單相牽引變壓器在單線電氣化鐵路的應(yīng)用分析

楊 璠，劉 星

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)煤炭資源的需求與日俱增，在煤運(yùn)通道建設(shè)的同時(shí)，許多運(yùn)煤專用線鐵路也在積極籌建。專用線鐵路一般運(yùn)量較小，均為單線鐵路，為便于與國(guó)鐵大通道銜接，也采用電力機(jī)車牽引，機(jī)車類型與干線機(jī)車類型一致。對(duì)于運(yùn)煤專線，可選用的牽引變壓器有單相牽引變壓器、三相V/v接線牽引變壓器、平衡型牽引變壓器和三相 Ynd11牽引變壓器等。

牽引變壓器類型的選擇應(yīng)綜合考慮電力系統(tǒng)容量、牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)序影響、安裝容量與基本電價(jià)和容量利用率等因素。

三相Ynd11牽引變壓器由于容量利用率太低，新建鐵路已經(jīng)基本不采用；平衡型牽引變壓器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容量利用率不如單相和三相V/v接線牽引變壓器，一次性投資較大，一般情況下鐵路部門不推薦采用；三相V/v接線牽引變壓器可以根據(jù)2條供電臂的負(fù)荷分別選取容量，容量利用率較高，目前在新建鐵路項(xiàng)目上得到了較為廣泛的應(yīng)用，也得到電力部門認(rèn)可。

單相牽引變壓器容量利用率最高，對(duì)于單線鐵路而言，可顯著降低安裝容量，減少基本電費(fèi)的支出，但電力部門卻認(rèn)為單相變壓器的負(fù)序影響較大，而不同意采用。

因此，本文著重針對(duì)三相V/v牽引變壓器、單相變壓器各種運(yùn)行工況下的負(fù)序影響進(jìn)行分析，得出負(fù)序影響隨線路負(fù)荷情況變化的曲線。

1 三相V/v牽引變壓器對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)序影響

（1）牽引負(fù)荷經(jīng)三相V/v接線變壓器流入電力系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 牽引負(fù)荷經(jīng)V/v接線變壓器流入電力系統(tǒng)示意圖

根據(jù)圖1，考慮零序電流為零，可得

式中，K為變壓器高低壓側(cè)的變比。

定義2條供電臂負(fù)荷的功率因數(shù)角分別為φα、φβ，以變壓器原邊的AU˙為參考相量，則

則變壓器原邊正序電流為

變壓器原邊負(fù)序電流為

取有效值，則正、負(fù)序電流分別為

定義電流不平衡度ε = I-/ I+，2條供電臂電流之比 m = Iβ/ Iα，Iα為重負(fù)荷臂。

可得

令牽引側(cè)2條供電臂負(fù)荷功率因數(shù)角相等，可得

可得正、負(fù)序電流的簡(jiǎn)化表達(dá)式為

2 單相牽引變壓器對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)序影響

牽引負(fù)荷經(jīng)單相接線變壓器流入電力系統(tǒng)示意如圖2所示。

圖2 牽引負(fù)荷經(jīng)單相接線變壓器流入電力系統(tǒng)示意圖

根據(jù)圖2，并考慮零序電流為零，可得

式中，Iα= I′ + I″，同樣令正序電流為 I+，負(fù)序電流為I-，則

定義牽引負(fù)荷的功率因數(shù)角為φα，以變壓器原邊的為參考相量，則

則正、負(fù)序電流分別為

取有效值，則

電流不平衡度ε = I-/ I+=1

令 2 條供電臂電流比值，m = I″ / I′，I′為重負(fù)荷臂，根據(jù) Iα= I′ + I″，可得單相變壓器正、負(fù)序電流為

3 牽引變壓器電流不平衡度及負(fù)序電流曲線

根據(jù)上文分析，得出單相、三相V/v 2種接線牽引變壓器電流不平衡度及負(fù)序電流曲線，見圖3，圖4，其中，設(shè)I為其中一供電臂負(fù)載電流。

（1）電流不平衡度分析。對(duì)于V/v接線，牽引工況時(shí)，電流不平衡度最小值為 0.5，最大值為1；再生工況時(shí)，電流不平衡度最小值為 1，最大值為正無窮。對(duì)于單相接線，可以看出，無論何種工況均等于1。

圖3 電流不平衡度m-ε曲線圖

圖4 負(fù)序電流m-I-曲線圖

（2）負(fù)序電流分析。對(duì)于V/v接線，牽引工況時(shí)，負(fù)序電流最小值為0.866kI'，最大為kI'；再生工況時(shí)，負(fù)序電流最小值為kI'，最大值為1.732 kI'。

對(duì)于單相接線，可以看出，負(fù)序電流與 m成線性關(guān)系。需要說明的是，單相變壓器當(dāng)兩臂電流相等，一臂為再生，另一臂為牽引工況時(shí)，系統(tǒng)在三相側(cè)不產(chǎn)生負(fù)序電流。

4 新恩陶單線電氣化鐵路工程實(shí)例分析

（1）負(fù)序電流影響分析。新恩陶線為單線電氣化鐵路，開行萬噸列車，萬噸列車采用 HXD1交直交電力機(jī)車，機(jī)車功率9 600 kW，就負(fù)序影響方面該線與常規(guī)電氣化鐵路相比具有以下特點(diǎn)：a.交直交機(jī)車采用再生制動(dòng)方式，列車在減速或停車時(shí)，均需再生制動(dòng)，列車再生功率如不被線路上的其他機(jī)車吸收，有功電流通過牽引變電所將向電力系統(tǒng)返送；b.由于采用半自動(dòng)閉塞方式，受線路通過能力限制，該線2條供電臂同時(shí)有車概率小，牽引變電所無電概率較大。

因此，應(yīng)首先對(duì)該線列車處于各種工況的概率進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，表1是臺(tái)閣廟牽引變電所，各種運(yùn)行工況的概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果表。

大部分情況下，該線采用單相變壓器與采用三相V/v接線牽引變壓器的負(fù)序電流是基本相當(dāng)?shù)?。而由于該線站間距較小，在2條供電臂同時(shí)有車的情況下，一供電臂列車處于牽引工況而另一供電臂列車處于再生制動(dòng)工況的概率較大，一旦出現(xiàn)該情況，采用單相變壓器流入電力系統(tǒng)的負(fù)序電流要遠(yuǎn)小于三相V/v接線牽引變壓器。綜上所述，針對(duì)線路實(shí)際的負(fù)荷特點(diǎn)，該線按單相牽引變壓器設(shè)計(jì)是合理的。

表1 臺(tái)閣廟牽引變電所各種運(yùn)行工況的概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

根據(jù)電力系統(tǒng)提供的短路容量，在忽略系統(tǒng)背景不平衡度的情況下，采用單相牽引變壓器時(shí)，各牽引變電所的不平衡度估算結(jié)果見表2。

表2 各牽引變電所三相不平衡度估算表

（2）經(jīng)濟(jì)效益分析。牽引變電所的總投入分為2部分：一次性投入與持續(xù)性投入。其中一次性投入指牽引變電所的總造價(jià)，持續(xù)性投入指牽引變電所的運(yùn)行成本，2種接線形式牽引變電所運(yùn)行成本差值主要由2種牽引變電所總電費(fèi)差所決定，包括基本電費(fèi)差及電度電費(fèi)差。根據(jù)2種變電所牽引變壓器的裝機(jī)容量及電能損失的不同，即可得到兩者持續(xù)性投入差額。見表3。

表3 牽引變電所投資比較表

從表3可以看出，5年內(nèi)運(yùn)量不出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)，則各牽引變電所采用單相變壓器相比采用 V/v接線的牽引變電所5年內(nèi)可節(jié)省投資6 025.47萬元（折算到2011年）。

如果假設(shè)5年后運(yùn)量大幅增加，考慮各牽引變電所均預(yù)留采用V/v接線的條件，各牽引變電所可在1臺(tái)牽引變壓器的基礎(chǔ)上增加1臺(tái)單相變壓器，從而構(gòu)成V/v接線形式，牽引變壓器需由單相改造為 V/v接線時(shí)，需一次性投入費(fèi)用（折算到 2011年）2 000萬元。5年后改造為V/v接線形式的牽引變電所較直接投入 V/v接線變壓器的牽引變電所節(jié)省投資4 025.47萬元。

5 結(jié)論

綜上所述，采取何種形式的牽引變壓器應(yīng)針對(duì)線路實(shí)際的負(fù)荷特點(diǎn)開展設(shè)計(jì)，理論及實(shí)踐表明，單相變壓器在單線電氣化鐵路應(yīng)用時(shí)，尤其是在機(jī)車采用交直交機(jī)車的情況下，負(fù)序影響與三相V/v接線形式相比牽引工況下基本相當(dāng)，一臂牽引、一臂再生工況下反而優(yōu)于三相V/v接線，綜合考慮單相接線變壓器可以顯著減少工程投資，具有在單線電氣化鐵路推廣使用的價(jià)值。

[1]魏宏偉.鐵道電氣化牽引供電系統(tǒng)中三相V/ v接牽引變壓器有關(guān)工程應(yīng)用的計(jì)算分析[J].第五屆電能質(zhì)量大會(huì)論文集， 2010.

[2]李群湛.牽引變電所供電分析及綜合補(bǔ)償技術(shù)[M]，2006.

[3]電氣化鐵道設(shè)計(jì)手冊(cè)--牽引供電系統(tǒng).中國(guó)鐵道出版社1988.