方案的經(jīng)濟性。

1 組合式同相供電系統(tǒng)原理

組合式同相供電系統(tǒng)以單相牽引變壓器為基礎，配以適當容量的同相補償裝置，從而達到同相供電的目的。組合式同相供電方案可分為2種，即單三相組合式同相供電（圖1）和單相組合式同相供電（圖2）。

1.1 組合式同相供電方案結構及原理

組合式同相供電變電所由單相牽引變壓器TT、同相補償裝置CPD組成，同相補償裝置CPD由高壓匹配變壓器HMT、交流電抗器L、同相補償變流器ADA和牽引匹配變壓器TMT組成。

圖1 單三相組合式同相供電方案

圖2 單相組合式同相供電方案

單三相組合式同相供電方案中，HMT采用YNd11接線，其中一相與交-直-交變流器連接，并與牽引變壓器構成平衡接線。單相組合式同相供電方案中，HMT為單相變壓器，其原邊繞組一端T0與牽引變壓器TT原邊繞組中性點相連，構成不等邊Scott接線。牽引匹配變壓器原邊與交-直-交變流器輸出端相連，次邊與牽引變壓器共同連接至牽引母線。

同相補償裝置的工作狀態(tài)可分為2種，即全時補償和需時補償。

全時補償：同相補償裝置一直處于補償狀態(tài)。當牽引負荷功率小于或等于同相補償裝置容量的2倍時，牽引變壓器和同相補償裝置分別供給牽引負荷功率的1/2，完全補償負序電流，由此引起的三相電壓不平衡度為零；當牽引負荷功率大于同相補償裝置容量的2倍時，同相補償裝置按額定容量供給，其余部分由牽引變壓器供給，此時有剩余負序電流產(chǎn)生，但由它引起的三相電壓不平衡度滿足國標要求[3]。

需時補償：同相補償裝置處于熱備用狀態(tài)。當牽引負荷功率小于負序允許值時，補償裝置輸出功率為零，負荷全部由牽引變壓器供給；當負荷功率接近負序允許值時，補償裝置開始運行，供給負荷功率與負序允許值差值的1/2，其余由牽引變壓器供給，保證三相電壓不平衡度在國標允許范圍內(nèi)[3]。

與單三相組合式同相供電方案相比，單相組合式同相供電方案使用單相變壓器代替三相高壓匹配變壓器，易于實現(xiàn)該變壓器與單相牽引變壓器共箱制造，節(jié)省變壓器占地面積。

1.2 組合式同相供電設備容量計算

文獻[3]給出了同相供電設備容量的計算方法，在單相組合式同相供電方案和單三相組合式同相供電方案中，牽引變壓器和同相補償裝置容量計算方法相同。由于2種方案中高壓匹配變壓器HMT不同，分別為單相變壓器和YNd11變壓器，其容量計算方法有所不同。

設牽引負荷功率為，通過牽引變壓器的功率為T，通過同相補償裝置的功率為C，則

=T+C（1）

由于高壓匹配變壓器與單相牽引變壓器構成平衡接線，結合組合式同相供電示意圖可知負序功率為

-=T-C（2）

若已知電壓不平衡度ε和連接點處系統(tǒng)短路容量d，則可計算出允許負序功率ε為

e=ed/ 100 （3）

組合式同相供電系統(tǒng)產(chǎn)生的負序功率應滿足國標要求，當系統(tǒng)負序功率-等于負序功率允許值ε時，需要的同相補償裝置容量最小。最終得到關系式為

根據(jù)式（4）得出同相補償裝置容量表達式為

（5）

牽引變壓器容量表達式為

（7）

上述表達式中，變壓器過負荷倍數(shù)T根據(jù)變壓器自身特性及線路運行情況而定。根據(jù)牽引變壓器計算容量和校核容量以及牽引變壓器容量等級選取變壓器的安裝容量。同相補償裝置由電力電子器件組成，通常不考慮其過負荷能力，認為其過負荷倍數(shù)為1。

高壓匹配變壓器在電路結構上與同相補償裝置串聯(lián)，具有相同的負荷過程。

單相組合式同相供電方案中高壓匹配變壓器HMT為單相變壓器，其容量為[2]

單三相組合式同相供電方案中高壓匹配變壓器HMT為YNd11變壓器，其容量為[2]

（9）

式中，t為變壓器溫升系數(shù)，通常取0.94。

2 朔黃鐵路組合式同相供電方案

朔黃鐵路位于山西省東北部及河北省中部，線路西起山西省神池縣神池南站，東至河北省黃驊市黃驊港口站，正線全長549.132 km，為雙線重載電氣化鐵路。朔黃鐵路自2000年5月18日開通，至2011年12月31日已累計運煤11.5億噸。其中，2011年實現(xiàn)運煤1.77億噸，2012年實現(xiàn)運煤1.97億噸，2013年實現(xiàn)運煤2.3億噸。隨著朔黃鐵路運量的不斷增大，采用組合式同相供電方案具有重要意義。

2.1 原始數(shù)據(jù)

選取龍宮變電所為典型牽引變電所，根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行方案設計。通過實測得到龍宮牽引變電所兩供電臂功率，將兩供電臂有功功率和無功功率分別相加，得到同相供電負荷曲線，見圖3。

根據(jù)負荷過程提取出與國標規(guī)定值（95%概率大值）對應的負荷功率d= 27.97 MV·A。

圖3 龍宮牽引變電所同相供電負荷曲線

2.2 設備容量確定

國標規(guī)定單個用戶引起的三相電壓不平衡度（95%概率大值）ε=1.3%，龍宮牽引變電所系統(tǒng)短路容量d= 882 MV·A[5]，計算得出允許負序功率值ε= 11.47 MV·A。牽引變壓器和高壓匹配變壓器過負荷倍數(shù)均為1.5，計算校核容量。同相補償裝置過負荷倍數(shù)為1。選取牽引變壓器安裝容量時，可依據(jù)《三相油浸式電力變壓器技術參數(shù)和要求》（GB/T 6451）中的容量等級。同相補償裝置容量按每組3 MV·A或5 MV·A選擇。計算結果見表1。

同相補償裝置安裝容量為9 MV·A，若高壓匹配變壓器安裝容量為6.3 MV·A（方案一），當同相補償裝置長時間輸出額定功率時，高壓匹配變壓器的過負荷現(xiàn)象比較嚴重，因此選取大一個容量等級，即8 MV·A的高壓匹配變壓器作為方案二。

表1 單相組合式同相供電方案設備容量計算結果 MV·A

2.3 方案驗證

確定了主設備容量后，將實際負荷代入到2個方案中，檢驗其可行性，并確定優(yōu)選方案。

實際供電中，變壓器允許一定程度的過負荷運行，若過負荷倍數(shù)過大或過負荷時間較長，將使變壓器內(nèi)部溫升過高，降低變壓器使用壽命，甚至損壞變壓器。國家標準規(guī)定，環(huán)境溫度為20℃，在周期性負載下，允許變壓器繞組熱點溫度限值為140℃，變壓器油熱點溫升極限為105℃[6]。根據(jù)IEC 60354標準溫升模型中變壓器各部分溫升計算公式，結合單相組合式同相供電2種補償方式下牽引負荷分配原則，對牽引變壓器和高壓匹配變壓器的溫升過程進行仿真，文獻[7]給出了具體計算方法。仿真結果見表2。

表2 變壓器繞組熱點及油熱點最大溫度對比 ℃

由表2中的仿真結果可得，全時補償狀態(tài)時，方案一中HMT繞組熱點溫度最大值超過了國標限值，且HMT油熱點最高溫度已基本達到極限值；方案二各項指標均滿足標準，且具有一定裕量；需時補償時，方案一和方案二中TT繞組熱點最大溫度基本達到了極限值，其余指標滿足國家標準。

因此，方案一只能工作在需時補償方式下，方案二在全時補償和需時補償方式下均可滿足要求。同時，考慮到方案對線路運量增長的適應性，最終選擇方案二；為提高設備容量利用率，應選擇全時補償工作方式。最終確定單相組合式同相供電牽引變壓器安裝容量16 MV·A，高壓匹配變壓器安裝容量8 MV·A，同相補償裝置安裝容量9 MV·A。

3 經(jīng)濟性分析

3.1 變電所一次性投資分析

為提高功率因數(shù)，傳統(tǒng)異相供電牽引變電所需設置并聯(lián)無功補償裝置。同時，由于變電所兩出線端電壓相位不同，還需設置地面自動過分相裝置。

以龍宮變電所為例，所內(nèi)采用固定電容補償，其兩供電臂安裝容量均為8 MV·A[5]，一次投入成本為200萬元[8]。實施同相供電方案后，功率因數(shù)可達到0.95以上，可取消所內(nèi)并聯(lián)無功補償裝置。由于同相供電方案需加裝9 MV·A的同相補償裝置，按照目前電力電子器件1.4元/(V·A)的價格計算，需另外增加成本1 260萬元。

3.2 節(jié)省運行費用分析

（1）節(jié)省基本電費。

龍宮變電所采用異相供電時，牽引變壓器安裝容量為（16+15.5）MV·A[9]。實施單相組合式同相供電方案后，牽引變壓器安裝容量為16 MV·A，高壓匹配變壓器安裝容量為8 MV·A，可節(jié)省變壓器安裝容量7.5 MV·A。按照每月25元/kV·A的基本電費計算，每年可節(jié)省基本電費225萬元。

（2）提高再生制動能量利用率。

交流電力機車在再生制動工況時會將電能回饋到牽引網(wǎng)上，可供其他處于牽引工況的機車使用，剩余部分通過牽引變壓器返回到三相電力系統(tǒng)中，但反送的電能不進行計費。在同相供電模式下，一個供電臂下的再生制動能量可轉移到另一供電臂使用，以提高機車再生制動回饋電能利用率。

分析龍宮牽引變電所實測數(shù)據(jù)，全天饋線端向電網(wǎng)反送電能較少。同相供電方案全年可節(jié)省再生制動電能104 390 kW·h，折合電費7.83萬元。

（3）取消電分相。

電力機車過電分相時斷電，惰行通過無電區(qū)，存在牽引力和速度損失。交流電力機車過電分相時逆變器會封鎖脈沖，重新出發(fā)需6 s延時。脈沖觸發(fā)后牽引力有一個上升斜率，需6 s左右的時間才可使列車克服運行阻力加速。因此，每列交流電力機車過分相時需12 s左右的額外時間[10]。

設朔黃鐵路線路中每天開行約20對大功率交-直-交型電力機車，則每天可節(jié)省運行時間4 min，可考慮將一對普通貨物列車（追蹤間隔9 min）替換為萬噸列車（追蹤間隔12 min），全年新增運量194.8萬噸[10]。朔黃鐵路全長549 km，每公里運費為0.18元/t，則全年新增運費19 250萬元。大功率交流機車額定功率12.8 MW，重載和空載分別按80%和10%的額定功率計算，單邊全程按8 h計算，每天所耗電能為12 800×(80% + 10%)×8 = 92 160 kW·h，按工業(yè)電費0.85元/kW·h計算，全年所耗電費為2 859.3萬元。因此取消一個電分相后帶來的經(jīng)濟效益為16 390.7萬元。表3、表4為龍宮變電所實施單相組合式同相供電方案一次性投入表和新增經(jīng)濟效益數(shù)據(jù)表。

由表3和表4可得，龍宮變電所實施單相組合式同相供電方案后，一次性投入增加1 060萬元，每年新增經(jīng)濟效益可達1.66億元。由此可見，取消電分相可使重載鐵路運量進一步提高，產(chǎn)生更多的經(jīng)濟效益。若朔黃鐵路牽引變電所均采用組合式同相供電方案，實現(xiàn)全線無電分相，則新增經(jīng)濟效益將更為可觀。

除此之外，取消電分相還可避免重載列車過分相時因牽引力損失引起的坡停，提高運行安全性。

表3 單相組合式同相供電龍宮變電所一次性投入萬元

表4 單相組合式同相供電方案新增經(jīng)濟效益

4 結語

綜合比較，龍宮牽引變電所實施組合式同相供電方案后，可提高牽引變壓器利用率，降低變壓器安裝容量1～2個容量等級，減少基本電費；取消所內(nèi)并聯(lián)無功補償裝置及變電所出線端的電分相，降低變電所投入；實現(xiàn)負序無功的綜合補償，改善電能質量，并提高再生能量利用率；取消電分相這一薄弱環(huán)節(jié)后不僅可節(jié)省運行時間，提高運量，還可避免列車在長大上坡過分相時坡停，提高運行安全性。

與異相供電方案相比，組合式同相供電方案更能適應重載鐵路的運輸需求，對朔黃鐵路的發(fā)展具有重大意義。

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The composite co-phase power supply scheme can solve power quality problems of negative sequence and reactive power existed in heavy haul railways and the phase break at traction substation may be cancelled. Taking Shuozhou-Huanghuagang railway as an example, with the composite co-phase power supply scheme designed on the basis of actual tested data from typical traction substations, verification of the scheme has been made relaying on the temperature-rise of transformer and economic efficiency of the scheme has been analyzed in this paper. The results show that the composite co-phase power supply scheme is able to improve the system integral economic efficiency, and is worthy for wide popularizing.

Combined co-phase power supply; heavy haul railway; power quality; capacity; temperature-rise

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.04.014

U223.5+1

B

1007-936X(2017)04-0053-05

2016-10-18

侯東光.西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生，電話：13183837367；解紹鋒.西南交通大學電氣工程學院，教授；周 婷，徐 莘.西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生。