牽引變電所采用110 kV和220 kV電壓等級(jí)供電分析

馬志遠(yuǎn)

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251）

牽引變電所采用110 kV和220 kV電壓等級(jí)供電分析

馬志遠(yuǎn)

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251）

以青榮城際鐵路城陽牽引變電所為基礎(chǔ)，從供電臂末端網(wǎng)壓、諧波、三相不平衡等技術(shù)方面對(duì)該牽引變電所采用110 kV和220 kV兩個(gè)電壓等級(jí)供電進(jìn)行分析。

城際鐵路；諧波；三相不平衡；電壓等級(jí)

青榮城際鐵路位于膠東半島中部地帶，連接了青島、煙臺(tái)、威海地區(qū)的主要城市，是半島城市群的重要聯(lián)絡(luò)通道，全長約300 km，動(dòng)車組運(yùn)行最高速度為250 km/h。全線新建城陽等6座牽引變電所，根據(jù)山東省電力集團(tuán)公司意見，除城陽牽引變電所外其余5座牽引變電所采用220 kV電壓等級(jí)供電，而城陽牽引變電所受條件限制，要求該牽引變電所采用110 kV電壓等級(jí)供電。

本文將從供電臂末端網(wǎng)壓、諧波、三相不平衡度等方面詳細(xì)分析城陽牽引變電所采用110 kV 和220 kV電壓供電技術(shù)指標(biāo)差異。

1 計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.1 動(dòng)車組主要技術(shù)參數(shù)

我國電氣化鐵路客運(yùn)專線及高速鐵路主要開行CRH系列動(dòng)車組，主要型號(hào)有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH380A、CRH380B等，本線設(shè)計(jì)采用CRH2、CRH3型動(dòng)車組。在不同網(wǎng)壓水平下，牽引傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)揮的性能不同，以CRH3為例，如圖1所示。

圖1 CRH3網(wǎng)壓與輪軸牽引功率的關(guān)系

動(dòng)車組功率、功率因數(shù)、諧波含量等參數(shù)見表1。

表1 動(dòng)車組主要技術(shù)參數(shù)

1.2 城陽牽引變電所供電方案

城陽牽引變電所位于青島樞紐內(nèi)，距城陽車站約5 km，該變電所為青島樞紐內(nèi)青榮城際鐵路、膠濟(jì)客專、貨單線3條線路供電。青榮城際鐵路近期追蹤間隔為4 min，遠(yuǎn)期為3 min，各條線路均采用帶回流線的直接供電方式，牽引變壓器采用三相VV接線，容量為 2×（31.5+31.5）MVA，青榮城際鐵路接觸網(wǎng)導(dǎo)線為JTM-120+ CTS-150，牽引網(wǎng)首端設(shè)置加強(qiáng)線，導(dǎo)線型號(hào)為LBGLJ-240。膠濟(jì)客專接觸網(wǎng)導(dǎo)線為JTM-95+CTA-120。

1.3 電力系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

城陽牽引變電所由山東電網(wǎng)的青島電網(wǎng)供電，根據(jù)電力部門相關(guān)報(bào)告，110 kV電壓等級(jí)供電方案由220 kV廣源站和220 kV空港站各出1回110 kV線路為城陽牽引變電所供電。220 kV電壓等級(jí)供電方案由220 kV黃埠嶺站和220 kV正陽站各出1回220 kV線路為城陽牽引變電所供電。各個(gè)站的短路容量見表2。

表2 各個(gè)變電站三相短路容量

2 供電臂末端網(wǎng)壓水平

牽引供電系統(tǒng)的電壓損失，包括電力系統(tǒng)電壓損失、牽引變壓器電壓損失和牽引網(wǎng)電壓損失。由于動(dòng)車組的工作電壓有一定的范圍，供電臂的平均電壓水平影響列車的運(yùn)行速度，以至將直接影響區(qū)段的通過能力和正常的運(yùn)輸生產(chǎn)。為了確保動(dòng)車組的正常運(yùn)行，在牽引供電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中，一般只計(jì)算嚴(yán)重的運(yùn)行條件下的最大電壓損失，根據(jù)動(dòng)車組的工作特性，在條件允許的情況下，受電弓最低電壓最好大于22.5 kV。

式中，ΔUmin為牽引網(wǎng)的電壓損失，kV；ΔUTmax為牽引變壓器的電壓損失，kV；ΔUs為電力系統(tǒng)的電壓損失，kV。

采用帶回流線的直接供電方式復(fù)線牽引網(wǎng)的電壓損失計(jì)算公式為

式中，Z1＇為計(jì)算列車方向牽引網(wǎng)單位等效阻抗，Ω／km；I1i為計(jì)算列車方向各區(qū)間列車帶電平均電流，A；l1i為計(jì)算列車方向各帶電列車與牽引變電所的距離，km；Z11＇為上、下行牽引網(wǎng)等效互阻抗，Ω／km；I1m為另一方向各區(qū)間列車帶電平均電流，A；l1m為輕負(fù)荷方向各帶電列車與牽引變電所的距離，km。

三相V/V接線變壓器最大電壓損失為

式中 ，Imax為供電臂最大電流；XT為變壓器電抗，Ω；φ為功率因數(shù)角。

電力系統(tǒng)的電壓損失為

式中，Xs為系統(tǒng)歸算至27 kV側(cè)系統(tǒng)阻抗，Ω。

根據(jù)公式（1）—（4）可以計(jì)算出供電臂末端最低網(wǎng)壓。本文以榮成方向供電臂為例，其中榮成方向供電臂最大電流為1 726 A，根據(jù)牽引能耗計(jì)算得出該段列車平均帶電電流約400～600 A,功率因數(shù)取0.95，110 kV牽引變電器短路阻抗取8.4%，220 kV牽引變電器短路阻抗取10.5%。牽引網(wǎng)單位等效阻抗為0.21Ω/km（帶加強(qiáng)線部分為0. 14Ω/km），互阻抗為0.06Ω/km（帶加強(qiáng)線部分為0.05Ω/km），分別計(jì)算出110 kV和220 kV供電條件下的末端最低網(wǎng)壓。

為降低110 kV電力系統(tǒng)電壓損失帶來的影響，110 kV牽引變壓器采用較低的短路阻抗比，使得兩個(gè)電壓等級(jí)供電的供電臂末端最低網(wǎng)壓均大于22.5 kV，可以較好地保證動(dòng)車組牽引傳動(dòng)性能的發(fā)揮。

3 諧波

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量－公用電網(wǎng)諧波》，公用電網(wǎng)諧波電壓限值110 kV電壓總諧波畸變率不超過2%，各奇次諧波電壓含有率不超過1.6%，各偶次諧波電壓含有率不超過0.8%。結(jié)合該標(biāo)準(zhǔn)附錄C及各公共連接點(diǎn)母線的最小短路情況等，可得城陽牽引變電所注入系統(tǒng)的諧波電流允許值，見表3。

表3 注入系統(tǒng)的諧波電流允許值 A

a）諧波電壓計(jì)算。

n次諧波電壓含有率近似計(jì)算公式為

式中，n為諧波次數(shù)，由主變壓器原邊三相繞組流入電力系統(tǒng)的n次諧波電流，Sk為系統(tǒng)短路容量。

諧波電壓總畸變率計(jì)算

b）諧波電流計(jì)算。

供電臂中有多列列車存在時(shí)，諧波量的疊加簡化計(jì)算方法如下。

式中，m為供電臂中95%概率車數(shù)（m＞1）；If為供電臂中列車帶電平均電流；K3為動(dòng)車組3次諧波含量百分值。

式中，Kn為動(dòng)車組n次諧波含量百分值。

諧波電壓總畸變率和注入電網(wǎng)的各次諧波電流計(jì)算值見表4。

表4 諧波電壓總畸變率和注入電網(wǎng)的各次諧波電流值

牽引負(fù)荷引起的電壓總畸變率與短路容量成反比，由于220 kV系統(tǒng)短路容量大，且在同樣牽引負(fù)荷下220 kV電壓等級(jí)供電的牽引變電所向電網(wǎng)注入各次諧波電流為110 kV供電的1/2，允許注入電網(wǎng)的各次諧波電流值一般也比110 kV大。由上述計(jì)算結(jié)果也可看出，牽引變電所采用220 kV電壓等級(jí)供電對(duì)電力系統(tǒng)諧波的影響明顯小于110 kV電壓等級(jí)供電。

4 三相不平衡度

相間單相負(fù)荷引起負(fù)序電壓不平衡度為ε=S2/ Sk×100%，S2為牽引負(fù)荷最大負(fù)序功率（Kl=1），計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 各公共連接點(diǎn)母線三相電壓不平衡度

依據(jù)GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量三相電壓不平衡》中4.2要求：接于公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶引起該點(diǎn)負(fù)序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時(shí)不超過2.6%。采用110 kV電壓等級(jí)供電超過一般允許值，但未超過短時(shí)最大值?？紤]計(jì)算值為最惡劣的工況，即一個(gè)供電臂滿載，另一供電臂空載，建議電力部門使用短時(shí)值進(jìn)行考核。

5 結(jié)論

由上述對(duì)比分析可知，從技術(shù)指標(biāo)上看，城陽牽引變電所采用220 kV電壓等級(jí)供電大大優(yōu)于110 kV電壓等級(jí)供電，對(duì)電力系統(tǒng)的諧波、負(fù)序影響均較小。從供電質(zhì)量、供電能力及對(duì)電力系統(tǒng)影響等考慮高速鐵路牽引變電所應(yīng)采用220 kV電壓等級(jí)供電。這也驗(yàn)證了國家電網(wǎng)《電氣化鐵路牽引站接入導(dǎo)則（試行）》5.2供電電壓等級(jí)規(guī)定“重載、客運(yùn)專線原則采用220 kV供電，個(gè)別不具備條件時(shí)，可采用110 kV供電”和高速鐵路規(guī)范TB 10621—2014中規(guī)定“供電電源應(yīng)采用220 kV或以上電壓等級(jí)，電力系統(tǒng)供電質(zhì)量應(yīng)符合國家相關(guān)規(guī)定”的正確性。

Analysis on the Power Supply Involving the Voltage Level of 110 kV and 220 kV in a Traction Substation

MA Zhiyuan

（The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin 300251,China)

Based on Qingdao-Rongcheng railway Chengyang traction substation,the power supply situations involving the voltage levelsof110 kV and 220 kV areanalyzed from the aspectsof terminalvoltage,harmonic,and three-phaseunbalance.

inter-city railway;harmonic;three-phaseunbalance;voltage level

TM74

B

1671-0320（2016）05-0064-03

2016-07-08，

2016-08-20

馬志遠(yuǎn)（1982），男，天津人，2008年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，從事電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。