電氣化鐵路同相供電技術(shù)工程應(yīng)用方案研究

楚振宇，魏宏偉，周 娟

電氣化鐵路同相供電技術(shù)工程應(yīng)用方案研究

楚振宇，魏宏偉，周 娟

基于山西中南部通道鐵路重載試驗(yàn)段沙峪牽引變電所，對(duì)同相供電技術(shù)的工程應(yīng)用方案進(jìn)行了深入研究，從主接線方案、運(yùn)行方式、設(shè)備選型及總平面布置、保護(hù)配置等方面進(jìn)行了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)合工程實(shí)際確定了單三相組合接線同相供電技術(shù)的工程應(yīng)用方案，為同相供電技術(shù)進(jìn)入工程應(yīng)用領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。

同相供電；主接線；輔助供電；保護(hù)

0 引言

電氣化鐵路同相供電技術(shù)是新一代牽引供電系統(tǒng)的核心技術(shù)[1]，該技術(shù)可避免機(jī)車(chē)在過(guò)電分相時(shí)因開(kāi)關(guān)切換引起的暫態(tài)過(guò)電壓和過(guò)電流等對(duì)車(chē)載設(shè)備和供電設(shè)備造成不良影響，提高高速、重載列車(chē)運(yùn)行的安全性和可靠性，改善交直交型列車(chē)再生制動(dòng)電能的利用效果，在高速、重載和市域鐵路等領(lǐng)域具有較大發(fā)展?jié)摿2～4]。筆者團(tuán)隊(duì)繼在眉山牽引變電所成功進(jìn)行了該技術(shù)的驗(yàn)證性試驗(yàn)后，依托我國(guó)第一條30 t軸重重載鐵路——山西中南部通道鐵路沙峪牽引變電所，繼續(xù)深入開(kāi)展了同相供電技術(shù)的工程應(yīng)用方案研究，為同相供電技術(shù)真正進(jìn)入工程應(yīng)用領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。

1 電氣原理接線方案研究

同相供電裝置的原理接線方案研究包括高壓電氣主接線、變流系統(tǒng)接線和輔助用電系統(tǒng)接線3大部分。

1.1 高壓電氣主接線方案

電氣化鐵路列車(chē)的移動(dòng)特性決定了牽引負(fù)荷具有三相不平衡（負(fù)序）的固有特征。為徹底改善牽引負(fù)荷的負(fù)序影響，同相供電系統(tǒng)高壓側(cè)主接線采用組合式三相/二相平衡接線[5、6]方案。結(jié)合目前電氣設(shè)備的成熟度，本次研究針對(duì)單三相組合式平衡接線和組合斯科特平衡接線2種方案進(jìn)行比較。2種方案的電氣主接線分別見(jiàn)圖1和圖2。

由圖1可見(jiàn)，單三相組合式接線方案高壓側(cè)由單相Ii接線牽引變壓器和YNd11接線高壓匹配變壓器組合而成，其中單相Ii接線跨接在電力系統(tǒng)B、C兩相之間取得BC相電壓，低壓側(cè)輸出電壓2×27.5 kV，構(gòu)成牽引供電的主供支路；YNd11接線高壓匹配變壓器低壓側(cè)輸出電壓為10 kV，取系統(tǒng)A相電壓連接變流系統(tǒng)并輸出電壓2×27.5 kV，構(gòu)成牽引供電的同相補(bǔ)償支路；主供支路的BC相和同相供電支路的A相構(gòu)成二相平衡系統(tǒng)。同相供電支路的設(shè)備容量視負(fù)序補(bǔ)償目標(biāo)而定。

由圖2可見(jiàn)，組合斯科特接線方案由2臺(tái)單相接線變壓器組合而成，其中1臺(tái)高低壓側(cè)均帶中間抽頭，為斯科特接線中的T座變壓器，低壓側(cè)輸出電壓為2×27.5 kV，構(gòu)成主供支路；另1臺(tái)單相變壓器高壓側(cè)連接系統(tǒng)A相和T座變壓器高壓側(cè)中間抽頭，構(gòu)成M座變壓器，低壓側(cè)輸出電壓為10 kV，經(jīng)變流器輸出電壓2×27.5 kV，構(gòu)成同相供電支路；高壓側(cè)構(gòu)成斯科特接線平衡系統(tǒng)。M座變壓器安裝容量可視補(bǔ)償需要選定。

圖1 單三相組合式電氣主接線

圖2 組合斯科特電氣主接線

2種方案相比，單三相組合方案中所有設(shè)備均為成熟設(shè)備，但由于高壓匹配變壓器采用YNd11接線且低壓側(cè)為單相負(fù)荷，容量利用率較低，變壓器安裝容量總體較大；組合斯科特接線方案變壓器安裝容量較小，容量利用率高，但T座變壓器需要重新研制，2臺(tái)變壓器不能獨(dú)立運(yùn)行；同時(shí)單三相組合方案自帶三相10 kV供電系統(tǒng)，在輔助用電功能設(shè)計(jì)中優(yōu)勢(shì)明顯。

綜合技術(shù)成熟度、輔助用電等各方面因素，工程應(yīng)用優(yōu)先選用單三相組合式接線方案。

1.2 變流同相系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沙峪牽引變電所總牽引負(fù)荷為50 MV·A。根據(jù)沙峪牽引變電所外部電源條件和同相供電設(shè)備投資情況，確定負(fù)序補(bǔ)償度為40%，則其同相供電設(shè)備容量確定為10 MV·A。

電氣化鐵路牽引變電所高壓側(cè)通常采用固定備用方式，因此在沙峪牽引變電所設(shè)計(jì)中，同相供電支路亦采用固定備用方式，與主供支路同步投切。

同相供電變流器采用由IGBT構(gòu)成的，可四象限運(yùn)行的單相交直交變流器，其中一側(cè)保持各模塊間直流電壓穩(wěn)定，另一側(cè)實(shí)現(xiàn)一定流向和大小的功率傳輸，完成有功功率的雙向傳輸及單側(cè)的無(wú)功、諧波補(bǔ)償?shù)裙δ?。雖然電力電子器件和模塊的成本大幅下降，但由于工作電壓較低，大容量變流器依然價(jià)格不菲；同時(shí)電力電子裝置長(zhǎng)時(shí)間空閑容易引發(fā)故障，因此有必要延長(zhǎng)變流器的工作時(shí)間，充分發(fā)揮變流器功能，從而最大限度地利用工程投資。

沙峪牽引變電所同時(shí)具有220 kV、27.5 kV、10 kV三級(jí)母線，運(yùn)行方式較為復(fù)雜，在變流系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，2個(gè)同相支路之間設(shè)置了10 kV母線，2組同相變流裝置既能同時(shí)并列運(yùn)行，亦能形成固定備用方式，靈活性大大增強(qiáng)。

1.3 輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

同相供電變流器采用強(qiáng)制風(fēng)冷方式，風(fēng)冷系統(tǒng)主要包括功率模塊散熱器、柜體散熱風(fēng)機(jī)、CPD室內(nèi)散熱系統(tǒng)，輔助用電負(fù)荷較大，每組同相變流裝置的輔助用電約為160 kV·A，總負(fù)荷大大超過(guò)了常規(guī)變電所日常交流負(fù)荷100 kV·A。

常規(guī)牽引變電所從電力貫通線獲取10 kV所用電源，累計(jì)同相供電裝置用電后，負(fù)荷需求超過(guò)400 kV·A，超過(guò)了電力貫通線的單點(diǎn)供電能力。為保證整座變電所的所用電，必須從沿線單獨(dú)引接10 kV電源，投資高達(dá)300萬(wàn)元，同時(shí)存在征地拆遷等一系列施工難題。

而采用單三相組合式接線使變電所自帶10 kV電壓，幾百kV·A的用電負(fù)荷對(duì)于安裝容量上萬(wàn)的高壓匹配變壓器而言微不足道。因此在10 kV母線上設(shè)置配電變壓器，專門(mén)向同相變流裝置供電，大大節(jié)約了工程投資，且降低了實(shí)施難度。

2 設(shè)備選型與總平面布置

圖1中，沙峪牽引變電所包含220 kV、2×27.5 kV、10 kV三種電壓等級(jí)設(shè)備及其控制保護(hù)裝置，其中220 kV設(shè)備包含6個(gè)間隔，2×27.5 kV設(shè)備包含4進(jìn)6饋共10個(gè)間隔，10 kV設(shè)備包含2進(jìn)4饋共6個(gè)間隔。沙峪牽引變電所場(chǎng)坪條件較好，220 kV和2×27.5 kV設(shè)備采用投資較少的戶外型設(shè)備集中式布置方式，10 kV設(shè)備及同相供電變流器采用占地較小的戶外箱式設(shè)備安裝，所有控制保護(hù)裝置采用集中組屏方式安裝于控制室內(nèi)。

3 控制保護(hù)

3.1 運(yùn)行方式

正常運(yùn)行時(shí)，全所主供支路和同相供電支路成組投切，固定備用，并設(shè)置備自投裝置，當(dāng)1路電源、1臺(tái)主供或高壓匹配變壓器由于故障退出運(yùn)行時(shí)，通過(guò)備自投功能將單相變壓器和高壓匹配變壓器成組切換至另一組運(yùn)行。

2臺(tái)同相供電變流器在正常運(yùn)行時(shí)通過(guò)10 kV母線并聯(lián)運(yùn)行，1臺(tái)故障退出時(shí)，另1臺(tái)變流器運(yùn)行；也可以獨(dú)立運(yùn)行，形成固定備用方式。

全所設(shè)置協(xié)調(diào)控制器[7]，通過(guò)監(jiān)測(cè)主供支路的有功負(fù)荷來(lái)調(diào)整同相供電變流器的功率輸出，在分擔(dān)有功潮流的同時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)序補(bǔ)償。

3.2 保護(hù)配置

全所主供支路和2×27.5 kV系統(tǒng)的保護(hù)配置與常規(guī)牽引變電所相同。其中主供支路單相Ii接線牽引變壓器設(shè)置差動(dòng)速斷、差動(dòng)、過(guò)負(fù)荷以及本體保護(hù)，進(jìn)線設(shè)失壓、低壓過(guò)流保護(hù)等。

同相供電裝置在支路上設(shè)置功率差動(dòng)保護(hù)[8]，其中各設(shè)備還單獨(dú)配備相應(yīng)的保護(hù)裝置。交直交變流器設(shè)置交流過(guò)流保護(hù)、交流過(guò)壓/欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、直流過(guò)壓/欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、模塊失電（模塊通訊故障）保護(hù)等內(nèi)部保護(hù)；高壓匹配變壓器與牽引匹配變壓器均設(shè)置本體保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托山西中南部通道鐵路沙峪牽引變電所，對(duì)同相供電技術(shù)的工程應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，在全所原理接線、同相供電裝置接線和所用電電源方案、設(shè)備選型及總平面布置、運(yùn)行方式、保護(hù)配置等方面從工程實(shí)施角度進(jìn)行了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，在保證供電可靠性的基礎(chǔ)上，確定了同相供電技術(shù)的工程應(yīng)用方案，保證了牽引變電設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性，降低了同相供電技術(shù)工程實(shí)施的費(fèi)用，既滿足了科研試驗(yàn)需要，又滿足我國(guó)首條30 t軸重萬(wàn)噸重載鐵路山西中南部通道鐵路的正常運(yùn)行要求，理論上可以取消變電所出口接觸網(wǎng)電分相，在提高列車(chē)通過(guò)能力的基礎(chǔ)上同時(shí)具有良好的負(fù)序抑制效果，明顯改善電能質(zhì)量。沙峪牽引變電所采用的世界首套“單三相組合式同相供電裝置”自投運(yùn)以來(lái)運(yùn)行良好，為同相供電技術(shù)進(jìn)入工程應(yīng)用領(lǐng)域奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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With reference of deep analysis of engineering application scheme for co-phase power supply technology on the basis of Shayu traction substation in heavy haul railway testing section of Shanxi south central railway corridor,the paper compares technically and economically the main wiring scheme,operation mode,equipment selection as well as the general plan layout and protection configuration,finalizes the engineering application scheme for single phase combination based co-phase power supply technology with connection of engineering practice,laying a foundation for introduction of co-phasepower supply technology into thefield of engineering application.

Co-phasepower supply;main wiring;auxiliary power supply;protection

U223.5

A

1007-936X(2017)06-0001-03

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.001

楚振宇.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司電通院，教授級(jí)高級(jí)工程師；

魏宏偉.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司電通院，教授級(jí)高級(jí)工程師；

周 娟.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司電通院，高級(jí)工程師。

2017-04-12