貫通式同相供電方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

蔣 俊，解紹鋒，李銷鍵，周彤昕

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貫通式同相供電方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

蔣 俊，解紹鋒，李銷鍵，周彤昕

貫通式同相供電采用單相供電，變電所內(nèi)采用的結(jié)構(gòu)為牽引變壓器+同相供電補(bǔ)償裝置，取消了牽引變電所出口處和牽引網(wǎng)上的電分相。貫通供電時(shí)，相鄰變電所可以同時(shí)向牽引網(wǎng)內(nèi)的機(jī)車供電。本文分析了牽引變電所近期和遠(yuǎn)期的可靠性，比較了備用度不同時(shí)牽引供電系統(tǒng)在可靠性方面的差異。進(jìn)一步分析滿足雙邊供電時(shí)，2個(gè)和3個(gè)變電所上分流系數(shù)和牽引網(wǎng)上的功率損耗變化情況，最后得出貫通式同相供電補(bǔ)償裝置的控制策略。

同相供電；可靠性分析；雙邊供電；貫通式同相供電

0 引言

目前，我國(guó)電氣化鐵路采用單相工頻交流制式，牽引負(fù)荷的非線性特性導(dǎo)致變電所需要采用換相連接來(lái)降低三相不平衡度。同時(shí)牽引變電所出口和分區(qū)所處設(shè)置了電分相，列車經(jīng)過(guò)電分相時(shí)造成列車速度和牽引力損失，這不僅不利于司機(jī)的操作，也嚴(yán)重影響和制約我國(guó)鐵路行業(yè)的發(fā)展。本文主要研究?jī)?yōu)化牽引變電所組合式同相供電方案，取消變電所出口處的電分相，減少負(fù)序。采用貫通式同相供電方案能最大限度地減小牽引變壓器容量，提高牽引供電系統(tǒng)可靠性，節(jié)約供電系統(tǒng)的投入資金。

1 牽引變電所同相供電技術(shù)綜述

1.1 既有同相供電方案

我國(guó)電氣化鐵路從三相電力系統(tǒng)取電輸送到牽引變電所，采用50 Hz單相交流電供電。分區(qū)所的設(shè)置目的是使機(jī)車在牽引網(wǎng)中更加靈活可靠的運(yùn)行，電分相一般設(shè)置在變電所出口處和牽引網(wǎng)上。圖1為既有供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 既有供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 組合式同相供電方案

組合式同相供電是在變電所內(nèi)采用單相牽引變壓器+交直交變流器組合的一種供電方式。

單相組合式同相供電系統(tǒng)主要由單相變壓器和同相供電補(bǔ)償裝置構(gòu)成，如圖2、圖3所示。其中，同相供電補(bǔ)償裝置CPD由高壓匹配變壓器HMT、交直交變流器ADA和牽引匹配變壓器TMT三部分組成。其供電原理為：牽引變壓器TT和高壓匹配變壓器HMT構(gòu)成了一個(gè)不等邊的Scott變壓器，相當(dāng)于是一種2端口供電容量電壓幅值不相等，但電壓相位相互垂直的特殊接線形式的平衡變壓器。

圖2 單三相組合式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 單相組合式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 同相供電補(bǔ)償裝置容量的優(yōu)化配置策略

/()系統(tǒng)含有個(gè)元件，當(dāng)個(gè)元件有不少于個(gè)元件正常工作時(shí)，默認(rèn)此時(shí)系統(tǒng)能正常工作。當(dāng)出現(xiàn)故障元件數(shù)≤-時(shí)，系統(tǒng)能正常工作，當(dāng)系統(tǒng)中故障元件數(shù)＞-時(shí)，系統(tǒng)不能正常工作，可以等效為/()模型。其中，一個(gè)元件正常工作的概率為，不能正常工作的概率為，設(shè)故障率為，可得= e-和= 1-e-。由/()可靠性模型分析法可以得到系統(tǒng)的可靠度為

2.1 未加同相供電補(bǔ)償裝置的變電所可靠性分析

本文研究采用/可靠性模型分析法。在變流器單元采用15級(jí)聯(lián)的變流器模塊級(jí)聯(lián)的前提下，只要正常工作的變流器模塊數(shù)量≥13個(gè)，則默認(rèn)該變流器單元能正常工作（即13/15系統(tǒng)），進(jìn)而可以得到整個(gè)變流器單元的可靠度1，可以繪制出相應(yīng)的單個(gè)變流器單元可靠性曲線圖，且可以看出不同年限可靠性的變化，如圖4。其中，單個(gè)變流器單元的可靠度參數(shù)如表1所示。

表1 單個(gè)變流器單元的可靠度

2.2 牽引變電所近期和遠(yuǎn)期的可靠性分析

通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算，得到牽引變電所總?cè)萘繛?7 MV·A，其中牽引變壓器的設(shè)計(jì)容量為25 MV·A，補(bǔ)償裝置的容量設(shè)為12 MV·A。在牽引變電所正常工作時(shí)，需要保證至少有2個(gè)變流器單元可正常工作。以下分別對(duì)2+2、3+1的變流器單元進(jìn)行可靠性分析。

平均無(wú)故障工作時(shí)間為

（2）遠(yuǎn)期可靠性分析：同相供電補(bǔ)償裝置采用3個(gè)變流器單元工作，1個(gè)備用，即3/4系統(tǒng)，并且4個(gè)變流器至少要有3個(gè)能正常工作。其可靠度為

平均無(wú)故障工作時(shí)間為

由上述分析可知：在同等條件下，含同相供電補(bǔ)償裝置的供電系統(tǒng)可靠度更高，平均正常工作的概率更大。綜合考慮供電系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性2個(gè)因素，在變電所中加裝同相供電補(bǔ)償裝置更適合電氣化鐵路的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

3 貫通式同相供電系統(tǒng)補(bǔ)償裝置控制策略

本文研究的貫通式同相供電系統(tǒng)是由組合式同相供電技術(shù)結(jié)合新型雙邊供電技術(shù)構(gòu)成。雙邊供電技術(shù)的運(yùn)用使整條牽引網(wǎng)上電壓相同，實(shí)現(xiàn)了整條線路上的貫通供電。圖5為基于單三相貫通式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖5 基于單三相貫通式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 2個(gè)變電所分流系數(shù)變化曲線

運(yùn)用Matlab計(jì)算分流系數(shù)以及列車與所離開(kāi)的牽引變電所之間距離的關(guān)系。牽引變電所和分區(qū)所分別設(shè)置于= 0 km，= 25 km和= 50 km處（圖7），可以得到3個(gè)變電所上的分流系數(shù)變化曲線（圖8），且當(dāng)串聯(lián)不同的電抗器時(shí)，變電所上對(duì)應(yīng)的分流系數(shù)變化也不同。

圖7 3個(gè)變電所采用雙邊供電方案示意圖

圖7左邊是3個(gè)變電所采用雙邊供電時(shí)的供電方案示意圖，右邊是其等效電路圖。列車從第一個(gè)變電所行駛到第三個(gè)變電所，3個(gè)變電所上的電流分別為1、2和3，3個(gè)變電所上的分流系數(shù)分別為1p、2p和3p。

圖8 3個(gè)變電所分流系數(shù)變化曲線

由圖8的曲線可以看出，牽引變電所1的分流系數(shù)和變電所3的分流系數(shù)是關(guān)于50 km對(duì)稱的，即列車運(yùn)行到km處（0＜＜50）與列車運(yùn)動(dòng)到（100-）km處時(shí)，牽引變電所1和3的分流系數(shù)大小相同，且牽引變電所2的分流系數(shù)也是關(guān)于50 km對(duì)稱的。

圖9為變電所的功率損耗變化曲線圖。由圖9可知，牽引網(wǎng)上的功率損耗是一個(gè)從最大到最小再到最大的變化過(guò)程，機(jī)車在距變電所0 km和50 km處，功率損耗最大，為2.2 MV·A；當(dāng)列車運(yùn)行到分區(qū)所處，即25 km處時(shí)，牽引網(wǎng)上的功率損耗最小，為0.28 MV·A。

圖9 變電所的功率損耗變化曲線

4 結(jié)論

（1）貫通式同相供電系統(tǒng)比異相供電牽引系統(tǒng)需要的變壓器容量更小。

（2）對(duì)于異相供電而言，正常運(yùn)行時(shí)，列車從距離最近的牽引變電所取電，當(dāng)供電的變電所出現(xiàn)故障退出運(yùn)行時(shí)，則距離較近的另一個(gè)變電所與出現(xiàn)故障的變電所之間的分區(qū)所連通為列車供電，從而保證列車的運(yùn)行；貫通式同相供電時(shí)，牽引網(wǎng)上的列車從所有牽引變電所取電，并且保持“近者多分，遠(yuǎn)者少分”的原則，由于全線貫通供電，若靠近列車運(yùn)行的變電所出現(xiàn)故障，則相當(dāng)于為列車供電的最近2個(gè)變電所之間的牽引網(wǎng)變長(zhǎng)，且鄰近的牽引變電所提供更多的負(fù)荷功率，可見(jiàn)貫通式同相供電時(shí)容量分配更均勻。

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Single phase power supply is adopted for through co-phase power supply, the structure of traction transformer plus co-phase power supply compensation devices is adopted in substation, and phase breaks on exit of traction substation and on traction network are able to be cancelled. During through power supplying, the neighboring substations can feed power simultaneously to locomotives inside traction network. The paper analyzes short-term and long-term reliabilities of traction substation, compares differences on reliabilities of traction power supply systems for which different types of standby redundancy are provided. Further analyzing is made for current division factors of 2 or 3 substations and variations of power loss of traction network when requirements for bilateral power supply are met. The control strategies for through co-phase power supply compensation devices are obtained finally.

Co-phase power supply; reliability analysis; bilateral power supply; through co-phase power supply

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.008

U223.5+1

A

1007-936X(2017)05-0031-04

蔣 俊.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生，研究方向：牽引供電系統(tǒng)供電理論、電能質(zhì)量與控制。解紹鋒.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，教授；李銷鍵，周彤昕.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生。

2016-11-28