城市軌道交通牽引供電變壓器自動(dòng)調(diào)壓技術(shù)研究

李建民，陶乃彬

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州　450052)

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城市軌道交通牽引供電變壓器自動(dòng)調(diào)壓技術(shù)研究

李建民，陶乃彬

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州450052)

摘要：通過綜合運(yùn)用遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)和綜合自動(dòng)化技術(shù)，對(duì)供電系統(tǒng)的變壓器進(jìn)行自動(dòng)調(diào)壓，對(duì)于保證供電質(zhì)量，確保電氣列車的安全平穩(wěn)運(yùn)行有著極其重要的意義。指出了這項(xiàng)綜合技術(shù)的意義，對(duì)其實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，對(duì)相應(yīng)技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)融合。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)；變壓器；自動(dòng)調(diào)壓；牽引供電系統(tǒng)；有載調(diào)壓

變電綜合自動(dòng)化技術(shù)是利用分布式多微機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備的監(jiān)視、控制,并在局域網(wǎng)絡(luò)或者系統(tǒng)平臺(tái)的支持下,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號(hào)、數(shù)據(jù)采集、屏幕顯示、事件順序記錄等功能；在微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，融合微機(jī)保護(hù)和本體自控設(shè)備(含遠(yuǎn)動(dòng)RTU)，承擔(dān)整個(gè)變電所信息處理、信息交互以及全部監(jiān)控功能。遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)是一種異地監(jiān)視和控制的技術(shù)，它的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是實(shí)現(xiàn)大視域下的集中監(jiān)視,提高對(duì)系統(tǒng)的科學(xué)掌控水平,進(jìn)而提高安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平；二是實(shí)現(xiàn)全方位的集中控制,提高有效控制能力,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率;三是有利于實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)共享,實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化策略的優(yōu)化決策。

城市軌道交通變電所通常采用全所綜合自動(dòng)化，將控制、信號(hào)、測(cè)量、保護(hù)等自動(dòng)及遠(yuǎn)動(dòng)裝置，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，經(jīng)過功能組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過不同等級(jí)的平臺(tái),實(shí)現(xiàn)變電所的監(jiān)視、測(cè)量、控制和保護(hù)的一體化。

城市軌道交通供電系統(tǒng)一般設(shè)置以下自動(dòng)設(shè)備：110 kV主變電所35 kV母聯(lián)設(shè)置自動(dòng)投入裝置；牽引降壓變電所35 kV母聯(lián)開關(guān)設(shè)置自動(dòng)投入裝置；直流1 500 V饋線設(shè)置帶有能判斷故障性質(zhì)的自動(dòng)重合閘裝置；0.4 kV母聯(lián)開關(guān)設(shè)置自動(dòng)投入裝置；直流電源的兩路電源間自動(dòng)投入設(shè)備；交流自用電的兩路電源間自動(dòng)投入設(shè)備?？梢姡冸娝C合自動(dòng)化技術(shù)并沒有把變壓器自動(dòng)調(diào)壓作為必配的自動(dòng)裝置；但是，隨著技術(shù)的發(fā)展和對(duì)供電系統(tǒng)要求的進(jìn)一步提高，變壓器自動(dòng)調(diào)壓設(shè)備必然成為變電所綜合自動(dòng)化的基本配置，而且也可以實(shí)現(xiàn)異地調(diào)壓，為最終實(shí)現(xiàn)真正的無人值班打下良好的基礎(chǔ)；因此，必須加以研究和解決。

1有載調(diào)壓現(xiàn)狀

(1)調(diào)壓模式：一是手動(dòng)調(diào)壓；二是人工監(jiān)控應(yīng)答式調(diào)壓；三是當(dāng)?shù)厝詣?dòng)調(diào)壓；四是異地監(jiān)視全自動(dòng)調(diào)壓。最佳模式是異地監(jiān)視全自動(dòng)調(diào)壓。

大多并列運(yùn)行的有載調(diào)壓變壓器都是手動(dòng)工作方式，其調(diào)壓操作是在人工監(jiān)控下進(jìn)行的。當(dāng)110 KV電壓波動(dòng)超過±5%時(shí)，值班人員在確認(rèn)無誤后，必須首先分?jǐn)囵侂娔概怕?lián)絡(luò)開關(guān)，讓原并列運(yùn)行的變壓器處于分列運(yùn)行狀態(tài),根據(jù)實(shí)際情況在確定調(diào)節(jié)位置無誤后,手動(dòng)操作有載分接開關(guān)調(diào)節(jié)器，切換到要求的工作檔位。然后檢查操作結(jié)果：若各變壓器所在檔位和指示電壓完全正確,就重合母聯(lián)開關(guān)；若不正確,檢查原因,直至完全一致。最后，再次檢查變壓器并列運(yùn)行的工況，看是否均衡,輸出電壓是否滿足要求,才完成電壓調(diào)整的全過程。人工監(jiān)控手動(dòng)操作的調(diào)壓方法有調(diào)壓不及時(shí)、操作慢、耗時(shí)長以及受人為因素影響的缺點(diǎn)。

(2)有載調(diào)壓變壓器的調(diào)壓方法，也是改變一或二次(高低壓)繞組的有效匝數(shù)，改變電壓比；與其他變壓器都不同的是，采用了有載調(diào)壓分接開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)和核心裝置，用以在變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)變換一次(或二次)線圈的分接，進(jìn)行分級(jí)調(diào)壓。

有載調(diào)壓分接開關(guān)由切換開關(guān)、選擇開關(guān)和操作機(jī)構(gòu)等部分組成。切換開關(guān)專門承擔(dān)切換負(fù)載電流部分，是調(diào)壓的關(guān)鍵設(shè)備，不產(chǎn)生電弧是對(duì)其性能的基本要求，而且要?jiǎng)幼餮杆?。選擇開關(guān)是按分接順序，預(yù)先接通相鄰的即刻要換接的分接頭，并承擔(dān)連續(xù)負(fù)載的部分。操作機(jī)構(gòu)是開關(guān)本體動(dòng)作的動(dòng)力源，一般將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過連桿完成操作任務(wù)。電磁操作機(jī)構(gòu)較多，可以電動(dòng)或手動(dòng)。此外，為保證操作的安全可靠，增加了限動(dòng)、安全連鎖、位置指示等附屬裝置。

有載調(diào)壓變壓器的調(diào)壓范圍及級(jí)數(shù)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)：110 kV及以下的高壓線圈為n±3×2.5%；220 kV的高壓線圈為Un±4×2%；我們常見的10 kV以下的有載調(diào)壓變壓器，每檔為±5%或±2.5%，一般分有5檔、7檔、9檔，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

目前，有載調(diào)壓還沒有和SCADA系統(tǒng)結(jié)合，使相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)有機(jī)融合是進(jìn)一步研究的方向。

2變壓器設(shè)置自動(dòng)調(diào)壓的作用

城市軌道交通供電系統(tǒng)主變電所的兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的變壓器之間存在循環(huán)電流。盡管在設(shè)計(jì)時(shí),要求這兩臺(tái)變壓器的基本參數(shù)一致，而且必須是同一廠家同一批次,但是受輸入電源的影響，或者是變比誤差的影響，兩臺(tái)變壓器之間仍然存在循環(huán)電流，有時(shí)這個(gè)電流還非常大，會(huì)造成變壓器損耗增大。目前，一般通過安裝平衡繞組(也可以安裝有載調(diào)壓設(shè)備)，以減少循環(huán)電流。

軌道交通動(dòng)力照明供電系統(tǒng)變壓器必須設(shè)置橋間平衡電抗器。因?yàn)樵撟儔浩饕矔?huì)由于35 kV側(cè)輸入電源不一致而產(chǎn)生循環(huán)電流，故也必須安裝有載調(diào)壓設(shè)備和平衡繞組。如果有載調(diào)壓不及時(shí)，就會(huì)造成負(fù)荷的不均衡和計(jì)量的不準(zhǔn)確，從而造成損耗。

對(duì)于城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)，由于兩臺(tái)牽引整流變壓器均為軸向雙分裂式結(jié)構(gòu)，閥側(cè)繞組間較大的短路阻抗能很好地降低環(huán)流，加之主接線采用單母線接線，輸入電源一致性好；因此，兩臺(tái)變壓器間不設(shè)置橋間平衡電抗器。由于整流變壓器機(jī)組最終要向接觸線供電，其電壓波動(dòng)有嚴(yán)格的要求，一般情況下，在750 V直流系統(tǒng)供電制式下，其電壓波動(dòng)范圍為900～500 V;在1 500 V直流系統(tǒng)供電制式下，其電壓波動(dòng)范圍為1 800～1 000 V。如果超出電壓波動(dòng)范圍，將會(huì)對(duì)電動(dòng)車組的牽引特性造成很大的影響，必須在原邊設(shè)置調(diào)壓設(shè)備；由于動(dòng)車組負(fù)荷變化較大，建議設(shè)置有載自動(dòng)調(diào)壓，以滿足動(dòng)車組的要求。

3設(shè)置自動(dòng)調(diào)壓的意義

首先，安裝有載調(diào)壓系統(tǒng)可以滿足負(fù)荷對(duì)供電電壓的要求。由于主變電所供電距離有時(shí)很長，線路壓降增大，造成末端電壓不達(dá)標(biāo)，超過了±5%的標(biāo)準(zhǔn)。安裝有載調(diào)壓系統(tǒng)后，就可以及時(shí)地通過提高原邊電壓，進(jìn)而提高始端電壓，使末端電壓達(dá)標(biāo)，防止因電壓過低或過高而影響正常行車。其次，可以讓設(shè)備工作在額定電壓附近，減少邊界電壓運(yùn)營時(shí)間，提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)營水平和效率。再次，可以及時(shí)調(diào)壓，為電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化創(chuàng)造了條件。最后，設(shè)置自動(dòng)調(diào)壓可以延長設(shè)備使用壽命。

4基于智能化的變壓器自動(dòng)調(diào)壓設(shè)計(jì)要求

智能化的變壓器自動(dòng)調(diào)壓設(shè)備可根據(jù)變壓器運(yùn)行情況自動(dòng)調(diào)節(jié)有載調(diào)壓開關(guān)，使變壓器低壓側(cè)電壓始終保持在合格范圍內(nèi)，從而顯著提高了供電質(zhì)量。同時(shí)，也可以及時(shí)地檢測(cè)環(huán)流大小，降低環(huán)流數(shù)值。

智能化的變壓器自動(dòng)調(diào)壓設(shè)備設(shè)計(jì)思路：

(1)具有智能分析能力。當(dāng)輸出不滿足要求時(shí)，應(yīng)立即通過調(diào)壓設(shè)備調(diào)壓；當(dāng)輸出滿足要求時(shí)，檢查環(huán)流，如果環(huán)流過大，可以控制調(diào)壓設(shè)備調(diào)壓。對(duì)于第二種情況，需要特殊的要求。采集電路要具有監(jiān)測(cè)電流的電流互感器，以及定時(shí)測(cè)量回路；軟件要具有數(shù)據(jù)分析和處理功能，可以建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)模型。這個(gè)數(shù)據(jù)模型最重要的是環(huán)流標(biāo)準(zhǔn)的制定，目前我國還沒有制定最大環(huán)流允許值的國家標(biāo)準(zhǔn)，要根據(jù)實(shí)際情況來確定，既不能太低，也不能太高，太高會(huì)使變壓器頻繁自動(dòng)調(diào)壓，太低起不到控制的作用。

(2)模塊化設(shè)計(jì)原則。相對(duì)獨(dú)立，又與遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)的RTU相融合。獨(dú)立性表現(xiàn)在具有自己獨(dú)立的CPU，兼容性體現(xiàn)在可以整體作為RTU的一個(gè)智能外設(shè)。作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單元，可以充分利用變壓器原有監(jiān)控單元的數(shù)據(jù)和設(shè)備，以減少設(shè)備的投資，充分發(fā)揮設(shè)備的效益；但其前提是相互間不能產(chǎn)生干擾。

(3)具有自動(dòng)報(bào)警功能和連鎖功能。應(yīng)該能發(fā)出聲光警報(bào)，提示工作人員及時(shí)處理；同時(shí)能夠防止因電氣元件故障而引起的連續(xù)調(diào)檔,即具有防滑檔措施，確保逐級(jí)調(diào)節(jié)。

(4)具有上報(bào)功能。要充分利用RTU的信息上報(bào)功能，把實(shí)時(shí)信息(包括實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)、報(bào)警信息、執(zhí)行控制結(jié)果等)上報(bào)上層控制中心和遠(yuǎn)方的最高集中控制中心，這有利于工作人員作出科學(xué)的決斷,同時(shí)可以利用系統(tǒng)大數(shù)據(jù)保證控制策略的科學(xué)。

(5)必須具有廣泛的適應(yīng)性。對(duì)于牽引變壓器設(shè)置自動(dòng)調(diào)壓設(shè)備，其目的是唯一的，就是使輸出電壓滿足要求。主變電所和動(dòng)力照明變電所的變壓器必須具有兩個(gè)功能：一是穩(wěn)定輸出電壓；二是減小繞組環(huán)流。因此，調(diào)壓系統(tǒng)應(yīng)能夠滿足多個(gè)模式的要求。

5自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)構(gòu)成

自動(dòng)調(diào)壓智能化控制系統(tǒng)由五部分組成。第一部分是測(cè)量控制電氣設(shè)備。為確保監(jiān)視實(shí)施過程的變化情況,系統(tǒng)設(shè)置了電壓互感器、電流互感器以及電壓變送器和電流變送器等測(cè)量設(shè)備;同時(shí),為了滿足控制的要求增加了有接點(diǎn)和無接點(diǎn)設(shè)備。第二部分是實(shí)體設(shè)備，包括有載調(diào)壓變壓器、有載分接開關(guān)自動(dòng)調(diào)節(jié)器兩個(gè)核心的執(zhí)行設(shè)備。第三部分是具有不同功能的輸入輸出回路。包括模擬量采集回路和開關(guān)量采集回路，以及邏輯控制輸出回路。第四部分是軟件支持系統(tǒng)平臺(tái)。第五部是通信單元，確保上下級(jí)之間的信息交換和正確傳遞。為了確保運(yùn)行安全,保留了分列獨(dú)立自動(dòng)/手動(dòng)調(diào)壓控制功能和調(diào)壓操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即當(dāng)智能系統(tǒng)出現(xiàn)問題后，可以完全解除該系統(tǒng)，而不影響人工操作。

(1)測(cè)量設(shè)備

互感器是電壓、電流變換設(shè)備,將高電壓、大電流變成低電壓和小電流(標(biāo)準(zhǔn)值),將一次系統(tǒng)的電壓電流信息準(zhǔn)確地傳遞到二次側(cè)相關(guān)設(shè)備。電壓變送器則是將各種非電量信號(hào)，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號(hào)，然后送到各模擬量采集回路或者儀表，以供進(jìn)一步處理用。測(cè)量設(shè)備的精度一般為0.5級(jí)或1級(jí)。

(2)輸入輸出回路

輸入回路主要功能是把測(cè)量電氣設(shè)備的輸出模擬量變換成數(shù)字量，以便把現(xiàn)實(shí)的參量送到微機(jī)存儲(chǔ)單元，供微機(jī)進(jìn)一步分析處理；同時(shí)要把開關(guān)和變壓器有載分接開關(guān)的位置信號(hào)可靠地采集到確定的存儲(chǔ)單元。對(duì)它的要求一是保證精度；二是一定要和電氣設(shè)備進(jìn)行隔離。

輸出回路的主要功能是把上級(jí)發(fā)送的命令按照邏輯要求有序地加以執(zhí)行，最后送到電氣設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)控制和監(jiān)視的目的。它需要解決的問題是用弱電回路信號(hào)來控制強(qiáng)電回路設(shè)備，這一般需要逐級(jí)放大和驅(qū)動(dòng)，要根據(jù)實(shí)際需要加以選擇。

(3)通信模塊

其主要作用一是完成信息組裝，也就是編碼；二是完成信息的上傳；三是完成信息的接受，也就是解碼。通信模塊是實(shí)現(xiàn)與SCADA有機(jī)融合的關(guān)鍵。

(4)軟件模塊

它的功能是指揮、協(xié)調(diào)、控制各個(gè)輸入輸出回路的工作以及通信模塊的工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理。它是連接各部分的神經(jīng)中樞，也是主要體現(xiàn)微機(jī)控制價(jià)值的部分。一般要完成以下主要工作：進(jìn)行控制電壓、電流的比較，并根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行不同的處理；完成開關(guān)信號(hào)的判斷和處理；進(jìn)行信息的組裝(編碼)和分解(解碼)；選定不同的工作模式。

6系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

(1)邏輯結(jié)構(gòu)

變壓器并列運(yùn)行是一項(xiàng)普遍應(yīng)用的技術(shù)。它既能夠提高供電的經(jīng)濟(jì)性，在負(fù)荷高峰時(shí)投入變壓器，而在負(fù)荷低谷時(shí)切除變壓器，以減少變壓器的損耗，增加變壓器的使用效率；又能夠提高供電的可靠性，縮小電網(wǎng)設(shè)備故障或維修的影響范圍，降低停電損失。將有載調(diào)壓和并列運(yùn)行技術(shù)結(jié)合起來，使用有載調(diào)壓變壓器實(shí)現(xiàn)并列運(yùn)行，目的就是綜合發(fā)揮有載調(diào)壓和并列運(yùn)行兩者各自的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步改善供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性和安全性。

基于實(shí)際的調(diào)壓操作而編制的邏輯過程如圖1所示。

圖1　調(diào)壓執(zhí)行邏輯順序

并列有載調(diào)壓變壓器自動(dòng)調(diào)壓的設(shè)備就要模擬這一邏輯過程，其結(jié)構(gòu)如圖2。需要說明的是，這一結(jié)構(gòu)是為主變電所設(shè)計(jì)的，而對(duì)于牽引變電所，則只需要設(shè)置一臺(tái)進(jìn)線母線電壓互感器和一臺(tái)出線母線電壓互感器；而且在軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候，也是以次邊整流器的輸出是否滿足“相應(yīng)系統(tǒng)供電制式的電壓波動(dòng)范圍”要求作為調(diào)壓的依據(jù)。

圖2　智能化變壓器自動(dòng)調(diào)壓設(shè)備原理框圖

(2)與SCADA的融合

把整個(gè)智能化自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)智能外設(shè)，通過站級(jí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)刈詣?dòng)調(diào)壓。通過通信模塊與SCADA系統(tǒng)連成一體，然后利用城市軌道交通后臺(tái)強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)，對(duì)調(diào)壓過程實(shí)施監(jiān)督，同時(shí)也可由中心發(fā)出指令,實(shí)現(xiàn)異地調(diào)壓的目的。

7結(jié)束語

以遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)為基礎(chǔ)，融合變電所綜合自動(dòng)化技術(shù)，對(duì)變壓器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)有載調(diào)壓，不但可以迅速解決電壓波動(dòng)問題，還可以實(shí)現(xiàn)異地監(jiān)控和調(diào)整，減少電壓不穩(wěn)造成的危害，防止因電源問題影響正常行車，這對(duì)于提高城市軌道交通運(yùn)營的可靠性有著極其重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：趙偉]

Research on Automatic Voltage Regulation Technology Applied to Traction Power Supply Transformer in Urban Rail Transit

LI Jianmin， TAO Naibin

(Zhengzhou Railway Vocational and Technical College, Zhengzhou 450052, China)

Abstract:With the remote control and integrated automation technology, the transformers in traction power supply system can adjust voltage automatically, which is very important to keep the voltage stable and ensure the safe operation of electrical trains. This paper figures out the significance of the technology, analyzes its technical framework and discusses its combination with related technologies.

Key words:SCADA; transformer; automatic voltage regulation; traction power supply system; on load voltage regulation

中圖分類號(hào):TM4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào)：1008-6811(2016)01-0014-05

作者簡介：李建民(1966—)男，河南浚縣人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛學(xué)院教授，主要從事城市軌道交通和電氣工程方面的研究。

收稿日期：2016-02-28