基于樹形雙邊供電的重載鐵路貫通同相供電方案

周志成

基于樹形雙邊供電的重載鐵路貫通同相供電方案

周志成

(神華包神鐵路集團，內(nèi)蒙古 包頭 014014)

結(jié)合重載鐵路既有供電方式特點，提出一種適用于重載鐵路牽引供電系統(tǒng)的貫通同相供電方案。介紹該貫通同相供電方案的3項關(guān)鍵技術(shù)，即：組合式同相供電技術(shù)、樹形雙邊供電技術(shù)以及牽引網(wǎng)分段供電與狀態(tài)測控技術(shù)，并對樹形雙邊供電系統(tǒng)的均衡電流以及單線牽引網(wǎng)阻抗進行詳細研究；以某既有重載鐵路牽引供電系統(tǒng)改造工程為例，將該貫通同相供電方案應(yīng)用于該線路牽引供電系統(tǒng)工程改造中；通過理論分析以及實測分析，分別從運行模式、均衡電流實測分析、牽引網(wǎng)分段測控技術(shù)的適應(yīng)性等角度對該既有線路貫通同相供電改造方案可行性進行分析。研究結(jié)果表明：基于樹形雙邊供電的貫通同相供電方案可行，且兼顧更好的系統(tǒng)性能以及技術(shù)優(yōu)勢。

重載鐵路；貫通同相供電；組合式同相供電；樹形雙邊供電；均衡電流；牽引網(wǎng)分段供電

我國重載鐵路發(fā)展于20世紀80年代初，在迅速發(fā)展的同時，重載鐵路對于國民經(jīng)濟發(fā)展不可替代的作用日漸突出。電力牽引是實現(xiàn)提升鐵路運輸能力、加快鐵路運輸速度的目標的必然選擇。牽引供電系統(tǒng)負責向重載鐵路機車提供電能[1]，其供電能力的強弱對于重載鐵路的運力具有重要影響。為適應(yīng)煤炭運量等的不斷增長，我國重載線路展開了運能提升改造工程。我國現(xiàn)行重載鐵路的改造方案思路如下：1) 調(diào)整牽引網(wǎng)供電方式，例如將牽引網(wǎng)供電方式由直供方式變?yōu)锳T方式；2) 增加外部電源數(shù)目，進而使得牽引變電所數(shù)目得到增加[1]，但同時會造成電分相數(shù)目的增加。目前，無論采用上述哪種方式，均存在一些技術(shù)以及經(jīng)濟上的問題，主要表現(xiàn)在以下2點：1) 電分相是牽引供電系統(tǒng)中的相對薄弱環(huán)節(jié)[2?12]，成為重載機車牽引力和速度損失的主要原因，限定了運輸能力的進一步提高；2) 目前以負序為主的電能質(zhì)量問題尤為突出[2?6]。通常重載線路普遍存在長大坡道情況，長大坡道對于電分相位置的設(shè)定、牽引供電系統(tǒng)的供電能力有更高的要求。對于電分相，國內(nèi)外工程人員通過過分相技術(shù)解決電分相問題，過分相技術(shù)分為手動和自動。手動過分相，即駕駛員通過手動操作使得機車斷電，機車以惰行方式過分相。此時，可能出現(xiàn)機車過分相失敗的情形；司機操作失誤可能造成供電系統(tǒng)短路，引起跳閘斷電，嚴重時可能損壞供電系統(tǒng)和車載設(shè)備，對重載機車安全可靠運行造成了重大影響。自動過分相主要有車載和地面2種過分相方式[13]。重載鐵路具有速度低的特點，若采用車載方式將使機可能會出現(xiàn)機車速度進一步降低的情形，在長大坡道一旦出現(xiàn)坡停，后果嚴重。若采用地面方式能夠減少機車過分相時的無電時間，但是地面方式存在壽命低，一次性投資大，運維成本高等問題，并未從根本上解決電分相、負序等問題。伴隨著同相供電技術(shù)在眉山牽引變電所、山西中南部通道沙峪牽引變電所以及溫州市域鐵路S1線的成功應(yīng)用，理論研究、現(xiàn)場試驗均以及工程案例實施表明，借助同相供電理論[2?11]、現(xiàn)代電力電子技術(shù)[8?11]、現(xiàn)代測控技術(shù)，在單個牽引變電所實現(xiàn)同相供電的基礎(chǔ)上實現(xiàn)貫通式同相供電是重載鐵路牽引供電技術(shù)提升的有益手段之一。為了進一步提升運能，并確保重載線路更加高效安全的發(fā)揮其性能，在充分進行理論研究以及仿真以及實測分析的基礎(chǔ)上，提出一種基于樹形雙邊供電的重載鐵路貫通同相供電方案，并且在實現(xiàn)貫通同相供電的前提下，不會帶來新的電能質(zhì)量問題?；谠摲桨?，以國內(nèi)某條重載線路牽引供電系統(tǒng)工程改造為例，對該方案進行了理論和實測分析，研究表明了方案的可行，且兼顧更好的系統(tǒng)性能以及技術(shù)優(yōu)勢，能夠為我國其他重載鐵路采用同相供電技術(shù)提供工程應(yīng)用參考經(jīng)驗，對全國乃至全世界采用工頻單相交流制的電氣化鐵路也有著廣闊的應(yīng)用前景，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用借鑒價值。

1 基于樹形雙邊供電的貫通同相供電方案

基于樹形雙邊供電的貫通同相供電方案，即在牽引變電所采用組合式同相供電(包含單相組合式同相供電技術(shù)和單三相組合式同相供電技術(shù))取消變電所處電分相，同時治理負序，分區(qū)所通過構(gòu)成樹形雙邊供電取消分區(qū)所處電分相，實現(xiàn)貫通同相供電的目的；同時采用牽引網(wǎng)分段供電與測控技術(shù)確保牽引網(wǎng)供電可靠性[6]。

1.1 組合式同相供電技術(shù)

相對于既有方案采用輪換相序的方案降低牽引負荷對電力系統(tǒng)造成的三相電壓不平衡度，采用貫通同相供電方案后由于采用同一相序，輪換相序的方法不再適用，必需選擇一種新的方式。理論和實踐表明，組合式同相供電技術(shù)是目前貫通方案解決三相電壓不平衡的最佳選擇[9]，如圖1所示。

以單相組合式同相供電方案為例，圖1(a)中牽引變壓器TT端口與匹配變壓器CPD高壓端口相位相互垂直，如圖2(a)所示。正常運行時，TT和CPD共同承當向牽引負荷供電的任務(wù)，其中，以TT為主，CPD為輔，同時CPD還起著調(diào)整三相電壓不平衡度的任務(wù)。其補償原理如圖2所示，容量配置方法見文獻[6]。

(a)單相組合式同相供電拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；(b)單三相組合式同相供電拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

(a) 補償矢量關(guān)系圖；(b) 負序矢量關(guān)系圖

1.2 樹形雙邊供電技術(shù)

交流電氣化鐵路雙邊供電中機車由原來的從單個牽引變電所取電，變成從相鄰的2個牽引變電所取電。相較于單邊供電，雙邊供電網(wǎng)壓水平相應(yīng)改善，還能減輕對沿線通信線路或者設(shè)備的電磁干擾。目前，雙邊供電在俄羅斯等前蘇聯(lián)國家電氣化鐵路中廣泛采用[6, 14]，韓國亦有采用[15]。

單線區(qū)段的雙邊供電見圖3，復線區(qū)段雙邊供電見圖4。無論是單線區(qū)段還是復線區(qū)段，雙邊供電均通過分區(qū)所處的斷路器合閘完成，此處分區(qū)所只設(shè)電分段，不設(shè)電分相(或者設(shè)置電分相，但按電分段運行)。

實行雙邊供電可能會帶來均衡電流問題。均衡電流是指雙邊供電時牽引網(wǎng)因與電力系統(tǒng)(等效)輸電線或者母線并聯(lián)而在牽引網(wǎng)中增生的電流分 量[9]。均衡電流的存在會帶來計量問題，增加成本的投入。

圖3 單線區(qū)段雙邊供電方式

圖4 復線區(qū)段雙邊供電方式

定義最低電壓等級的牽引變電所為葉，最高電壓等級的A型變電站(750 kV或者500 kV)為根，中間電壓等級的B型(330 kV或者220 kV)、C型(110 kV)變電站為結(jié)點或者根，經(jīng)輸電線將其連接成從高電壓等級到低電壓等級的拓撲結(jié)構(gòu)，將該拓撲結(jié)構(gòu)稱為樹形結(jié)構(gòu)[16]。一種樹形結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 一種樹形結(jié)構(gòu)示意圖

簡而言之，兩牽引變電所進線一次側(cè)電壓相同，一種樹形雙邊供電示意圖簡化為圖6所示情形。

圖6 樹形雙邊供電示意圖

根據(jù)圖6得到圖7所示等值電路示意圖。分別對圖7中的節(jié)點1，回路1和回路2列寫方程，得

式中：和分別為牽引變電所TS1和TS2的進線阻抗；和分別為牽引變壓器T1和T2的漏抗；牽引變壓器T1和T2原、次邊電壓分別為和及和，對應(yīng)的變比為k1和k2；Zq為牽引網(wǎng)的等值阻抗；和分別為牽引變壓器T1和T2空載時的原邊電流，即均衡電流。

進一步分析其牽引網(wǎng)阻抗，忽略上下行線路之間的橫向連接線，將其等效為單線模型，其等值電路如圖8所示。

圖8 樹形雙邊供等值電路示意圖

設(shè)定線路最左端為起始位置，貫通同相供電方案機車距離起始位置km時，牽引網(wǎng)等值阬為

1.3 牽引網(wǎng)分段供電與測控技術(shù)

據(jù)工程統(tǒng)計，電氣化鐵路因牽引供電相關(guān)的故障多大多數(shù)情形下發(fā)生在牽引網(wǎng)。牽引供電系統(tǒng)相對薄弱環(huán)節(jié)可以視為是牽引網(wǎng)?；诳煽啃苑峙涞脑瓌t，將牽引網(wǎng)分段并加裝牽引網(wǎng)狀態(tài)測控系統(tǒng)，如圖9所示，是提高牽引網(wǎng)供電和系統(tǒng)供電可靠性的有效途徑之一。

圖9 牽引網(wǎng)分段供電與測控技術(shù)方案示意圖

圖10 測控系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)

以重載鐵路的供電區(qū)間為單位，在區(qū)間分界處對系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)改進，輔之以相應(yīng)測控單元以及數(shù)據(jù)采集傳輸單元。當線路中出現(xiàn)故障時，只需將故障區(qū)段切除，非故障區(qū)段不受影響，正常運行，極大減少了牽引網(wǎng)的失電區(qū)間，不改變供電能力，但使牽引供電更可靠、更靈活。其中，測控系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)如圖10所示。

2 某既有重載鐵路貫通同相供電改造方案

2.1 既有牽引供電方案介紹

該重載線路全長約130 km，既有方案供電示意圖如圖11所示。全線設(shè)置牽引變電所1，牽引變電所2，牽引變電所3以及牽引變電所4，分區(qū)所1，分區(qū)所2以及分區(qū)所3，共設(shè)置7處電分相。牽引網(wǎng)采用帶回流線的直接供電方式，牽引變壓器采用Vv接線。

2.2 貫通同相供電改造方案介紹

貫通同相供電方案全線由同一相序供電，如圖12所示。全線只設(shè)電分段不再設(shè)電分相。牽引變電所1和牽引變電所4變?yōu)殚_閉所1和開閉所5，分區(qū)所1，分區(qū)所2以及分區(qū)所3依次變?yōu)殚_閉所2，開閉所3以及開閉所5。該線路牽引變電所2和牽引變電所3均接自于變電站3或變電站4(220 kV)即符合圖6所示結(jié)構(gòu)。

該重載線路改造方案中的3相關(guān)鍵技術(shù)，即：單相組合式同相供電技術(shù)、樹形雙邊供電技術(shù)以及牽引網(wǎng)分段供電與狀態(tài)測控技術(shù)。單相組合式同相供電技術(shù)已經(jīng)在溫州市域鐵路S1線成功運行，理論研究亦很成熟，此處不再介紹。同時，為了節(jié)約占地面積，本線路改造方案中采用單相組合式同相供電技術(shù)。圖12中牽引變電所2和3均由變電站3(或者變電站4)供電，二者之間的分區(qū)所連通，即構(gòu)成樹形雙邊供電。牽引網(wǎng)分段設(shè)置以及部分分段細節(jié)改造方案見圖13。

圖11 既有供電方案示意圖

圖12 貫通同相供電改造方案示意圖

(a) 牽引網(wǎng)分段改造方案示意圖；(b) 牽引網(wǎng)一個區(qū)間分段改造方案示意圖；(c) 牽引所2改造方案主接線示意圖；(d) 牽引所2與3之間分區(qū)所主接線改造示意圖

3 貫通同相供電改造方案可行性分析

3.1 貫通同相供電改造方案運行模式分析

采用貫通同相供電改造方案后，運行模型進一步增加，可以確保線路多種狀態(tài)下機車的安全運行，概括起來有2種模式：

1) 正常供電模式(貫通同相供電)，即牽引變電所2與3均投入運行，且均由變電站3(或變電站4)供電，構(gòu)成樹形雙邊供電；

2) 非正常供電模式，即牽引變電所2和3之間發(fā)生故障時，故障段切除，形成單邊供電方式；或者牽引變電所2(或3)運行，另一個牽引所解列，由上一級變電站供電，形成越區(qū)供電。

實際中，在正常狀態(tài)下，線路運行在貫通同相供電模式，只有在故障狀態(tài)下，根據(jù)實際情況運行在相應(yīng)的常規(guī)供電模式下。

3.2 牽引網(wǎng)等值阻抗曲線

根據(jù)式(3)得到單線貫通同相供電改造方案(兩牽引變電所牽引網(wǎng)變壓器變比均為110 kV/27.5 kV=4)的牽引網(wǎng)阻抗曲線。單線既有方案與貫通同相供電改造方案的牽引網(wǎng)阻抗曲線對比如圖14 所示。

圖14 牽引網(wǎng)等值阻抗模值曲線對比結(jié)果

由圖14知，既有方案牽引變電所2與牽引變電所3 的供電區(qū)間內(nèi)，相應(yīng)貫通同相供電方案牽引網(wǎng)阻抗明顯小于既有方案，體現(xiàn)了雙邊供電的優(yōu)勢。圖12 中牽引變電所3的左供電臂與牽引變電所4的右供電臂等同于單邊供電，隨著距離牽引變電所的長度增加牽引網(wǎng)阻抗也會增加，因此，會在既有方案牽引變電所1與牽引變電所4的部分供電區(qū)間內(nèi)，出現(xiàn)貫通同相供電方案牽引網(wǎng)阻抗大于既有方案的情形。通過校驗，該部分仍然滿足供電 能力。

3.3 以負序為主的電能質(zhì)量分析

改造前對該線路的牽引變電所的三相電壓不平衡度進行評估，進行為期1 d測試數(shù)據(jù)分析，以圖11中的牽引所2為例進行分析，三相電壓不平衡度情況見圖18，其中95%概率值為2.48%，最大值為3.91%。根據(jù)文獻[17]知，牽引變電所2處三相電壓不平衡度超標。牽引變電所采用單三相組合式同相供電后，可使三相電壓不平衡度達到國標的要求。

圖15 牽引所2電力系統(tǒng)側(cè)三相電壓不平衡情況

3.4 均衡電流實測分析

為研究樹形雙邊供電空載時均衡電流情況，項目組在牽引變電所2和牽引變電所3之間的分區(qū)所進行為期一天的測試，測點位置見圖16。通過對比牽引網(wǎng)空載時測點YH1與YH2、測點YH3與YH4的電壓和相位相關(guān)數(shù)據(jù)，來說明該改造方案實行樹形雙邊供電是否產(chǎn)生均衡電流。

圖16 測點位置

為此，提取牽引網(wǎng)空載以及小負荷情形下分區(qū)所處兩側(cè)的電壓。提取測點YH1與YH2在時刻1.0~2.2 h數(shù)據(jù)，見圖17；提取測點YH3與YH4在時刻1.0~2.2 h的數(shù)據(jù)，見圖18。

圖17 YH1和YH2的測量數(shù)據(jù)比較

圖18 YH3和YH4的測量數(shù)據(jù)比較

分析圖17和圖18數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)論，牽引網(wǎng)空載(或小負荷)時：

1) YH1，YH2和YH3，YH4的電壓測量數(shù)據(jù)非常一致；

2) 分區(qū)所兩側(cè)電壓有效值最大差值約為600 V，誤差來源于測量誤差、牽引側(cè)并聯(lián)補償設(shè)備等；

3) 分區(qū)所兩側(cè)電壓相位差非常小，接近于0°。

3.5 牽引網(wǎng)分段供電與測控技術(shù)適應(yīng)性分析

由于改造方案構(gòu)成樹形雙邊供電，當兩牽引變電所均接自于同一變電站相同母線的不同分段，可以視為一個負荷，即與單邊供電相比繼電保護整定方式一致，并不會引起新的問題。因此，只需關(guān)注牽引供電系統(tǒng)本身。

采用改造方案后短路故障區(qū)間概括起來主要分為圖19中兩牽引變電所之外(故障區(qū)間類型1)、兩牽引變電所之間(故障區(qū)間類型2)以及變電所出口處(故障區(qū)間類型3)。

圖19 故障類型

傳統(tǒng)方案既有保護以距離保護作為主保護，且僅安裝在牽引變電所，當任一接觸網(wǎng)部件發(fā)生故障時，既有保護將會切斷牽引變電所到分區(qū)所整個供電臂。由于改造方案實施了雙邊供電，若故障發(fā)生在2個牽引變電所距離1段保護范圍內(nèi)(故障區(qū)間類型2)，既有保護將會切除兩個牽引變電所之間的供電臂；若故障發(fā)生在變電所出口處(故障區(qū)間類型3)，該變電所1段保護動作，該變電所兩端變電所距離2段保護將動作，嚴重擴大了停電范圍；若發(fā)生故障區(qū)間類型1，既有保護動作，同樣可能擴大停電范圍。因此，傳統(tǒng)單端距離保護不能作為主保護應(yīng)用于同相供電系統(tǒng)。

此外，由于設(shè)置過渡區(qū)(帶電的并可以操作的原電分相中性區(qū))，可以避免機車從故障區(qū)駛?cè)敕枪收蠀^(qū)(或從非故障區(qū)駛?cè)牍收蠀^(qū))造成的二次短路 故障。

因此，牽引網(wǎng)分段與狀態(tài)測控系統(tǒng)利用牽引變電所與分區(qū)所雙端電氣量，可以及時發(fā)現(xiàn)、隔離和排除故障，并且把故障限制在最小范圍，把故障影響降低到最低程度。采用牽引網(wǎng)分段供電與測控技術(shù)后，通過相應(yīng)的判據(jù)，只將故障段切除，非故障段仍然正常工作，可靠性大大提高。

4 結(jié)論

1) 理論分析和實測數(shù)據(jù)表明，牽引變比一致的情形下，可以實現(xiàn)無均衡電流供電；雙邊供電兩牽引所之間的牽引網(wǎng)阻抗較單邊供電更小，可以延長供電區(qū)間的長度。

2) 采用組合式同相供電技術(shù)可以有效治理負序，使電壓不平衡度滿足規(guī)定的要求，牽引網(wǎng)分段供電與測控技術(shù)可以有效確保貫通運營的可靠性，采用樹形雙邊供電技術(shù)可以有效實現(xiàn)無均衡電流供電。因此，該線路應(yīng)用本文所提貫通供方案是可行的，同時能夠兼顧更好的系統(tǒng)性能以及技術(shù) 優(yōu)勢。

3) 本文所提貫通同相供電方案在該重載線路的工程應(yīng)用，能夠為我國其他重載鐵路采用同相供電技術(shù)提供工程應(yīng)用參考經(jīng)驗，具有重要理論意義和工程應(yīng)用借鑒價值。

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Cophase connected power supply scheme of heavy haul railway based on tree bilateral power supply

ZHOU Zhicheng

(Shenhua Baoshen Railway Group, Baotou 014014, China)

Considering the existing characteristics of power supply modes of the heavy haul railway, the cophase connected power supply scheme for traction power supply system of heavy haul railway was proposed. Firstly, three key technologies of the cophase connected power supply scheme were introduced, namely, combined cophase power supply technology, tree bilateral power supply technology and traction network sectional power supply and state measurement and control technology. The balanced current of tree bilateral power supply system and the impedance of the single-line traction network were studied in detail. Secondly, taking the reconstruction project of a heavy haul railway traction power supply system as an example, the scheme of cophase connected power supply was applied to the engineering renovation of traction power supply system of the line. Finally, through the theoretical analysis and actual measurement analysis, the feasibility of the existing line cophase connected power supply renovation scheme was analyzed from the aspects of operation mode, the actual measurement analysis of the balanced current and the adaptability of the traction network sectional measurement and control technology. The results show that the cophase connected power supply scheme based on tree bilateral power supply is feasible, and has better system performance and technical advantages.

heavy haul railway; cophase connected power supply; combined cophase power supply; tree bilateral power supply; balanced current; traction network sectional power supply

U223

A

1672 ? 7029(2020)03 ? 0722 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20191011

2019?11?18

包神鐵路集團科研資助項目(2018H0101286)

周志成(1964?)，男，河北承德人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)自動化研究；E?mail：20024314@chnenergy.com.cn

(編輯 蔣學東)