地鐵牽引變電站負(fù)荷運(yùn)行特性分析

郭德龍(上海地鐵維護(hù)保障有限公司,201106,上?！喂こ處?

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地鐵牽引變電站負(fù)荷運(yùn)行特性分析

郭德龍
(上海地鐵維護(hù)保障有限公司,201106,上海∥工程師)

摘 要根據(jù)城市軌道交通1號(hào)線直流牽引供電系統(tǒng)部分供電區(qū)段內(nèi)頻繁出現(xiàn)的Imax保護(hù)動(dòng)作問(wèn)題,以牽引站用電量為分析依據(jù),對(duì)變電站之間的牽引供電輸出能力的匹配性數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試和分析,針對(duì)站間供電輸出能力的不平衡問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整,并對(duì)調(diào)整后的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試和對(duì)比;有效地解決了直流牽引供電系統(tǒng)存在的部分車站輸出能力不足的問(wèn)題,提高了線路供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞地鐵;牽引變電站;用電量

Author′s address Shanghai Rail Transit Maintenance Support Co.,Ltd.,201106,Shanghai,China

城市軌道交通供電系統(tǒng)的牽引變電站作為特殊的直流供電變電站,主要負(fù)責(zé)將35 k V交流電源轉(zhuǎn)換為1 500 V或750 V直流電源,通過(guò)直流配電開(kāi)關(guān)設(shè)備供至接觸網(wǎng)(軌),給線路車輛提供電力支持。因此,牽引變電站的電力負(fù)荷完全受線路車輛的行車間隔、線路客流等因素的影響,其負(fù)荷特性[1]呈現(xiàn)周期性的波動(dòng)規(guī)律,且負(fù)荷的峰值特征與線路早晚高峰客流相關(guān)性較強(qiáng)。筆者對(duì)上海軌道交通部分牽引變電站內(nèi)的負(fù)荷波動(dòng)變化情況進(jìn)行了測(cè)試,并對(duì)線路相鄰兩牽引變電站的負(fù)荷特性及牽引站之間運(yùn)行的負(fù)荷平衡性進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試和分析,提出了解決負(fù)荷不平衡問(wèn)題的方法。

1　問(wèn)題分析

在上海早期的地鐵線路中(1號(hào)線至5號(hào)線),供電系統(tǒng)普遍采用三級(jí)供電方式,即牽引變電站和降壓變電站獨(dú)立運(yùn)行,而在軌道交通供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,設(shè)計(jì)單位基于牽引供電互為備用的原則,在設(shè)計(jì)時(shí)將相鄰牽引變電站的主用電源均取自主變不同的兩段電源。主變與牽降站之間的供電網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。

圖1　主變與牽引站典型供電示意圖

在圖1中,兩相鄰牽引變電站A、B對(duì)C1牽引供電區(qū)域供電。在主變電站出現(xiàn)一段或者二段母線失電的情況下,能保證A牽引站或者B牽引站35 k V電力供應(yīng),確保C1供電區(qū)域不出現(xiàn)失電現(xiàn)象。在C1區(qū)域的直流供電過(guò)程中,當(dāng)?shù)罔F列車運(yùn)行于該區(qū)域取流時(shí),A、B兩座牽引變電站的功率輸出受限于兩站直流1 500 V或750 V的直流母線電壓、運(yùn)行列車實(shí)際的工作狀態(tài)、列車在直流牽引供電區(qū)域的相對(duì)位置等多種因素的綜合影響。在主變電站I、II段母線電壓值存在較大差異的情況下,容易影響相鄰兩座牽引變電站之間35 k V和直流側(cè)的電壓水平,造成牽引變電站之間功率輸出不匹配,影響牽引變電站直流饋線開(kāi)關(guān)的輸出能力,給牽引變電站的可靠運(yùn)行帶來(lái)不利影響。

2　系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

上海軌道交通1號(hào)線牽引變電站通過(guò)整流變壓器和整流器將33 k V交流電源轉(zhuǎn)換為1 500 V直流電源,并通過(guò)牽引供電區(qū)域?qū)?yīng)的直流開(kāi)關(guān)將電能提供給電客列車。在上海軌道交通1號(hào)線運(yùn)能增加過(guò)程中,由于列車編組形式的調(diào)整和行車密度的不斷加大,在部分牽引供電區(qū)域內(nèi)兩牽引站之間對(duì)應(yīng)的直流開(kāi)關(guān)出現(xiàn)頻繁過(guò)負(fù)荷Imax[2]跳閘的現(xiàn)象,而其他變電站未出現(xiàn)同類問(wèn)題。為此,筆者對(duì)以上兩個(gè)牽引變電站的直流母線電壓和直流饋線開(kāi)關(guān)的輸出功率進(jìn)行了測(cè)試和分析,以發(fā)現(xiàn)引起該問(wèn)題的真正原因。

2.1直流開(kāi)關(guān)饋出電流曲線

在測(cè)試過(guò)程中,利用電流測(cè)試裝置對(duì)牽引變電站內(nèi)直流開(kāi)關(guān)饋出電流進(jìn)行在線測(cè)試,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的處理得到如圖2所示的直流饋出負(fù)荷電流特性曲線。

圖2　直流開(kāi)關(guān)饋出電流典型波形圖

從圖2可看出,直流負(fù)荷電流特性隨著列車在牽引供電區(qū)域內(nèi)出站啟動(dòng)和進(jìn)站制動(dòng)等運(yùn)行工況下的變化,負(fù)荷電流呈現(xiàn)周期性的波動(dòng)特性,且在供電區(qū)間內(nèi)存在多列列車負(fù)荷疊加或相互抵消等情況,造成直流開(kāi)關(guān)輸出的負(fù)荷電流呈現(xiàn)不同的變化曲線。但從負(fù)荷變化的總體變化特征上,其電流特性曲線仍呈現(xiàn)一定的周期性的波動(dòng)特性。

2.2直流開(kāi)關(guān)電能輸出特性對(duì)比

在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中,一般牽引變電站直流供電示意圖[3]如圖3所示。

從圖3可看出,變電站按照接觸網(wǎng)供電區(qū)段由4臺(tái)饋線開(kāi)關(guān)將電能分別供給接觸網(wǎng)上行和下行對(duì)應(yīng)的兩個(gè)區(qū)段,且相鄰兩站開(kāi)關(guān)(如A站編號(hào)為NC 23的直流開(kāi)關(guān)、B站編號(hào)為NC 21的直流開(kāi)關(guān))給對(duì)應(yīng)的接觸網(wǎng)供電。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí),筆者對(duì)A、B兩站的負(fù)荷特性進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試,主要對(duì)A、B兩站在10天時(shí)間內(nèi)的用電量進(jìn)行了匯總和對(duì)比分析,以分析A站編號(hào)為NC 23的直流開(kāi)關(guān)跳閘的實(shí)際原因。

圖3　直流牽引雙邊供電示意圖

以上海南站(B站)—蓮花路站(A站)牽引負(fù)荷分析為例。對(duì)2013年9月28日至10月9日的上海南站牽引站的總的用電負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。對(duì)開(kāi)關(guān)的正向與反向電能總量的數(shù)字進(jìn)行數(shù)字求和,對(duì)相鄰兩座牽引變電站內(nèi)供同一供電區(qū)間的開(kāi)關(guān)輸出的總電量進(jìn)行匯總,形成如圖4所示的開(kāi)關(guān)輸出電量圖。

圖4　牽引供電上行區(qū)間開(kāi)關(guān)牽引電能統(tǒng)計(jì)

從圖4可以看出,上海南站NC 21饋線開(kāi)關(guān)的用電總量輸出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)接近于0,而蓮花路NC 23開(kāi)關(guān)的日均總用電量則接近于12 MWh,反映出牽引站輸出能力的不均衡性。

筆者對(duì)同一供電區(qū)段的下行開(kāi)關(guān)的用電量進(jìn)行了對(duì)比,得到如圖5所示的用電量對(duì)比圖。從圖5可以看出,上海南站NC 22開(kāi)關(guān)日均輸出的總量負(fù)荷為-4 MWh左右,即表明該饋線開(kāi)關(guān)在日常運(yùn)行過(guò)程中,總的輸出能力小于0,而蓮花路站NC 24開(kāi)關(guān)日均牽引輸出電量為10 MWh左右。以上兩組數(shù)據(jù)也同時(shí)證明,對(duì)比而言,上海南站牽引站輸出能力與相鄰牽引站輸出能力嚴(yán)重不平衡,這造成蓮花路站NC 23、NC 24直流開(kāi)關(guān)輸出負(fù)載較大,在高峰時(shí)段會(huì)觸發(fā)直流開(kāi)關(guān)的大電流保護(hù)。

圖5　牽引供電下行區(qū)間開(kāi)關(guān)牽引電能統(tǒng)計(jì)

2.3直流母線電壓同步對(duì)比測(cè)試

為進(jìn)一步確定以上問(wèn)題的原因,筆者對(duì)上海南站和蓮花路站直流1 500 V直流母線電壓進(jìn)行了同步對(duì)比測(cè)試,得到如圖6所示的直流母線電壓對(duì)比圖。

圖6　相鄰兩牽引變電站直流母線電壓對(duì)比圖

從圖6可以看出,在同一時(shí)間段內(nèi),兩相鄰牽引變電站的母線電壓水平存在明顯的差異。在列車運(yùn)行于該牽引供電區(qū)間時(shí),兩牽引站的電量輸出無(wú)法按車輛用電負(fù)荷與車站距離等比例分布;且由于上海南站牽引站直流母線電壓偏低,在車輛從蓮花路站向上海南站方向啟動(dòng)時(shí),負(fù)荷電流基本由蓮花路站輸出,在高峰時(shí)段,多列列車的負(fù)荷疊加時(shí),造成該站對(duì)應(yīng)的NC 23直流開(kāi)關(guān)出現(xiàn)Imax跳閘。

3　解決方案及效果評(píng)估

為解決以上問(wèn)題,筆者提出對(duì)以上兩座牽引變電站內(nèi)的母線電壓進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的整體情況進(jìn)行分析,對(duì)牽引變電站整流變壓器的分接頭進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整,以提升整流變壓器電壓水平,并通過(guò)整流器將直流側(cè)母線電壓同比例提升,以提高上海南站牽引站的直流輸出能力。在直流母線電壓提升后,對(duì)系統(tǒng)母線電壓調(diào)整前后的牽引站日輸出總電量進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)[4],得到上海南站和蓮花路站輸出總電量的對(duì)比圖(見(jiàn)圖7、圖8)。從圖7中可以明顯看出上海南站在調(diào)整直流1 500 V母線電壓后,變電站的總輸出能力從目前的高峰小時(shí)的0.6 MWh提高至1.6 MWh,輸出能力提高了3倍左右。

圖7　上海南站電壓調(diào)整前后用電量對(duì)比

圖8　蓮花路站電壓調(diào)整前后用電量對(duì)比

通過(guò)對(duì)蓮花路牽引站同比分析,可以得到蓮花路牽引站在上海南站母線電壓提高后的輸出用電量。從圖8可以看出,在上海南站牽引站母線電壓調(diào)整后,蓮花路站總的輸出電能由峰值小時(shí)2.5 WMh的用電量降低為1.8 MWh的用電量,相對(duì)降低了變電站站總的功率需求,也直接降低了牽引站4個(gè)直流開(kāi)關(guān)的輸出電流的水平,從而保證了牽引供電區(qū)間兩牽引變電站供電能力的平衡性,確保直流牽引雙邊供電能力的匹配和均衡度。

在測(cè)試過(guò)程中,筆者對(duì)兩牽引變電站內(nèi)1 500 V直流母線電壓的前后變化情況進(jìn)行了測(cè)試,得到調(diào)整前后直流母線電壓的變化對(duì)比圖,如圖9所示。

圖9　上海南站調(diào)整前后直流母線電壓對(duì)比圖

從圖9可以看出,通過(guò)調(diào)整上海南站直流1 500 V側(cè)的母線電壓,有效地提升了該牽引變電站的輸出能力,從而進(jìn)一步調(diào)整了相鄰牽引變電站負(fù)載水平的均衡度,解決了該區(qū)段在高峰運(yùn)營(yíng)時(shí)段直流開(kāi)關(guān)出現(xiàn)的跳閘情況,改善了該區(qū)段直流牽引供電的可靠性問(wèn)題。

4　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)地鐵牽引變電站內(nèi)直流開(kāi)關(guān)頻繁出現(xiàn)的跳閘情況進(jìn)行了匯總分析,并對(duì)特殊區(qū)段內(nèi)牽引變電站內(nèi)的用電總量進(jìn)行了對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)了牽引變電站內(nèi)的用電量不均衡的特性;通過(guò)進(jìn)一步的測(cè)試和分析,以及對(duì)相鄰牽引站變電站內(nèi)直流母線的電壓進(jìn)行同步對(duì)比測(cè)試,發(fā)現(xiàn)直流母線電壓存在較大的差異性,且造成相鄰兩牽引站的輸出能力嚴(yán)重的不均衡。

通過(guò)對(duì)既有情況的分析,對(duì)上海南站整流變壓器的分接頭進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整,提高直流1 500 V側(cè)母線電壓。通過(guò)對(duì)調(diào)整前后上海南站和蓮花路站電能數(shù)據(jù)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),該項(xiàng)措施有效地平衡了牽引變電站之間的用電量,也降低了該牽引供電區(qū)段直流開(kāi)關(guān)過(guò)負(fù)荷跳閘的情況。

對(duì)以上的數(shù)據(jù)分析表明,地鐵直流牽引變電站供電輸出能力受直流母線電壓的影響較大,在日常運(yùn)行過(guò)程中,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注母線電壓變化情況,通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和分析,保證負(fù)荷輸出的均衡度,以提高牽引供電的安全性。

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Analysis of the Operation Load Characteristics at DC Traction Station

Guo Delong

AbstractAccording to the frequent Imax protection trips in special supply section of the DC power supply system on Shanghai Metro Line 1,the matching data of traction power output ability between DC traction substations are tested based on an analysis of the power consumption at traction substation.Following the conclusion,a partial data are tested and compared after the adjustment of the imbalance in the output capacity of power supply station.This method has effectively solved the problems of insufficient power supply between DC traction substations,improved the security and reliability of power supply system.

Key wordsmetro;traction station;power consumption

(收稿日期:2015-07-18)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.016

中圖分類號(hào)U 224