高速鐵路牽引變電所負(fù)荷試驗方法探討

李建儒，夏文忠

0 前言

高速鐵路（以下簡稱高鐵）高速度、大功率牽引動車組需要電網(wǎng)公司220 kV變電站為牽引變電所提供2回路高可靠電源，以確保對220 kV變電站高鐵專用饋線的控制、保護(hù)和輸電線路安全無誤。為此，在牽引變電所啟動受電時，電網(wǎng)公司要求牽引供電系統(tǒng)提供一定的負(fù)荷，用以校驗220 kV變電站高鐵專用饋線保護(hù)回路的極性和相位，即牽引變電所負(fù)荷試驗。本文將針對高鐵牽引供電的特點就牽引變電所負(fù)荷試驗的幾種主要方法與同仁探討。

1 負(fù)荷試驗方法

1.1 常速鐵路牽引變電所負(fù)荷試驗方法

目前常速鐵路牽引變電所進(jìn)線電源電壓主要為110 kV，個別地區(qū)為220 kV，開行客車和貨車主要為交-直牽引電力機(jī)車，牽引變電所低壓側(cè)設(shè)置并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置，用于提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，滿足電力系統(tǒng)功率因數(shù)不低于0.85的要求。因此，在進(jìn)行牽引變電所啟動時，變壓器5次沖擊后，并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置試驗時產(chǎn)生的容性電流足以滿足電力公司負(fù)荷試驗的要求，這里不再贅述。

1.2 高速鐵路牽引變電所負(fù)荷試驗方法

高速鐵路客運專線牽引變電所進(jìn)線電源電壓主要為220 kV，個別地區(qū)為330 kV，開行交-直-交牽引動車組，功率因數(shù)高達(dá) 0.95以上，滿足電力系統(tǒng)功率因數(shù)不低于 0.85的要求，牽引變電所低壓側(cè)不再設(shè)置并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置。

結(jié)合國內(nèi)外類似試驗，牽引變電所負(fù)荷試驗主要有4種方法：牽引變低壓側(cè)移動電容器法、牽引變環(huán)流法、電力系統(tǒng)調(diào)度負(fù)荷法和牽引負(fù)荷法。

（1）牽引變低壓側(cè)移動電容器法（簡稱移動電容器法）是借鑒常速鐵路利用并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置進(jìn)行的負(fù)荷試驗，施工單位配置1臺移動電容器和相應(yīng)的高壓電纜及連接金具，接于牽引變壓器27.5 kV側(cè)，產(chǎn)生一定的電流。該方法在類似工程中已有實踐，較為簡單，切實可行。

（2）2組牽引變壓器并聯(lián)環(huán)流法（簡稱牽引變環(huán)流法）是將牽引變電所高壓進(jìn)線分別引自同一變電站220 kV的不同母線上，牽引變電所設(shè)置2組變壓器，固定備用，可以采用將2組牽引變壓器低壓側(cè)同相并聯(lián)，解除固定備用閉鎖，同時投入，由于 2組變壓器存在電壓比誤差和短路阻抗差而產(chǎn)生一定的環(huán)流。

（3）電力系統(tǒng)調(diào)度負(fù)荷法：電力系統(tǒng)為校驗其變電站饋出線的保護(hù)，在類似工程中，多采用調(diào)度用戶負(fù)荷的方法，即把同一回線路的已有負(fù)荷或相鄰回線路已有負(fù)荷臨時調(diào)至本回線路，校驗?zāi)妇€及線路保護(hù)。該方法在變電站采用室外分散布置安裝方式時易于實現(xiàn)?，F(xiàn)今變電站普遍采用GIS組合電器、電纜進(jìn)出線方式，造成臨時倒接工作量大，實施困難。

（4）牽引負(fù)荷法是在現(xiàn)場不具備某些條件的情況下，在變電所啟動并向接觸網(wǎng)送電后，利用牽引機(jī)車進(jìn)行負(fù)荷試驗。該試驗與實際工況相同，但是因牽引機(jī)車的動態(tài)、恒定電流持續(xù)時間短的負(fù)荷特點，在送電初期，保持一定時間的持續(xù)電流用于負(fù)荷試驗不易實現(xiàn)。

2 移動電容器法負(fù)荷試驗

2.1 移動電容器的選擇

該方法的關(guān)鍵是將移動電容器接于牽引變壓器低壓出線側(cè)，因而其結(jié)構(gòu)型式、電壓等級和容量的選擇極為重要。

（1）電容器結(jié)構(gòu)型式。為便于不同變電所間移動使用，選擇集合式并聯(lián)電容器并附帶放電線圈較為可行。集合式電容器由若干個電容器單元集中在一個殼體內(nèi)，具有體積小、重量輕、外部接線簡單的特點，便于運輸和使用。

（2）電容器電壓等級的選擇。目前國內(nèi)可用于牽引供電系統(tǒng)的集合式并聯(lián)電容器主要有33.6 kV、42 kV 2種電壓等級。高鐵牽引變壓器普遍采用VX接線形式、220 kV/（2×27.5 kV）變壓器組，負(fù)荷試驗時電容器接于牽引變壓器低壓出線側(cè)T線或F線和N線之間，工作電壓為27.5 kV。根據(jù)絕緣配合原則，電容器接入電網(wǎng)后，運行中承受的長期工頻過電壓不大于額定值的1.1倍[1]，且無串聯(lián)電抗器，因此可選擇33.6 kV及以上電壓等級的集合式并聯(lián)電容器作為移動電容器。

（3）容量的選擇。高速鐵路牽引變壓器容量通常在31.5，40，50 MV·A，對應(yīng)低壓側(cè)2個繞組的容量為20，25，31.5 MV·A，阻抗電壓10.5%（標(biāo)么值）?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)不具備設(shè)計計算條件時，電容器的安裝容量可按變壓器容量的10%～30%確定[2]，負(fù)荷試驗時電容器容量范圍在3 000～5 000 kvar較為適宜，相應(yīng)的電容量在12～21 μF，因此選擇容量為4 000 kvar、電容量15 μF左右的電容器較為可行。

2.2 負(fù)荷試驗計算

為核算負(fù)荷試驗時220 kV變電站饋出線電流的大小，以220 kV變電站饋出線電流互感器變比K= 1 600/5、牽引變電所電流互感器變比K2=800/1、牽引變壓器40 MV·A，220 kV/（2×27.5 kV）和電容器電容量15 μF的主要參數(shù)為例，可按下述方法進(jìn)行相關(guān)負(fù)荷計算（中間計算時不標(biāo)出量綱）。

折算變壓器低壓側(cè)短路阻抗

電容器阻抗

由計算可知，ZC遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Zdl%，在負(fù)荷試驗簡單計算時，變壓器低壓側(cè)短路阻抗可忽略不計。

27.5 kV側(cè)一次電流I2=U/ZC= 129.53 A

220 kV側(cè)一次電流I1=I2/(n1/n2) =16.19 A

220 kV側(cè)二次電流i1=I1/K2= 20.23 mA

經(jīng)計算可知變電站負(fù)荷試驗電流滿足現(xiàn)有儀表測試范圍，可以進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)校驗。

2.3 試驗方法和接線

在二回220 kV線路經(jīng)3次沖擊，2組牽引變壓器經(jīng)5次沖擊，一二次設(shè)備運行均正常，即可按下述方法和步驟進(jìn)行負(fù)荷試驗，具體接線如圖1所示。

（1）牽引變壓器組退出運行。

（2）同組其中 1臺牽引變壓器B3低壓側(cè)加掛地線，電容器、放電線圈殼體及其二次回路地端接地。

（3）27.5 kV電纜一端連接至牽引變壓器低壓出線側(cè)T2線或F2線，另一端連接至電容器A1端，27.5 kV電纜屏蔽鎧裝層單端接地。

（4）低壓電纜一端連接至牽引變壓器低壓出線側(cè)N線，另一端連接至電容器X端。

本研究經(jīng)沈陽醫(yī)學(xué)院附屬中心醫(yī)院倫理委員會審批，設(shè)計隨機(jī)對照試驗，分為試驗組(ERAS加ECTR組)和對照組(OTCR組)。所有患者都進(jìn)行術(shù)前DASH評分[14]、肌電圖檢查及超聲剪切波彈性成像[12]?；颊咝g(shù)前的一般資料及統(tǒng)計差異見表1。

（5）檢查接線連接及接地應(yīng)正確可靠。

（6）牽引變壓器投入。

（7）變電站和牽引變電所測量高低壓側(cè)電流和二次回路電流，校核母線和線路保護(hù)。

（8）重復(fù)上述步驟，進(jìn)行同組另一臺變壓器和另一組變壓器的負(fù)荷試驗。

圖1 負(fù)荷試驗接線示意圖

3 牽引變環(huán)流法負(fù)荷試驗

該方法關(guān)鍵在于2組變壓器并聯(lián)供電時，選擇合適的電壓差、短路阻抗及環(huán)流的計算。

3.1 基本原理

2組牽引變壓器并聯(lián)運行時， 2組變壓器存在電壓比誤差和短路阻抗差產(chǎn)生一定的環(huán)流。利用這一原理，當(dāng)環(huán)流很小時，可以將其中一組變壓器的分接開關(guān)位置調(diào)低一個檔位（牽引變壓器一般每檔位調(diào)整變比為2.5%），可產(chǎn)生較大的環(huán)流，實現(xiàn)負(fù)荷試驗的目的。

3.2 試驗方法和接線

在二回220 kV線路經(jīng)3次沖擊，2組牽引變壓器經(jīng)5次沖擊，一二次設(shè)備運行均正常，即可按下述方法和步驟進(jìn)行負(fù)荷試驗，具體接線如圖2所示。

（1）牽引變壓器組退出運行，同相牽引變壓器B3、B4低壓側(cè)加掛地線。

（2）1根27.5 kV電纜連接牽引變壓器B3、B4的T2線，另1根27.5 kV電纜連接至牽引變壓器B3、B4的F2線，電纜屏蔽鎧裝層單端接地。

（3）將B3的分接開關(guān)切換至4檔，B4的分接開關(guān)切換至3檔。

（4）檢查接線連接及接地應(yīng)正確可靠。

（5）解除2臺牽引變壓器閉鎖，合閘投入。

（6）變電站和牽引變電所測量高低壓側(cè)電流和二次回路電流，校核母線和線路保護(hù)。

（7）重復(fù)上述步驟，進(jìn)行另一相變壓器的負(fù)荷試驗。

3.3 環(huán)流計算

為核算負(fù)荷試驗時220 kV變電站饋出線電流的大小，以220 kV變電站饋出線電流互感器變比K= 1 600/5、牽引變電所電流互感器變比K2=800/1、牽引變壓器 40 MV·A（25 + 25MV·A），220 kV/（2×27.5 kV）和阻抗電壓10.5%（標(biāo)么值）為例，忽略 2臺變壓器的變比誤差和短路阻抗誤差，B3分接開關(guān)4檔，B4變壓器分接開關(guān)在3檔，可按下述方法進(jìn)行相關(guān)負(fù)荷計算（中間計算時不標(biāo)出量綱）。

折算變壓器低壓側(cè)短路阻抗

低壓側(cè)電壓差

則27.5 kV一次側(cè)環(huán)流電流

220 kV側(cè)一次電流I1=I2/(n1/n2) = 13.35 A

220 kV側(cè)二次電流i1=I1/K2= 16.68 mA

220 kV變電站饋出線二次電流（不考慮線路電流）i=I1/K= 41.7 mA

值得注意的是1號系統(tǒng)電流與2號系統(tǒng)電流方向相反，變電站核對極性時要正確判斷。如果認(rèn)為電流偏小，測量不便，可以再調(diào)低變壓器一個檔位，理論上電流將增加1倍。

圖2 牽引變環(huán)流負(fù)荷試驗接線示意圖

4 結(jié)束語

通過上述對4種牽引變電所負(fù)荷試驗的闡述，可以得出以下結(jié)論：

（1）移動電容器負(fù)荷試驗法，方法簡單，關(guān)鍵在于選擇合適的電容器，該方法在類似工程已有實踐，宜于實現(xiàn)。

（2）牽引變壓器環(huán)流負(fù)荷試驗法，方法較為簡單，關(guān)鍵在于選擇合適的變壓器分接開關(guān)檔位，該方法有待于在工程中實踐。

（3）其他2種方法，由于現(xiàn)場條件所限，實施困難，但可以借鑒。

（4）進(jìn)行負(fù)荷試驗時，應(yīng)注意試驗時機(jī)和試驗前的檢查，一般應(yīng)在大線路沖擊和牽引變壓器5次沖擊后進(jìn)行，試驗前應(yīng)保證二次回路和試驗接線、接地應(yīng)正確，安全作業(yè)。另外在選擇大容量電容器或計算電流較大時，應(yīng)校核差動保護(hù)，必要時可臨時退出差動保護(hù)。

隨著高速鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，對高可靠電源的要求更加嚴(yán)格，負(fù)荷試驗已經(jīng)成為牽引變電所受電啟動的一個必試項目，應(yīng)結(jié)合實際情況，選擇合理的方法并實施，達(dá)到試驗的目的。

[1]GB50227-95 并聯(lián)電容器設(shè)計規(guī)范[S].

[2]SD-325-1989 電力系統(tǒng)電壓和無功技術(shù)導(dǎo)則[S].

[3]王月德.變壓器并聯(lián)運行的分析[J].華北電力技術(shù)，1990，（1）.