同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式對(duì)牽引變壓器影響分析

王卓，李群湛

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式對(duì)牽引變壓器影響分析

王卓，李群湛

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

摘要:為了探討同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式對(duì)牽引變壓器溫升及壽命損失影響，對(duì)兩既有線牽引變電所進(jìn)行同相供電系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)，結(jié)合變壓器溫升模型對(duì)不同運(yùn)行方式下牽引變壓器繞組溫升、繞組對(duì)變壓器油溫升及變壓器油溫升進(jìn)行了仿真分析，在此基礎(chǔ)上計(jì)算牽引變壓器壽命損失。研究結(jié)果表明：根據(jù)牽引變電所的牽引負(fù)荷特性及短路容量，合理選擇同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式將有效降低牽引變壓器溫升、充分利用其壽命損失并延長(zhǎng)同相補(bǔ)償裝置壽命。

關(guān)鍵詞：同相補(bǔ)償裝置；運(yùn)行方式；牽引變壓器；溫升；壽命

近年來，我國(guó)高速鐵路迅速發(fā)展，為我國(guó)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮了極大的推動(dòng)作用[1]。但是單相工頻交流制伴隨的以負(fù)序?yàn)橹鞯碾娔苜|(zhì)量問題及列車過分相時(shí)的速度下降與牽引力嚴(yán)重?fù)p失問題卻制約著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展[2]。同相供電技術(shù)可以取消電分相，提升高速及重載鐵路運(yùn)行效率[3]并將鐵路牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)序不良影響降為最低[4-5]。同相供電技術(shù)的關(guān)鍵就是采用同相補(bǔ)償裝置對(duì)牽引負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并對(duì)造成的負(fù)序進(jìn)行補(bǔ)償，并兼顧補(bǔ)償無功與諧波[6-8]。

目前，實(shí)現(xiàn)同相供電系統(tǒng)的新一代技術(shù)是組合式同相供電技術(shù)[9]。世界首套單三相組合式同相供電裝置在山西中南部鐵路通道重載綜合試驗(yàn)段沙峪牽引變電所投運(yùn)成功。組合式同相供電技術(shù)中同相補(bǔ)償裝置可以分擔(dān)一部分牽引變壓器的負(fù)荷，因此在對(duì)應(yīng)用組合式同相供電技術(shù)的牽引變電所牽引變壓器容量設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到同相補(bǔ)償裝置的供電能力。同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式對(duì)應(yīng)不同牽引變壓器負(fù)荷過程，從而會(huì)影響到牽引變壓器溫升，牽引變壓器溫升影響到其過負(fù)荷能力[10]。李群湛[9]提出了2種最具有代表性同相補(bǔ)償裝置基本運(yùn)行方式。

本文在上述基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)測(cè)負(fù)荷過程研究同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式對(duì)應(yīng)的牽引變壓器溫升并計(jì)算出其壽命損失，綜合分析同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式對(duì)牽引變壓器安裝容量的影響，從而為采用組合式同相供電技術(shù)的牽引變電所同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式的選擇提供參考。

1單三相組合式同相供電

單三相組合式同相供電方案如圖1所示。

圖1　單三相組合式同相供電方案示意圖Fig.1 Connection diagram of a combined co-phase supply system with a single-phase and three-phase modular

單三相組合式同相供電變電所由主變壓器TT和同相補(bǔ)償裝置CPD組成，其中同相補(bǔ)償裝置CPD包括高壓匹配變壓器HMT、交直交變流器ADA、牽引匹配變壓器TMT以及交流電抗器L等[11]。

單三相組合式同相供電技術(shù)方案相比較于以前的同相供電裝置，將同相補(bǔ)償裝置與牽引變壓器運(yùn)行分離，從而使同相補(bǔ)償裝置退出運(yùn)行時(shí)，可以由牽引變壓器利用短期過載供給負(fù)荷功率，并且同相補(bǔ)償裝置容量的設(shè)計(jì)是根據(jù)負(fù)荷過程及系統(tǒng)短路容量計(jì)算。因此組合式同相供電技術(shù)提升了同相供電系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

組合式同相供電方案擁有眾多靈活的運(yùn)行方式。本文選取其中兩種典型情況來分析同相補(bǔ)償裝置的運(yùn)行方式對(duì)牽引變壓器溫升及壽命損失的影響。同相補(bǔ)償裝置可按2種方式運(yùn)行[9]：

方式Ⅰ：同相補(bǔ)償裝置使用熱備用的形式，當(dāng)負(fù)荷功率引起的三相不平衡度符合國(guó)標(biāo)要求時(shí)，由牽引變壓器承擔(dān)全部負(fù)荷；負(fù)荷功率引起三相不平衡度超標(biāo)時(shí)，同相補(bǔ)償裝置補(bǔ)償負(fù)荷功率與負(fù)序允許功率差值的1/2，使三相不平衡度滿足國(guó)標(biāo)要求。

方式Ⅱ：同相補(bǔ)償裝置持續(xù)運(yùn)行，當(dāng)負(fù)荷功率小于等于同相補(bǔ)償裝置容量2倍時(shí)，同相補(bǔ)償裝置分擔(dān)牽引變壓器一半的負(fù)荷功率；當(dāng)負(fù)荷功率大于同相補(bǔ)償裝置容量2倍時(shí)，同相補(bǔ)償裝置按照額定容量補(bǔ)償，其余負(fù)荷功率由牽引變壓器提供。此時(shí)會(huì)產(chǎn)生剩余負(fù)序功率，但符合國(guó)標(biāo)要求。

2種運(yùn)行方式在滿足負(fù)序補(bǔ)償目標(biāo)上是等效的，然而方式Ⅰ重視的是延長(zhǎng)同相補(bǔ)償裝置的使用壽命。因?yàn)橥嘌a(bǔ)償裝置中交直交變流器的IGBT器件的老化是與同相補(bǔ)償裝置輸出功率有關(guān)的，而且IGBT的價(jià)格較為昂貴，在保證負(fù)序補(bǔ)償?shù)那疤嵯?，延長(zhǎng)同相補(bǔ)償裝置的使用壽命可以進(jìn)一步提升方案的經(jīng)濟(jì)性。方式Ⅱ中同相補(bǔ)償裝置可以更多的進(jìn)行負(fù)序補(bǔ)償，將對(duì)電網(wǎng)的負(fù)序影響降為最低，并分擔(dān)牽引變壓器的負(fù)荷，提高牽引變壓器的過負(fù)荷能力，減少牽引變壓器的安裝容量從而降低運(yùn)營(yíng)成本。

2變壓器溫升計(jì)算模型

變壓器運(yùn)行時(shí)，由于鐵耗、銅耗等會(huì)產(chǎn)生一定的熱量使繞組溫度升高，繞組通過與變壓器油的熱傳遞將多余熱量傳遞到空氣，將多余熱量散發(fā)。在這個(gè)過程中會(huì)造成變壓器繞組、油溫度升高，過高的溫度會(huì)導(dǎo)致變壓器中產(chǎn)生氣泡從而影響到變壓器的絕緣特性。牽引負(fù)荷波動(dòng)劇烈，繞組最熱點(diǎn)限制了牽引變壓器的過負(fù)荷能力及容量利用率[10]。

國(guó)家對(duì)變壓器溫升極限是基于以下條件來規(guī)定的：變壓器在環(huán)境溫度為20℃下帶額定負(fù)荷長(zhǎng)期運(yùn)行，對(duì)應(yīng)的變壓器繞組最熱點(diǎn)溫度約為98 ℃。在正常周期性負(fù)載下，允許變壓器繞組的熱點(diǎn)溫度限值為 140 ℃。變壓器油的熱點(diǎn)溫升極限為 105 ℃，變壓器日壽命損失不得超過 24h[12]。設(shè)實(shí)際負(fù)荷與額定負(fù)荷之比為K=S/Sn，則油和繞組的溫升的計(jì)算公式如下[12]：

任意負(fù)荷下，頂層油的溫升(最大值)為

(1)

式中:d為額定負(fù)荷下的短路損耗與空載損耗之比，約為2～6；x為計(jì)算油溫用的指數(shù)，對(duì)于自然油循環(huán)變壓器，x約為0.8；τy-km頂層油對(duì)空氣的允許溫升。

任意負(fù)荷下，繞組對(duì)油的溫升(最大值)為

(2)

式中：τr-km繞組對(duì)空氣的允許溫升；y計(jì)算油溫最熱點(diǎn)溫升用的常數(shù)，一般可取y=x。

在變壓器實(shí)際運(yùn)行過程中，負(fù)荷是不斷變化的，尤其是對(duì)于電氣化鐵路牽引負(fù)荷，負(fù)荷波動(dòng)劇烈，穩(wěn)態(tài)情況下的變壓器溫升計(jì)算公式并不適用。因此將變壓器暫態(tài)發(fā)熱等效為均勻?qū)w發(fā)熱，則任何瞬間t的溫升可用式(3)計(jì)算[10]。

(3)

式中：τ變壓器繞組或油對(duì)空氣的溫升；τs變壓器繞組或油對(duì)空氣的起始溫升；τw變壓器繞組或油的穩(wěn)定溫升；T發(fā)熱時(shí)間常數(shù)。

實(shí)際的負(fù)荷曲線各段持續(xù)的時(shí)間短，變壓器并不能在每段的較短的時(shí)間內(nèi)都達(dá)到穩(wěn)定值。在這種情況下，宜采用下式計(jì)算

(4)

所以第段結(jié)束時(shí)的溫升可用下式計(jì)算

(5)

變壓器的老化速度主要由其溫度決定，絕緣溫度越高，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行越快，變壓器使用年限越短。根據(jù)蒙特辛格關(guān)系式可以得到與溫度時(shí)間相關(guān)的變壓器壽命損失如下式。

Z=Ae-ρθ

(6)

式中：A為系數(shù)；ρ為常數(shù)；θ表示溫度(攝氏度)。

由此，當(dāng)θc表示實(shí)際繞組最熱點(diǎn)溫度，以國(guó)標(biāo)規(guī)定的取變壓器繞組最熱點(diǎn)溫度98℃作為變壓器基準(zhǔn)壽命損失?？梢缘玫阶儔浩鞯南鄬?duì)壽命損失率為

V=e0.693(θc-98)/6

(7)

利用上述變壓器溫升模型，可以計(jì)算出牽引變壓器隨牽引負(fù)荷每一段的溫升曲線，并根據(jù)每一段溫升曲線計(jì)算出相應(yīng)的壽命損失。

3同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式對(duì)牽引變壓器溫升與壽命損失影響分析

某牽引變電所A及B一天的負(fù)荷過程數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2　牽引變電所A與B實(shí)際負(fù)荷曲線Fig.2 Actual load diagram between A and B traction substation

饋線空載概率可由式(8)計(jì)算[2]。

(8)

式中：T全日時(shí)長(zhǎng)；Tg饋線帶電總時(shí)分。iF為饋線電流，帶電平均電流可用式(9)計(jì)算

(9)

帶電平均有效電流計(jì)算如下式

(10)

帶電有效系數(shù)為

(11)

帶電有效系數(shù)在一定程度上反映了負(fù)荷電流的波動(dòng)性，帶電有效系數(shù)越小，負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)分布越集中；帶電有效系數(shù)越大，負(fù)荷統(tǒng)計(jì)分布越離散。牽引變電所A和B對(duì)應(yīng)的饋線空載概率及帶電有效系數(shù)見表1.

表1A和B所空載概率與帶電有效系數(shù)

Table1Non-loadprobabilityandelectrificationeffectivecoefficientofAandB

空載概率帶電有效系數(shù)A0.40111.400B0.13651.237

由表1牽引變電所A與B相比，A空載概率高且?guī)щ娪行禂?shù)明顯高于B所，負(fù)荷波動(dòng)程度較B劇烈。

可以按照如下方法設(shè)計(jì)單三相組合式同相供電牽引變電所[9]。若短路容量為sd，三相電壓不平衡度限值為uε%，通過牽引變壓器的功率為sTMVA，通過同相補(bǔ)償裝置的功率為sCMVA，系統(tǒng)允許的負(fù)序功率為sεMVA,負(fù)荷過程提取的最大值為sMVA，則

sε=uεsd/100

(12)

(13)

根據(jù)牽引變壓器的過負(fù)荷倍數(shù)確定安裝容量，這里牽引變壓器取過負(fù)荷倍數(shù)kT=1.75，不考慮同相補(bǔ)償裝置過負(fù)荷能力。

由此可以得到兩牽引變電所A和B分別在2種運(yùn)行方式下，繞組最熱點(diǎn)溫差隨系統(tǒng)負(fù)序功率允許值的變化。牽引變電所A取負(fù)序功率允許值范圍為0-sA(A負(fù)荷過程最大值) ，牽引變電所B取負(fù)序功率允許值范圍為0-sB(B負(fù)荷過程最大值) ，負(fù)序功率允許值步長(zhǎng)為5MVA，則運(yùn)行方式造成的最熱點(diǎn)溫差隨系統(tǒng)允許負(fù)序功率的變化如圖3所示。

圖3　牽引變電所A與B溫差曲線Fig.3 Temperature difference diagram between A and B traction substation

由圖3可以得出，在負(fù)荷過程確定的情況下，

同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式造成的繞組最熱點(diǎn)溫差是隨系統(tǒng)的負(fù)序功率允許值變化的，即系統(tǒng)的短路容量與uε%之積。且曲線的變化趨勢(shì)類似于拋物線，擁有極大值點(diǎn)。

分別取牽引變電所A和B同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式造成溫差最大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的sε。由圖3可以得出當(dāng)sε A=7 MVA、sε B=7.5 MVA，變壓器繞組溫升受運(yùn)行方式影響最大。若空氣溫度為20℃，則A在2種運(yùn)行方式下變壓器油、繞組對(duì)油及繞組溫升曲線分別如圖4所示。按照同樣方式對(duì)B所進(jìn)行同相供電改造，則對(duì)應(yīng)的溫升曲線圖5所示。

根據(jù)圖4得出：1)牽引變壓器油溫受同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式的影響較大，在方式Ⅱ下變壓器油的溫度比方式Ⅰ減少了10.134 5 ℃。2)由繞組對(duì)油的溫升曲線可知，繞組對(duì)油的溫升最大值主要是受最大負(fù)荷影響，不受同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式的影響，但是同相補(bǔ)償裝置的運(yùn)行方式會(huì)影響繞組對(duì)油的平均溫升。3)由于繞組對(duì)油的溫升最大值基本不受運(yùn)行方式的影響，所以繞組溫度受運(yùn)行方式影響的主要原因是變壓器油的溫度易受運(yùn)行方式影響。

根據(jù)圖5與圖4對(duì)比得出，1)B所油溫受同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式影響明顯高于A所，在方式Ⅱ下變壓器油溫比方式Ⅰ減少了14.187 9 ℃。由A和B所實(shí)際負(fù)荷特性可知，負(fù)荷過程相對(duì)穩(wěn)定、空載概率低的牽引變電所油溫受同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式影響較大。2)由于同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式造成的變壓器油溫差與繞組對(duì)油的溫差變化曲線并不是完全同步的，因此繞組最熱點(diǎn)溫差并不一定就是油最大溫差與繞組對(duì)油的最大溫差之和。定義同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式影響的牽引變壓器繞組溫差占油溫差的比例為溫差利用率。A和B所繞組、油溫受同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式影響溫差及利用率見表2。

圖4　變電所A油、繞組對(duì)油與繞組溫升曲線Fig.4 Temperature of A traction transformer oil and winding

圖5　牽引變電所B油、繞組對(duì)油及繞組溫升曲線Fig.5 Temperature of A traction transformer oil winding to oil and winding

Table2TemperaturedifferenceandutilizationratiobetweenAandB

繞組最熱點(diǎn)溫差/℃油最熱點(diǎn)溫差/℃利用率/%A7.442910.134573.4B13.172414.187992.8

由表2可得牽引變電所A的溫差利用率明顯小于牽引變電所B。因此，空載概率與帶電有效系數(shù)較低的相對(duì)平穩(wěn)牽引負(fù)荷過程，在方式Ⅱ下變壓器油的溫升比較平穩(wěn)，繞組可以更好的利用同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式對(duì)變壓器油產(chǎn)生的溫差來降低最熱點(diǎn)溫度。

利用變壓器壽命損失模型計(jì)算得出，對(duì)應(yīng)的牽引負(fù)荷A和B的相對(duì)壽命損失率見表3。

表3　A與B所的相對(duì)壽命損失率

相對(duì)壽命損失模型中基準(zhǔn)壽命損失是變壓器在98℃下，壽命損失24h，因此變電所實(shí)際壽命損失為見表4.

表4　A與B所的實(shí)際壽命損失

由實(shí)際壽命損失可以發(fā)現(xiàn)，牽引變壓器實(shí)際的壽命損失是很小的，限制變壓器壽命損失利用的主要因素是牽引變壓器繞組最熱點(diǎn)溫度，通過同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式的選擇可以最大程度降低繞組最熱點(diǎn)溫度，從而提高牽引變壓器過負(fù)荷能力，充分利用其壽命損失來減少安裝容量。

因此根據(jù)系統(tǒng)的短路容量及負(fù)荷過程特性，合理選擇同相補(bǔ)償裝置的運(yùn)行方式，可以最大限度的減少牽引變壓器溫升造成的損失，從而為更好的利用牽引變壓器過負(fù)荷能力，提高牽引變壓器容量利用率，降低牽引變壓器的安裝容量，延長(zhǎng)同相補(bǔ)償裝置壽命，降低組合式同相供電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本。

4結(jié)論

1)在給定系統(tǒng)短路容量的情況下，同相補(bǔ)償裝置通過改變運(yùn)行方式可降低牽引變壓器繞組最熱點(diǎn)溫升。

2)同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式的改變影響牽引變壓器油溫、繞組對(duì)油的平均溫升及油的最大溫升而繞組對(duì)油的最大溫升不受影響，因此繞組最熱點(diǎn)的溫升受同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式影響程度主要取決于變壓器油溫對(duì)運(yùn)行方式的敏感程度。

3)同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式對(duì)繞組最熱點(diǎn)溫升的影響與負(fù)荷特性有關(guān)，空載概率越低、越平穩(wěn)的負(fù)荷過程，同相補(bǔ)償裝置在持續(xù)運(yùn)行方式下牽引變壓器繞組溫升相對(duì)于熱備方式下的繞組溫升將減少的越多。

4)根據(jù)牽引變電所負(fù)荷特性及系統(tǒng)短路容量，合理選擇同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式提升牽引變壓器過負(fù)荷能力及延長(zhǎng)同相補(bǔ)償裝置壽命，可以進(jìn)一步提升組合式同相供電經(jīng)濟(jì)性。

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The influence analysis of co-phase supply device operationmode on traction transformer

WANG Zhuo， LI Qunzhan

(SchoolofElectricalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，China)

Abstract:To discuss the influence of the co-phase supply device operation mode on the traction transformer temperature and life, the traction substation project was carried out to study the influence of co-phase supply device operation mode on the traction transformer life and winding, winding-oil and oil temperature rise. The research results show that the traction transformer temperature rise is reduced effectively, and that the life loss of the traction transformer is well used and the life of co-phase supply device is extended by choosing the appropriate co-phase supply device operation mode according to the characteristics of traction load and the short-circuit capacity.

Key words:co-phase supply device; operation mode; traction transformer; temperature rise; life

收稿日期：2015-11-11

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014J009-B)；中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(ZB08)

通訊作者：李群湛(1957-)，男，河北元氏人，教授，博士，從事電力系統(tǒng)分析，電氣化鐵道供電理論，電能質(zhì)量與控制的研究；E-mail：lq23431@263.net

中圖分類號(hào)：TM711

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)05-0958-06