牽引變壓器安全經(jīng)濟運行策略與調(diào)控方法研究

賴惠鴿

(寧夏大學機械工程學院，寧夏銀川750021)

牽引變壓器安全經(jīng)濟運行策略與調(diào)控方法研究

賴惠鴿

(寧夏大學機械工程學院，寧夏銀川750021)

牽引變壓器是牽引供電系統(tǒng)的關(guān)鍵組分，其運行狀態(tài)的健康與否直接決定電氣化鐵路牽引供電網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性、供電質(zhì)量和經(jīng)濟效益；同時影響著電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量?；诖?，從安全保護、在線監(jiān)測與故障診斷、經(jīng)濟運行與調(diào)控等方面對我國牽引變壓器的研發(fā)、應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題進行了綜合性的闡述和分析；并指出：深入研究牽引負荷特性與潮流分布，優(yōu)化運行方式、合理進行保護配置和容量選擇，積極探索同相供電策略的可行實施方法，構(gòu)建智能化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)支持下的堅強型牽引供電系統(tǒng)，能夠有力促進牽引變壓器的安全經(jīng)濟運行，是電氣化鐵路牽引供電技術(shù)的主要發(fā)展方向。

牽引變壓器；安全保護；在線監(jiān)測；經(jīng)濟運行，電氣化鐵路

牽引變壓器是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的關(guān)鍵組分，主要用于降壓、分相并為牽引負荷供電[1]，其運行狀態(tài)的健康與否直接決定牽引供電網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性、供電質(zhì)量和經(jīng)濟效益；同時影響著電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量[2]。隨著高速鐵路牽引負荷量的迅猛增長，對牽引變壓器的設(shè)計與應(yīng)用提出了更高要求，需要我們深入研究牽引負荷特性與潮流分布，優(yōu)化運行方式、合理進行牽引變壓器的保護配置和容量選擇，積極推進鐵路和電力系統(tǒng)協(xié)同解決在管理、技術(shù)、運行標準等方面的差異[3]，構(gòu)建起智能化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)支持下的堅強型牽引供電系統(tǒng)，有效提升電能質(zhì)量?；诖?，本文從安全保護、在線監(jiān)測與故障診斷、經(jīng)濟運行策略與調(diào)控方法等方面對我國牽引變壓器的研發(fā)、應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題進行了綜合性的闡述和分析，總結(jié)并提出了電氣化鐵道牽引供電技術(shù)的主要發(fā)展方向。

1 牽引變壓器的安全保護

為適應(yīng)電力機車或動車組這一單相負荷的供電需求，常采用V/v、V/x、Scott等特殊接線的牽引變壓器完成三相電力系統(tǒng)到兩相牽引供電系統(tǒng)的電能變換[4-5]。目前，較為推崇的是自耦變壓器(auto-transformer，AT)供電方式[6]。

由于牽引變壓器對整個電氣化鐵路的安全運行起決定性作用，依油箱內(nèi)、外故障及不正常運行狀態(tài)的具體內(nèi)容，通常設(shè)置瓦斯、壓力、溫度、油位等非電量保護和差動、過流、過負荷、備用變自投入等電量保護。這些保護均按階梯原則進行配合，而瓦斯保護和差動保護為主保護[7-8]。從設(shè)計角度而言，短路阻抗計算、繞組熱點溫度控制、抗短路強度的提升和耐沖擊能力是關(guān)鍵[9-10]。

劉淑萍[4]針對傳統(tǒng)牽引變壓器過流保護靈敏度較低的缺陷以及低壓啟動過流保護存在拒動的可能，構(gòu)建了適于Scott變壓器后備保護的阻抗繼電器。周昌松[7]指出，高速鐵路列車運行特點導(dǎo)致主變壓器保護動作時限整定較長，而反時限過流保護的自適應(yīng)性可同時滿足靈敏度和動作范圍的要求。王思華[8]認為影響三相牽引變壓器微機差動保護速動性的根本問題是如何有效識別勵磁涌流，引入模糊判據(jù)較為有效。湯大海[11]關(guān)于V/x接線牽引變壓器短路時的測量阻抗分析，對國內(nèi)220 kV高速鐵路牽引線路距離保護的整定有一定指導(dǎo)意義。劉興學[12]建議在電力系統(tǒng)側(cè)優(yōu)先配置雙套光纖電流差動保護作為全線速動主保護，220 kV牽引變電壓器及饋線配置熱過負荷保護替代傳統(tǒng)定時限過負荷保護。

此外，郭劍[13]、楊天平[14]通過對直流接地及入地電流的分析，認為接地系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是確定設(shè)計區(qū)域的入地電流，牽引變壓器的直流偏磁應(yīng)予以重點關(guān)注，而線圈高阻抗和阻抗平衡技術(shù)、繞組間全退耦技術(shù)以及高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用代表了牽引變壓器的技術(shù)發(fā)展趨勢[15]。

2 在線監(jiān)測與故障診斷

牽引變壓器的健康狀況直接影響著牽引供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。電氣化鐵路負荷的不對稱性、移動性、非線性和波動性特征[16]，以及牽引變壓器容量配置與接線方式的多樣性，決定了牽引變壓器運行狀態(tài)的復(fù)雜性和在線監(jiān)測的必要性。

目前，牽引變壓器在線監(jiān)測的主要狀態(tài)量包括[17]：繞組輸出電壓、電流，繞組溫度，鐵芯溫度，油量、油位、油溫，內(nèi)部局部放電等。除油色譜分析、油中溶解氣體分析、頻譜分析、局部放電法等常用監(jiān)測方法外，融合了人工智能理論的綜合性故障診斷方法成為研究熱點。

周利軍[18]針對V/x接線牽引變壓器，提出一種短路電抗在線監(jiān)測方法，有助于繞組變形狀態(tài)的判斷。高松[19]則通過實例仿真，驗證了基于模型診斷和專家系統(tǒng)的牽引變壓器故障診斷方法的有效性。阮羚[20]建議將在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與狀態(tài)評估有機結(jié)合，并應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Dempster-Shafer證據(jù)理論構(gòu)建了多信息融合的變壓器綜合狀態(tài)評估模型。程宏波[21]提出的基于分層免疫原理的高鐵牽引供電系統(tǒng)健康監(jiān)測與評估模型，有利于系統(tǒng)運行趨勢的預(yù)測。章健軍[22]將故障狀態(tài)信號與模糊理論相結(jié)合，通過比對設(shè)備狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)和案例，以最大相似度原則進行故障研判。

在網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建方面，劉新輝[23]提出一種基于混合式無線傳感網(wǎng)的變壓器實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以期提高系統(tǒng)的可靠性、容錯性和魯棒性。景小兵[24]設(shè)計了一種基于ARM的接觸網(wǎng)絕緣子泄露電流在線監(jiān)測裝置。牟龍華[25]新建了IEC 61850標準中未定義的鐵心接地電流監(jiān)測邏輯節(jié)點。以DWSN(distributed wireless sensor network)為基礎(chǔ)的變壓器分布式多參數(shù)在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，有可能成為新的技術(shù)發(fā)展方向[22]，對網(wǎng)絡(luò)化、智能型牽引變壓器運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)有積極的借鑒意義。

3 經(jīng)濟運行與調(diào)控

3.1 容量與過負荷能力

牽引變壓器的容量與過負荷能力直接影響線路運量和運行成本。游廣增[26]指出，選配牽引變壓器應(yīng)考慮牽引負荷特性及其對電力系統(tǒng)的影響、牽引變壓器容量利用率等因素進行綜合技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。李亞楠[27]通過改變既有牽引變壓器繞組的連接方式來提高變壓器容量利用率。張芳[28]認為，依據(jù)線路負荷特性合理確定牽引變壓器過負荷倍數(shù)和車流排放方案，可充分發(fā)揮牽引變壓器的過負荷能力。許冰[29]就京哈鐵路北京至秦皇島段2008—2009年實施的所內(nèi)變壓器更換、牽引網(wǎng)進行相應(yīng)配套升級的增容改造方案進行實例分析，證明該方案滿足運量增大后線路牽引負荷的要求。

3.2 經(jīng)濟運行策略與調(diào)控方法

在保證牽引變壓器安全、可靠運行的基礎(chǔ)上，優(yōu)化運行方式使之與牽引負荷的分布相匹配[30]，通過改善運行條件延長其使用壽命并降低電能損耗，是牽引變壓器經(jīng)濟運行的主要內(nèi)容。

在降低壽命損失方面，陳民武[31]根據(jù)熱改性絕緣紙老化率動態(tài)評估牽引變壓器的壽命損失，提出一主三備的配置優(yōu)化方案。黃曉峰[32]基于IEEE負載導(dǎo)則提供的等值老化模型，實現(xiàn)了變壓器運行年限的預(yù)測。栗然[33]建立了包含環(huán)境成本和社會責任成本在內(nèi)的變壓器全壽命周期成本模型。姜益民[34]壽命管理思想應(yīng)用到變壓器和其他相關(guān)設(shè)備中，以提高變壓器的可維修性。朱柳慧[35]綜合熱點溫度隨環(huán)溫、負荷的變化規(guī)律，用二分搜索法獲取最佳運行方式切換時間，有效提高變壓器運行的經(jīng)濟性并保證了安全性。

在降低電能損耗方面，蔡超[36]以牽引變壓器一次側(cè)母線三相不平衡度滿足國家標準為約束，提出一種電磁混合式高鐵無功、負序綜合補償系統(tǒng)。朱小軍[37]通過調(diào)節(jié)變壓器低壓側(cè)的母線電壓來調(diào)節(jié)濾波器無功出力的動態(tài)補償措施，提出了“3次固定濾波器＋3次可調(diào)濾波器”的補償方案。張志文[38]給出了適合高速電氣化鐵路的負序與諧波統(tǒng)一治理方法及基于變壓器感應(yīng)濾波技術(shù)的治理方案，期望以較低的成本提升電能質(zhì)量。

在調(diào)度優(yōu)化方面，選取最佳運行方式，按經(jīng)濟運行原則進行負荷調(diào)整，使變壓器損耗得到最大限度的降低則是變壓器經(jīng)濟運行的基本含義[39]。調(diào)度自動化系統(tǒng)還可對網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)和潮流的分布進行優(yōu)化進而實現(xiàn)電網(wǎng)的經(jīng)濟運營；其中，變壓器的經(jīng)濟運行對電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟運行有著重要作用[40]。

3.3 關(guān)于同相供電技術(shù)的探討

近年來，基于平衡變壓器和綜合潮流控制器(integrated power flow controller,IPFC)的同相供電技術(shù)成為研究熱點[41]。

同相供電系統(tǒng)將牽引變壓器和對稱補償裝置相結(jié)合，實現(xiàn)三相到單相的對稱變換，在解決電氣化鐵路諧波、無功、負序電流問題的同時，可消除牽引網(wǎng)的電分相問題；采用不同接線方式的牽引變壓器可以實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的同相供電系統(tǒng)；有利于高速、重載牽引時的安全可靠經(jīng)濟運行，是電氣化鐵路電能質(zhì)量治理較理想的措施[42]。李群湛[6]建議研究三相接入電力系統(tǒng)的平衡接線變壓器,以便今后同相(無分相)改造,另一方面亦能與單相變電所實現(xiàn)同相供電；進而提出最小補償容量的同相供電方案。

4 結(jié)束語

牽引變壓器運行狀態(tài)的健康與否直接決定電氣化鐵路牽引供電網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性、供電質(zhì)量和經(jīng)濟效益。本文從安全保護、在線監(jiān)測與故障診斷、經(jīng)濟運行與調(diào)控等方面對我國牽引變壓器的研發(fā)、應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題進行了綜合性的闡述和分析。

綜合而言，深入研究牽引負荷特性與潮流分布，優(yōu)化運行方式、合理進行保護配置和容量選擇，積極探索同相供電策略的可行實施方法，構(gòu)建智能化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)支持下的堅強型牽引供電系統(tǒng)，能夠有力促進牽引變壓器的安全可靠與經(jīng)濟運行，是電氣化鐵路牽引供電技術(shù)的主要發(fā)展方向。

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Safe and economic operation of traction transformer considering control methods

Traction transformer was the key part of the traction power supply system,which running states whether healthy or not would determine the security and reliability,the power quality and economic efficiency of traction power supply,simultaneously affected the power quality of the power system.Then,comprehensive exposition and analysis was given, including our research and development, application status and existing problems of the traction transformer,which from security and protection,online monitoring and fault diagnosis,economic operation and control,etc.Finally,a major development direction of electrified railway traction power supply technology was given that studying the traction load characteristics and power flow distribution thoroughly,optimizing the operation mode, protection configuration and capacity legitimately selecting, exploring the possible implementation methods of co-phase traction power supply strategy,and building a strong traction power supply systems supported by intelligent monitoring network.It could be used to promote safe and economical operation of traction transformer effectively.

traction transformer;security and protection;online monitoring;economic operation;electrified railway

TM 922

A

1002-087 X(2016)03-0746-03

2015-10-30

寧夏自然科學基金資助項目(NZ12139)

賴惠鴿(1971—)，女，浙江省人，教授，主要研究方向為電工技術(shù)、鐵道電氣自動化。