考慮負荷過載及計量精度的牽引變壓器計量用電流互感器配置

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近年來，我國電氣化鐵路技術突飛猛進，先進的高鐵技術在全國得到了大力推廣。由于高鐵速度快、機車功率大且持續(xù)受電時間長，所以牽引站供電系統(tǒng)三相負荷電流嚴重不平衡，牽引變壓器一次側電流負荷曲線陡變特性極其明顯[1-2]，而相關計量用電流互感器便需依據(jù)負荷電流的變化進行配置，以確保計量裝置的準確可靠。然而，考慮牽引站的用電穩(wěn)定和安全，現(xiàn)有互感器電流計算方式主要考慮過載情況，使得配置電流互感器額定電流遠大于實際正常負荷情況下的電流值[3]，從而嚴重影響了電流互感器的計量精度，不利于對電能的合理使用和分析。因此，須對牽引站變壓器電能計量電流互感器的配置進行優(yōu)化和改進，以提高其計量精度。

如何尋求一個綜合系數(shù)，以此來合理配置電流互感器，既符合陡變沖擊電流造成的過載情況，又滿足其額定電流達到最低精確要求，是一個亟待解決的技術難題。因此，針對單相接線和V/v接線等典型牽引變壓器，提出了一種綜合考慮過載和計量精度的牽引變壓器計量電流互感器優(yōu)化配置方案，考慮最大負荷電流陡升倍數(shù)為穩(wěn)定電流的3倍，以及牽引站變壓器負載率不低于20%，以確保實際負荷電流不低于電流互感器一次側額定電流的20%，進而引入權重因子α對最大負荷系數(shù)K進行修正，得到最大負荷修正系數(shù)，從而對電流互感器的配置進行優(yōu)化，提升電流互感器的計量精度，實現(xiàn)對牽引站電能使用的準確計量，這有助于供電公司完成電費回收，減少不必要的經(jīng)濟損失。同時，設計開發(fā)相應的優(yōu)化配置軟件，快速準確地得到計量用電流互感器的最優(yōu)配置，提高工作效率。

1 典型牽引變壓器運行負荷分析

1.1 高速鐵路典型牽引變壓器

高鐵牽引變壓器一般采用兩臺特殊變壓器，即一臺主變、一臺備用，以保證供電可靠性。其主要功能是降壓、分相并為牽引負荷供電。該特殊變壓器從接線型式上可分為純單相接線、V/v接線、Scott接線和三相YNd11接線等牽引變壓器[4]，而我國高速電氣化鐵路普遍采用純單相接線和V/v接線。

1)純單相接線

純單相接線牽引變壓器一次側繞組接于110 kV(220 kV)的三相高壓輸電線的兩線上取用線電壓。二次側繞組一端接于接觸網(wǎng)T，另一端接于鋼軌R，具有過載能力大等特點，如圖1所示。

圖1 純單相接線牽引變壓器

純單相接線牽引變壓器一次側電流為

(1)

式中：S1N為牽引變壓器額定容量；U1N為一次側額定電壓。

2)V/v接線

V/v接線型牽引變壓器又分為單相和三相，均采用兩臺相同容量或不同容量的單相變壓器，可實現(xiàn)對接觸網(wǎng)T兩邊供電，其變壓器容量利用率較高，如圖2所示。

圖2 V/v接線牽引變壓器

V/v接線牽引變壓器一次側進線電流為

(2)

式中：S1N，S2N為牽引變壓器T1，T2額定容量；U1N為一次側額定電壓。

根據(jù)余弦定理，可得出線電流為

(3)

1.2 牽引變壓器負荷變化情況

牽引站變壓器對應負荷波動性較大，當列車到達某牽引站時，負荷電流陡升，而后隨著列車通行而逐漸下降，直至平穩(wěn)，在列車完全駛離該牽引站后，負荷電流降至零。在下一趟列車行駛進該牽引站供電范圍后，負荷電流重復上述變化規(guī)律[5-6]。因此，牽引站負荷電流變化頻率與機車密度有關。我國高鐵機車密度相對較小，這導致負荷電流實際平均值并不高，變壓器負荷率較低。

以重慶地區(qū)已投運的牽引變電站為例，其2016年上半年牽引站變壓器負荷率情況如表1所示。

表1 重慶地區(qū)鐵路牽引站2016年上半年主變負荷率情況表

表1中，三相V/v接線方式的牽引站變壓器負荷率平均值約為17%；單相V/v接線方式的牽引站變壓器負荷率平均值約為13%；純單相接線方式的牽引站變壓器負荷率平均值約為15%。根據(jù)重慶地區(qū)鐵路運力實際情況可知，因為列車密度較低，所以牽引站變壓器負荷率被拉低了。

以成渝客專線璧山牽引站單車運行為例，當列車到達某牽引站時，列車時速300 km/h，其追蹤時間大于5 min，則負荷電流變化情況如圖3所示。

由圖3可見，當列車到達牽引站時，負荷電流陡升倍數(shù)約為穩(wěn)定電流的3倍左右，所以需要在牽引站電流互感器的配置中考慮沖擊電流造成的過載情況。

2 考慮計量精度的牽引站電流互感器優(yōu)化配置

2.1 牽引站常見計量用電流互感器的配置原則

測量或計量用電流互感器要求在正常工作范圍內保證規(guī)定的準確度，尤其對關口點計量的電流互感器更應準確計量[7]。為此，電流互感器的額定一次電流應盡量接近正常的電力負荷電流。

圖3 實際負荷電流與列車通過時間關系

當前，牽引變壓器計量用電流互感器的配置計算往往只考慮其沖擊電流的過載情況。依據(jù)不同接線型式下變壓器的過負荷情況，引入最大負荷系數(shù)K，基于變壓器額定電流，得到相應的變壓器一次側最大負荷電流。

1)純單相接線

對于純單相接線牽引變壓器，其最大負荷系數(shù)K=1.75，一次側最大負荷電流為[8]

(4)

2)V/v接線

分為單相V/v接線和三相V/v接線兩種形式。在額定負荷情況下，電氣量是相同的，不同點在于過負荷程度，單相V/v接線牽引變壓器最大負荷系數(shù)K=1.75，而三相V/v接線最大負荷系數(shù)K=1.5。

單相V/v接線牽引變壓器一次側最大負荷電流為[8]

(5)

三相V/v接線牽引變壓器一次側最大負荷電流為

(6)

以滿足不低于列車通過時形成的最大負荷電流為原則，配置選取電流互感器一次側額定電流。由此可見，僅考慮列車通過牽引站時引起的過載情況，可能會導致電流互感器變比配置偏大。

2.2 計量用電流互感器配置的優(yōu)化計算

根據(jù)《電能計量裝置技術管理規(guī)程》(DL/T 448—2016)規(guī)定：牽引站變壓器所配置電流互感器為0.2 s級，需滿足正常運行的實際負荷電流不低于額定值的20%[9]。

因此，引入修正因子α對最大負荷系數(shù)K進行修正，得到最大負荷修正系數(shù)K′，進而確定新的一次側最大負荷電流用于優(yōu)化計量用電流互感器的配置，以同時滿足變壓器過負荷和互感器計量精度要求。

優(yōu)化后的最大負荷電流為

純單相接線：

(7)

V/v接線：

(8)

(9)

式中：I1為歸算到變壓器一次側的實際負荷電流；I1N為變壓器一次側額定電流。

利用式(9)可得到實際負荷電流與互感器一次側額定電流的比值為

(10)

表2 不同權重因子下實際負荷電流

表3 滿足過載和精度要求的K，K′和ζ

純單相接線：

(11)

單相V/v和三相V/v接線：

(12)

由式(11)和式(12)可得電流互感器一次側額定電流，以確定互感器變比，實現(xiàn)其優(yōu)化配置，在滿足沖擊負荷電流過載要求的同時，又改善了傳統(tǒng)配置無法保證0.2 s級電流互感器計量精度要求的問題。

3 優(yōu)化配置軟件設計及應用

3.1 牽引站計量電流互感器優(yōu)化配置軟件設計

牽引站變壓器計量用電流互感器配置計算軟件開發(fā)以電流互感器配置計算公式為內核，開發(fā)出一套具有可視化輸入輸出界面的配置計算功能軟件。通過設置不同的輸入?yún)?shù)，經(jīng)軟件計算，輸出最終所需要的電流互感器配置變比值，達到操作簡便，避免人工計算差錯，實現(xiàn)計算標準統(tǒng)一、易推廣的要求。

配置計算軟件采用經(jīng)典的BS架構、client渲染UI、server處理請求和業(yè)務邏輯響應客戶端，制作一套查詢命令的動態(tài)生成規(guī)則，以FORM表單為載體，使用戶通過簡單的選擇、輸入即可完成對計量電流互感器的配置計算。服務端通過自定義協(xié)議進行加密處理，保證了軟件自身的安全性。其軟件結構設計方案如圖4所示。

圖4 軟件結構圖

用戶可在移動和PC客戶端上運行該軟件，通過網(wǎng)絡與后臺服務器進行數(shù)據(jù)交換，能方便高效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、展示、查詢和編輯等操作，以及數(shù)據(jù)存儲功能。通過計算模塊對相應數(shù)據(jù)的計算，便捷地將各種計算結果通過良好的人機交互界面展示給用戶，從而實現(xiàn)合理的牽引站計量用互感器配置設計。

3.2 配置計算軟件測試應用

以渝萬和渝利兩條高速鐵路牽引站作為軟件測試對象。其中，兩個牽引站主要數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 牽引站基本數(shù)據(jù)

以上測試結果表明，牽引站計量用電流互感器優(yōu)化配置軟件具備較好的人機交互能力，可通過簡單操作，快速得到準確的計量電流互感器所需配置情況，提升電能計量精度的同時，大大縮減了人力物力消耗，提高電力設計人員工作效率。

4 結語

本文基于高鐵牽引站實際運行情況，形成了一套牽引站變壓器計量用電流互感器優(yōu)化配置方案，并完成了相應軟件的設計開發(fā)。該方案依據(jù)變壓器負荷率與負荷電流的對應關系，引入權重因子α對最大負荷系數(shù)K進行修正，實現(xiàn)對最大負荷電流的合理計算。與傳統(tǒng)只考慮過載因素的配置相比，該方案兼顧了負荷電流過載因素和互感器計量精度的要求，滿足電流互感器安全穩(wěn)定運行的同時，提升了電能計量精度，為供電公司實現(xiàn)電費回收提供了保證。

圖5 配置計算結果

計量用電流互感器優(yōu)化配置軟件可快速準確地得到計算結果，具有友好的人機交互界面，操作簡單，適用性較強，便于推廣。

參考文獻：

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[9] 國家能源局.電能計量裝置技術管理規(guī)程：DL/T 448—2016[S].北京：中國電力出版社,2017.