李群湛

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

高速鐵路的發(fā)展，特別是中國僅用幾年時間就超過了發(fā)達(dá)國家?guī)资旮咚勹F路里程的總和，這又進(jìn)一步證明了工頻單相交流制電氣化鐵路的無比優(yōu)越性［1］，但遺憾的是它的分相卻又制約著其優(yōu)越性的良好發(fā)揮.因為分相將造成供電斷點［2-4］，影響列車牽引功率的持續(xù)發(fā)揮，又是機(jī)械上的弱點，影響系統(tǒng)可靠性.德國及其鄰國采用的低頻單相交流制可使鐵路牽引網(wǎng)全部貫通，雖無分相之虞，但制式缺陷和成本過高卻是其致命弱點，在世界高鐵建設(shè)中難以施展.可以斷言，技術(shù)上無分相的、經(jīng)濟(jì)上投資少的電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)可謂最理想的.

如果說，當(dāng)今世界工頻單相電氣化鐵路的電力牽引由交直型發(fā)展成交直交型為新的一代，弓網(wǎng)系統(tǒng)由時速幾十千米、上百千米發(fā)展成200多千米、300多千米為新的一代，那么，無分相的同相供電系統(tǒng)相比于現(xiàn)行換相接入電力系統(tǒng)的有分相單邊供電系統(tǒng)可稱之為新一代牽引供電系統(tǒng).

新一代牽引供電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有:

(1)牽引變電所采用單相牽引變壓器(繞組)輔以必要的、最小容量補(bǔ)償裝置的組合式同相供電技術(shù)，治理負(fù)序，取消變電所出口處的分相;

(2)新型雙邊供電技術(shù)，取消分區(qū)所處的分相，在牽引饋線串接電抗器，減小均衡電流及其對電力系統(tǒng)的影響，同時，調(diào)整功率因數(shù)，保證牽引網(wǎng)電壓水平;

(3)牽引網(wǎng)分段供電與測控技術(shù)，它將供電臂適當(dāng)分段，運用同步測量技術(shù)，更準(zhǔn)確、更及時地判別故障類型與部位，并把故障限制在最小范圍內(nèi)，最大限度地保證牽引網(wǎng)的可靠性和可用性.

1 牽引變電所的組合式同相供電技術(shù)

同相供電系統(tǒng)是指為電力機(jī)車或動車組提供電能的各供電臂(牽引網(wǎng))具有相同電壓相位的牽引供電系統(tǒng)，即全線為同一相位的單相供電系統(tǒng)［5-7］.

牽引變電所實施同相供電的目的是取消變電所出口的分相.

概括說來，牽引變電所采用YNd11接線、三相-兩相平衡接線、Vv接線、Vx接線、單相接線等各種牽引變壓器都可以實現(xiàn)同相供電，為方便，還可以把它們分為相電壓型和線電壓型加以分析、總結(jié)［6］，考慮到高鐵和新建鐵路廣泛采用單相接線及其組合的Vv或Vx接線以及單相接線最簡單、供電容量利用率最高等因素，下面將以單相接線為基礎(chǔ)配以適量的同相(對稱)補(bǔ)償裝置來構(gòu)造牽引變電所的同相供電方案，以取消牽引變電所出口處的分相，治理以負(fù)序為主的電能質(zhì)量問題［8-9］，實現(xiàn)牽引變電所接線方式和供電裝置容量的最佳匹配.

針對高速鐵路，當(dāng)認(rèn)為功率因數(shù)為1時，在文獻(xiàn)［7］第3.5節(jié)式(3.32)中令 KC=0，KN=1 可知，如果完全補(bǔ)償負(fù)序，則三相-兩相平衡接線的補(bǔ)償容量最小且等于牽引負(fù)荷功率.有兩種實現(xiàn)方式:其一為無功補(bǔ)償方式，可以是無源的，如SVC(static var compensator)，也可以是有源的，用 IGBT、IGCT實現(xiàn)，如 SVG(static var generator，也稱 STATCOM)，以Scott接線平衡變壓器為例，如圖1所示，其中繞組匝數(shù) n1=n2，類似于日本的不等邊 Scott接線［10］;其二為有功補(bǔ)償模式，是有源的，即使用同相補(bǔ)償裝置與變電所的平衡接線變壓器相配合，如圖2(a)所示，同相補(bǔ)償裝置(亦稱潮流控制器PFC)由交直交變流器ADA及匹配變壓器組成，見圖2(b).當(dāng)功率因數(shù)為1時，同相補(bǔ)償裝置提供牽引負(fù)荷功率一半的有功功率，則可完全消除負(fù)序.交直交變流器也可被視為兩臺背靠背的單相SVG，其SVG容量之和同樣等于牽引負(fù)荷功率.即是說，補(bǔ)償全部負(fù)序所需的最小無功容量和最小有功容量是相等的.

圖1 平衡接線變壓器實現(xiàn)的最優(yōu)無功補(bǔ)償Fig.1 Optimal reactive power compensation with balance transformer

圖2 有功補(bǔ)償實現(xiàn)的最優(yōu)補(bǔ)償Fig.2 Optimal power compensation based on active power compensation

1.1 組合式同相供電方案

應(yīng)該注意到:(1)無功補(bǔ)償往往還要額外占有牽引變壓器(如上面的平衡變壓器、Vv接線變壓器等)的容量，相反地，有功補(bǔ)償不僅不會額外占有牽引變壓器的容量，還會分擔(dān)牽引變壓器的負(fù)荷，進(jìn)而減少牽引變壓器的容量，提高系統(tǒng)效率;(2)國標(biāo)規(guī)定了電力系統(tǒng)允許一定量的負(fù)序功率流通［11］;(3)平衡接線變壓器補(bǔ)償負(fù)序在技術(shù)上是最有效的，經(jīng)濟(jì)上是最節(jié)容的.基于此，提出了兩種組合式同相供電方案:即單三相組合式同相供電方案和單相組合式同相供電方案，分別見圖3和圖4.

圖3 單三相組合式同相供電方案示意Fig.3 Connection diagram of a combined co-phase supply system with a single-phase and three-phase modular

圖4 單相組合式同相供電方案示意Fig.4 Connection diagram of a combined co-phase supply system with a single-phase modular

組合式同相供電變電所由牽引變壓器TT、同相補(bǔ)償裝置CPD組成，其中同相補(bǔ)償裝置CPD包括高壓匹配變壓器HMT、交直交變流器ADA、牽引匹配變壓器TMT以及交流電抗器L等.牽引變壓器采用單相接線.單三相組合式方案中，高壓匹配變壓器為YNd11接線，與單相牽引變壓器構(gòu)成平衡接線，其中連接交直交變流器的端口與牽引變壓器牽引端口的電壓相位差為90°.單相組合式方案中，單相高壓匹配變壓器與牽引變壓器構(gòu)成平衡接線，形成不等邊Scott連接組，同樣形成90°電壓相位差.交直交變流器輸出端連接牽引匹配變壓器原邊，產(chǎn)生與牽引變壓器相同相位和頻率的電壓;牽引變壓器次邊繞組和牽引匹配變壓器次邊繞組的電壓幅值和相位相同且均與牽引母線相接.

比較圖2與圖4或圖3可見，組合式同相供電方案省卻了一級匹配變壓器，這不僅節(jié)約成本，減少占地，還可提高系統(tǒng)效率.新發(fā)展起來的MMC(modular multilevel converter)技術(shù)可以使交直交變流器直掛于牽引母線，則可進(jìn)一步省卻牽引匹配變壓器.

1.2 牽引變壓器和同相補(bǔ)償裝置的容量計算

設(shè)牽引負(fù)荷功率為s，MV·A，通過牽引變壓器的功率為sT，MV·A，通過同相補(bǔ)償裝置的功率為sC，MV·A，則

由于高壓匹配變壓器與單相牽引變壓器構(gòu)成平衡接線，結(jié)合圖3、圖4可知負(fù)序功率s－為

式(1)說明同相補(bǔ)償裝置可以分擔(dān)牽引負(fù)荷，對供電“做加法”，式(2)說明同相補(bǔ)償裝置可以對牽引負(fù)荷的負(fù)序“做減法”，減少剩余負(fù)序.

三相電壓不平衡度uε可用負(fù)序功率s－與連接處的電力系統(tǒng)短路容量sd的比值描述，即

換言之，若已知三相電壓不平衡度限值uε(%)和系統(tǒng)短路容量sd，MV·A，則對應(yīng)的負(fù)序功率允許值 sε為

結(jié)合式(2)，組合式同相供電方案中牽引負(fù)荷通過牽引變壓器和同相補(bǔ)償裝置后應(yīng)滿足式(4)規(guī)定的允許值，則

聯(lián)立式(5)和式(1)，得解出 sT、sC，得

式(6)表明sC取決于s與sε的差值，式(4)表明sε與短路容量成正比.可見，在同樣的牽引負(fù)荷條件下，電力系統(tǒng)越強(qiáng)大，sC就越小，即所需的同相補(bǔ)償裝置容量就越小.負(fù)序相量關(guān)系見圖5.

圖5 組合式同相供電負(fù)序相量圖Fig.5 Negative sequence vector diagram of the combined cophase traction power supply system

顯然，組合式同相供電的負(fù)序補(bǔ)償量s－C為補(bǔ)償前后負(fù)序功率之差，即

即是說，組合式同相供電的負(fù)序補(bǔ)償量是通過其同相補(bǔ)償裝置功率的2倍.

1.3 設(shè)計方法與步驟

步驟1 由供電計算得到牽引變電所牽引負(fù)荷過程sL(t)，提取與國標(biāo)［11］規(guī)定值(95%概率大值，或最大值)對應(yīng)的負(fù)荷功率s;根據(jù)國標(biāo)規(guī)定的三相電壓不平衡度限值uε(%)和系統(tǒng)短路容量sd，MV·A按式(4)計算負(fù)序功率允許值sε.

步驟2 若sε≥s，則由式(6)知，通過同相補(bǔ)償裝置的功率sC≤0，即不需要加裝同相補(bǔ)償裝置，只用單相牽引變壓器即可，它產(chǎn)生的三相電壓不平衡度滿足國標(biāo)要求，令sC=0，由式(1)得牽引變壓器計算容量 sT=s，轉(zhuǎn)至步驟 5;若 sε＜s，則 sC＞0，即需要加裝同相補(bǔ)償裝置.

步驟3 由式(6)得sT和sC.

步驟4 根據(jù)同相補(bǔ)償裝置的過負(fù)荷能力計算其安裝容量SC.同相補(bǔ)償裝置的過負(fù)荷能力取決于其中的交直交變流器的過負(fù)荷能力，通常較小，可認(rèn)為SC=sC.

步驟5 根據(jù)牽引變壓器的過負(fù)荷能力計算其安裝容量ST.牽引變壓器的過負(fù)荷能力應(yīng)由其負(fù)荷過程對應(yīng)的溫升過程與壽命損失來計算［12］，為簡單起見，一般由過負(fù)荷倍數(shù)kT表示，即由與國標(biāo)規(guī)定值［7］(95%概率大值，或最大值)對應(yīng)的ST與牽引變壓器額定容量的比值表示.變壓器過負(fù)荷倍數(shù)kT(≥1)一般是給定的，則ST=sT/kT.

步驟6 給出結(jié)果，結(jié)束.

例1 國標(biāo)規(guī)定的三相電壓不平衡度限值(95%概率大值)uε=2%，系統(tǒng)短路容量 sd=1500 MV·A，由式(4)得負(fù)序功率允許值 sε=30 MV·A;從牽引負(fù)荷過程sL(t)提取出的與國標(biāo)規(guī)定值(95%概率大值)對應(yīng)的負(fù)荷功率 s=50 MV·A;由式(6)得牽引變壓器計算容量 sT=40 MV·A，同相補(bǔ)償裝置計算容量sC=10 MV·A;若牽引變壓器的過負(fù)荷倍數(shù)kT=2，則牽引變壓器安裝容量ST=40/2=20 MV·A，可選20 MV·A標(biāo)準(zhǔn)容量的單相牽引變壓器;同相補(bǔ)償裝置過負(fù)荷倍數(shù)kC為1，則同相補(bǔ)償裝置安裝容量 SC=sC=10 MV·A.該同相變電所的單相牽引變壓器選20 MV·A，同相補(bǔ)償裝置選10 MV·A，根據(jù)式(7)知，最大負(fù)序補(bǔ)償量為20 MV·A.

例2 國標(biāo)規(guī)定的三相電壓不平衡度限值(95%概率大值)uε=2%，系統(tǒng)短路容量 sd=4000 MV·A，由式(4)得負(fù)序功率允許值 sε=80 MV·A;從牽引負(fù)荷過程sL(t)提取出的與國標(biāo)規(guī)定值(95%概率大值)對應(yīng)的負(fù)荷功率 s=120 MV·A;由式(6)得牽引變壓器計算容量sT=100 MV·A，同相補(bǔ)償裝置計算容量sC=20 MV·A;若牽引變壓器的過負(fù)荷倍數(shù)kT=2，則牽引變壓器安裝容量 ST=100/2=50 MV·A，可選50 MV·A 標(biāo)準(zhǔn)容量的單相牽引變壓器;同相補(bǔ)償裝置過負(fù)荷倍數(shù)kC為1，則同相補(bǔ)償裝置安裝容量 SC=sC=20 MV·A.該同相變電所的單相牽引變壓器選50 MV·A，同相補(bǔ)償裝置選20 MV·A，根據(jù)式(7)知，最大負(fù)序補(bǔ)償量為40 MV·A.

同相補(bǔ)償裝置中的高壓匹配變壓器和牽引匹配變壓器在電路上與交直交變流器是串聯(lián)關(guān)系，有相同的負(fù)荷過程，但其過負(fù)荷能力優(yōu)于交直交變流器，安裝容量應(yīng)小于交直交變流器.

例3 一個實例是國家科技支撐計劃支持的“電氣化鐵路同相供電裝置”眉山落地方案，如圖2所示，系由既有變電所改造而來，原有的兩個供電臂容量相同，如果用圖4那樣的組合式同相供電技術(shù)實現(xiàn)，由于sT=sC，由式(6)知，這等同于 sε=0的情形，對應(yīng)例 1，SC=sC=25 MV·A;對應(yīng)例 2，SC=sC=60 MV·A.可見，同相補(bǔ)償裝置容量大，成本高，并且在故障或修復(fù)期間，牽引變壓器供電能力減半，將影響正常運行.

組合式同相供電技術(shù)實現(xiàn)了國標(biāo)規(guī)定的負(fù)序功率允許值、同相補(bǔ)償裝置與單相牽引變壓器的最佳組合，性價比成倍提高，并且在同相補(bǔ)償裝置故障修復(fù)期間，可以利用單相牽引變壓器的短期過載能力而使系統(tǒng)繼續(xù)正常工作.

單相組合式同相供電方案中單相高壓匹配變壓器易于與單相牽引變壓器共箱制造，可節(jié)省占地，更適合于新線建設(shè).單三相組合式同相供電方案更適于Vv接線或Vx接線既有變電所的改造，即保留Vv接線或Vx接線中的一臺單相牽引變壓器，增加YNd11接線的高壓匹配變壓器和交直交變流器等構(gòu)成的同相供電裝置，實現(xiàn)同相供電.

需要說明的是，由式(6)和圖5還可看出，同相補(bǔ)償裝置可按兩種方式運行:

方式Ⅰ 當(dāng)負(fù)荷功率小于等于同相補(bǔ)償裝置容量的2倍時，牽引變壓器和同相補(bǔ)償裝置分別供給負(fù)荷功率的1/2，此時負(fù)序電流得以完全補(bǔ)償，由此引起的三相電壓不平衡度為0;當(dāng)負(fù)荷功率大于同相補(bǔ)償裝置容量的2倍時，同相補(bǔ)償裝置按其額定容量供給，其余部分由牽引變壓器供給，此時將產(chǎn)生剩余負(fù)序功率，但對應(yīng)的三相電壓不平衡度滿足國標(biāo)要求.

方式Ⅱ 同相補(bǔ)償裝置平時處于熱備狀態(tài)，通過功率為0，只有當(dāng)負(fù)荷功率s接近負(fù)序功率允許值sε時，同相補(bǔ)償裝置才開始運行，此時它和牽引變壓器分別供給s與sε差值的1/2，由此保證超額的負(fù)序功率得以補(bǔ)償，三相電壓不平衡度保持在國標(biāo)規(guī)定值的范圍內(nèi).

同相補(bǔ)償裝置的兩種運行方式直接影響它本身和牽引變壓器的負(fù)荷過程，也在一定程度上影響安裝容量的選擇，但在治理負(fù)序達(dá)到國標(biāo)要求的目標(biāo)上是等值的.

2 新型雙邊供電技術(shù)

雙邊供電并不陌生，前蘇聯(lián)沿用至今［13］.雙邊供電就是用分區(qū)所SPk中的斷路器將相鄰的牽引網(wǎng)TNk和 TNk+1聯(lián)通，相鄰的牽引變電所 SSk和SSk+1對TNk和TNk+1構(gòu)成雙邊供電.新的雙邊供電方案是在SSk的牽引饋線串接電抗器Lk，在SSk+1的牽引饋線串接電抗器Lk+1，SSk用單相牽引變壓器TTk，SSk+1用單相牽引變壓器TTk+1，分別在公共連接點 PCCk和 PCCk+1處接入電力系統(tǒng)輸電線ABC，如圖6所示.

電力系統(tǒng)與牽引變電所的電氣聯(lián)結(jié)方式稱為外部供電方式，它取決于電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及其與牽引變電所的相對位置等因素.一般說來，有環(huán)形單回路、環(huán)形雙回路、單電源雙回路、放射式等方式.圖6所示的是環(huán)形單回路、環(huán)形雙回路、單電源雙回路供電方式的一種簡化示意圖，比較多見、典型，可稱為單回路T接方式.

圖6 雙邊供電系統(tǒng)新方案示意Fig.6 Connection diagram of bilateral power supply system

2.1 等效電路

對應(yīng)圖6，歸算到電力系統(tǒng)側(cè)的雙邊三相供電等效電路如圖7所示.圖7中，Zd為輸電線A、B、C相的相阻抗，即ZA=ZB=ZC=Zd;ZJk、ZJk+1為進(jìn)線阻抗，為歸算到電力系統(tǒng)側(cè)的單相牽引變壓器阻抗為歸算到電力系統(tǒng)側(cè)的牽引網(wǎng)阻抗;為歸算到電力系統(tǒng)側(cè)的串接電抗器電抗;LC為電力機(jī)車.

圖7 雙邊供電系統(tǒng)新方案三相等效電路Fig.7 Equivalent three-phase circuit of the bilateral power supply system

2.2 均衡電流

圖8為均衡電流示意圖.從圖7可得牽引供電系統(tǒng)歸算到電力系統(tǒng)的輸電線B(C)相的等效電路，用Zd、Zq分別表示電力系統(tǒng)輸電線與牽引供電系統(tǒng)(包括進(jìn)線阻抗)的歸算阻抗，設(shè)傳輸電流為I，通過電力系統(tǒng)輸電線的電流為Id，通過牽引供電系統(tǒng)的電流為Iq，則均衡電流就是牽引供電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)輸電線并聯(lián)而在牽引供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的附加電流Iq.

圖8 均衡電流示意Fig.8 Balance current diagram

由圖8知

設(shè)阻抗比η為歸算到統(tǒng)一電壓下的牽引供電系統(tǒng)阻抗與電力系統(tǒng)輸電線阻抗之比，即

則均衡電流的大小可由其與電力系統(tǒng)輸電線電流的比值來表達(dá)，將該比值稱為均衡電流相對值，結(jié)合式(8)、式(9)有

即是說，均衡電流相對值是阻抗比η的倒數(shù)，與牽引供電系統(tǒng)阻抗成反比，與電力系統(tǒng)輸電線阻抗成正比.設(shè)Zd為兩牽引變電所間輸電線的相阻抗，ZJk=ZJk+1=ZJ為進(jìn)線阻抗，ZTk=ZTk+1=ZT為牽引側(cè)的牽引變壓器漏抗，ZLk=ZLk+1=ZL為牽引側(cè)的串接電抗器電抗，Zq為牽引網(wǎng)阻抗，則

式中:kT為牽引變壓器變比(電力系統(tǒng)進(jìn)線的線電壓/牽引母線的額定電壓).

假設(shè)電力系統(tǒng)220 kV輸電線在 PCCk和PCCk+1之間的長度為50 km，公共連接點 PCCk(PCCk+1)到牽引變電所SSk(SSk+1)的輸電線長度為10 km，220 kV輸電線采用二分裂導(dǎo)線時單位長阻抗取 z0=0.05+j0.33 Ω/km，牽引變壓器 TTk和TTk+1均為單相變壓器，額定容量均為31.5 MV·A(即牽引側(cè)額定電流為1145 A)，短路阻抗(漏抗)均為10.5%，即歸算到牽引側(cè)的漏抗ZT=0.2134+j2.52 Ω，相鄰牽引變電所距離50 km，直供方式牽引網(wǎng)空載電壓為27.5 kV，單線鐵路、單鏈型懸掛牽引網(wǎng)阻抗取 z=0.2325+j0.515 Ω/km.設(shè)串接電抗器Lk和Lk+1的電抗值是牽引變壓器漏抗的k 倍，即 XL=kXT，k≥0.

k與η部分對應(yīng)關(guān)系列于表1.

表1 k與η對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Relation between k and η

從表1可見:未串接電抗器(k=0)時，對于直供方式的雙邊供電，若電力系統(tǒng)輸電線采用220 kV二分裂導(dǎo)線，阻抗比η=64，即均衡電流相對值達(dá)1/64，換言之，流經(jīng)牽引網(wǎng)形成的穿越功率與電力系統(tǒng)輸電線的傳輸功率之比為1∶64.可見，未串接電抗器時，雙邊供電均衡電流較大，穿越功率較大，會造成牽引供電設(shè)備容量浪費和電力系統(tǒng)電能計量問題.但更有甚者，前蘇聯(lián)為了提高牽引網(wǎng)電壓水平，還在牽引饋線中采用串聯(lián)電容補(bǔ)償(SCC)，其均衡電流(穿越功率)更大［14］.

進(jìn)一步考慮串接電抗器(k＞0)情形，若要求均衡電流≤1%，即阻抗比η≥100，電力系統(tǒng)220 kV輸電線為二分裂導(dǎo)線時，k≥3.92，即串接電抗器的電抗值至少應(yīng)取3.92倍的牽引變壓器漏抗，串接電抗器的容量約13 MV·A;若制成高漏抗?fàn)恳儔浩?，則其短路阻抗為51.66%.可見，串接電抗器可以有效減小雙邊供電的均衡電流.

另外，從式(11)易知:相對牽引供電系統(tǒng)，電力系統(tǒng)電壓等級越高，即電力系統(tǒng)進(jìn)線對牽引母線的變比kT越大，雙邊供電的均衡電流(穿越功率)就越小.

2.3 電壓損失

功率因數(shù)為cos φ的負(fù)荷I通過阻抗Z=R+jX產(chǎn)生的電壓損失ΔU，為阻抗Z首端電壓與末端電壓的模值算術(shù)差，其表達(dá)式為

式中:U1為牽引母線電壓，取27.5 kV;R為牽引變壓器的電阻;X=XT+XL=(1+k)XT，XT為牽引變壓器漏抗，XL為串接電抗器電抗.

以高鐵為例，如前所述，牽引變壓器為單相變壓器，短路阻抗(漏抗)為10.5%，額定容量為31.5 MV·A，交直交列車的牽引負(fù)荷功率因數(shù)cos φ0=0.993(滯后，即 φ0=6.78，sin φ0=0.118)，由式(12)求得的電壓損失隨串接電抗器大小的變化情況列于表2.電壓損失矢量圖示于圖9.

表2 電壓損失Tab.2 Voltage loss

從表1與表2可見，串接k=3.92倍牽引變壓器漏抗的電抗器使阻抗比η=100之后，即可滿足均衡電流≤1%之要求，但同時牽引母線電壓損失由730 V增加到了5790 V.為了保持良好的電壓水平，就需要改變牽引負(fù)荷功率因數(shù)，或者調(diào)整列車交直交主電路，或者采用可調(diào)并聯(lián)無功發(fā)生裝置(如SVG)，或者聯(lián)合進(jìn)行.

仍以電力系統(tǒng)220 kV二分裂輸電線和牽引供電系統(tǒng)采用直供27.5 kV雙邊供電的情形為例加以說明，其中要求均衡電流≤1%，取阻抗比η=100.

圖9 電壓損失矢量圖Fig.9 Voltage loss diagram

設(shè)計目標(biāo)Ⅰ 以高鐵功率因數(shù)cos φ0=0.993(滯后)額定工況的牽引變電所電壓損失ΔU0=730 V作為允許值.

設(shè)計目標(biāo)Ⅱ 借鑒普速鐵路功率因數(shù)cos φ0=0.8(滯后)額定工況牽引變電所電壓損失ΔU0=2012 V作為高鐵允許值.即

其中:η由式(11)給出，ΔU由式(12)給出.

設(shè)計目標(biāo)和計算結(jié)果匯于表3中，其中cos φc、φc分別表示滿足式(13)的功率因數(shù)和功率因數(shù)角.

表3 設(shè)計目標(biāo)與結(jié)果Tab.3 Design objective and results

由表3可見:在220 kV電力系統(tǒng)輸電線采用二分裂導(dǎo)線且牽引供電系統(tǒng)采用直供27.5 kV雙邊供電時，串接電抗器的電抗值取3.92倍牽引變壓器漏抗即可使均衡電流≤1%;同時，改變負(fù)荷功率因數(shù)0.993(滯后)為0.973(超前)，則額定負(fù)荷下牽引變電所就不會產(chǎn)生高于原功率因數(shù)0.993(滯后)對應(yīng)的電壓損失730 V，此時，改變后負(fù)荷中的容性無功功率占23.0%，這是極其嚴(yán)苛的.同時，改變負(fù)荷功率因數(shù)0.993(滯后)為0.989(超前)，則額定負(fù)荷下牽引變電所就不會產(chǎn)生高于普速鐵路交直負(fù)荷功率因數(shù)0.8(滯后)額定工況下對應(yīng)的電壓損失2012 V，此時，改變后負(fù)荷中的容性無功功率大大減小，只占14.8%，更容易實現(xiàn).

進(jìn)一步地，為了減少占地，可將牽引變壓器與串接電抗器合并制造成結(jié)構(gòu)更為緊湊的高漏抗變壓器.高漏抗變壓器的漏抗值(Xk)=原牽引變壓器的漏抗值(XTk)+電抗器的電抗值(XLk)，如在上面的設(shè)計中，高漏抗變壓器的短路阻抗為51.66%.

與單邊供電相比，雙邊供電電壓水平高，供電能力大，功率損失小，但缺點是存在均衡電流(穿越功率).研究雙邊供電的目的是取消分區(qū)所的分相、減小均衡電流.分析表明，在牽引饋線串接電抗器并通過改變負(fù)荷功率因數(shù)，可以有效地抑制均衡電流、減少或消除串接電抗器產(chǎn)生的額外電壓損失，確保電壓水平和供電能力.

在牽引變電所饋線串接電抗器，還可使?fàn)恳W(wǎng)的牽引負(fù)荷按新的阻抗比例在各個牽引變電所中分配，并可根據(jù)電力系統(tǒng)容量分布更好地布置沿線牽引變電所的容量，提高牽引變壓器負(fù)荷率，同時可以降低牽引網(wǎng)短路電流，減輕短路電流對牽引變壓器、斷路器等元件的沖擊，有利于斷路器的選型和切斷故障，提高工作可靠性.

雙邊供電的短路故障可以分解為單邊故障，亦可用下面討論的方法解決.

電氣化鐵路的雙邊供電類似于電力系統(tǒng)配電網(wǎng)的合環(huán)運行，應(yīng)結(jié)合電力系統(tǒng)與鐵路實際進(jìn)一步研究［15-16］.

3 牽引網(wǎng)分段供電與狀態(tài)測控技術(shù)

為了及時發(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，分段供電是個有效手段.分段供電還可以大大提高系統(tǒng)的可控性與可維護(hù)性.雙邊供電的分段可分幾種情形:

(1)在分區(qū)所處自然分段，即把雙邊供電牽引網(wǎng)縱向分成2個分段，每個分段等于原來單邊供電的一個供電臂(供電分區(qū)).

(2)復(fù)線鐵路上下行自然分段，例如，單邊供電把牽引網(wǎng)上下行橫向分成2個分段，雙邊供電則把2個相鄰變電所之間的牽引網(wǎng)橫向分成4個分段.

(3)AT供電方式的AT段.

尚可視具體情況繼續(xù)細(xì)分，例如，以區(qū)間(10 km左右)為單元對牽引網(wǎng)進(jìn)行縱向分段.當(dāng)然，接觸網(wǎng)錨段可謂一個最小分段，單邊供電的一個供電臂可謂一個最大分段.

分段的兩端設(shè)置分段所.分段所內(nèi)設(shè)并聯(lián)電壓互感器(其測量電壓為Ui，Uo)，分段器Si(So)上并接斷路器Ki(Ko)及其串聯(lián)電流互感器(其測量電流為Ii，Io)，以實現(xiàn)分段的可測、可控，如圖 10所示.

圖10 分段示意Fig.10 Segment power supply diagram

3.1 帶電列車位置與運行狀態(tài)辨識

在圖10中，設(shè)電流Ii流入分段為正，電流Io流出分段的為正，電壓為Ui、Uo，均在正常范圍:若Ii－Io=0，則判定該分段內(nèi)無帶電列車;若Ii－Io＞0，則判定該分段內(nèi)存在帶電列車且處于牽引工況;

若Ii－Io＜0，則判定該分段內(nèi)存在帶電列車且處于再生工況.

3.2 故障潮流符號值與牽引網(wǎng)故障辨識

分段兩端的電壓Ui或Uo(以及其他分段兩端的電壓)低于正常值時視為故障.在圖10中，設(shè)空載潮流符號值標(biāo)定為0，而流入該分段的故障潮流符號值標(biāo)定為1，流出該分段的故障潮流符號值標(biāo)定為－1，計算該分段故障潮流符號值的和p:

若p=0，則判斷該分段內(nèi)無故障;

若p=1，則判定該分段內(nèi)故障潮流符號值為1的一端發(fā)生接地故障，故障潮流符號值為0的一端發(fā)生斷路故障;

若p=2，則判定該分段內(nèi)兩端均發(fā)生接地故障.

據(jù)此，還可進(jìn)一步判斷牽引網(wǎng)的復(fù)合故障.

以上原理和方法可以推廣到AT供電方式.分段供電還有利于AT牽引網(wǎng)阻抗的線性化，更加有利于阻抗的測量和故障位置標(biāo)定.篇幅所限，另文敘述.

4 系統(tǒng)與其經(jīng)濟(jì)性、可靠性

除前蘇聯(lián)采用雙邊供電方式外，現(xiàn)行工頻單相交流制的電氣化鐵路都采用單邊供電方式.我國高鐵牽引變電所幾乎均采用Vv或Vx接線牽引變壓器，牽引供電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的聯(lián)接如圖11所示.因采用單邊供電方式和換相接入電力系統(tǒng)，牽引變電所出口和分區(qū)所處均設(shè)置分相，或者說，平均每個牽引變電所供電范圍內(nèi)有兩處分相.

圖11 既有牽引供電系統(tǒng)示意Fig.11 Traditional traction power supply system

取消分相分兩種情形:一是牽引變電所采用單相牽引變壓器，或配以同相供電技術(shù)，取消其出口處的分相，考核指標(biāo)是治理負(fù)序，使三相電壓不平衡度達(dá)到國標(biāo)要求;二是在分區(qū)所實施雙邊供電，取消分區(qū)所處的分相，由于電力系統(tǒng)采用最高電壓等級環(huán)網(wǎng)、其余解網(wǎng)的運行方式，因此，雙邊供電的關(guān)鍵是減小因牽引供電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)并聯(lián)而在牽引網(wǎng)中產(chǎn)生的均衡電流(穿越功率)，使其達(dá)到所允許的程度.這就形成了新一代牽引供電系統(tǒng)，它使單相工頻電氣化鐵路在同一電力系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)無分相的同相貫通供電，如圖12所示.圖12中，SS為牽引變電所，采用單相牽引變壓器與同相補(bǔ)償裝置的組合，或在不需要同相補(bǔ)償裝置時，只用單相牽引變壓器;SP為分區(qū)所，將兩側(cè)牽引網(wǎng)聯(lián)通.

圖12 新一代牽引供電系統(tǒng)示意Fig.12 New generation traction power supply system

由前面分析可知，不論各個牽引變電所的同相補(bǔ)償裝置工作在方式Ⅰ還是方式Ⅱ，同相補(bǔ)償裝置均在一定范圍內(nèi)按所在牽引變電所總(有功)功率的比例或其額定值供給，不影響沿線牽引負(fù)荷sL(t)分配到各個牽引變電所的牽引負(fù)荷sSS(t).換句話說，單相工頻電氣化鐵路在同一電力系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)同相貫通供電時，沿線牽引負(fù)荷sL(t)分配到各個牽引變電所的牽引負(fù)荷sSS(t)是由電力系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)的等值網(wǎng)絡(luò)決定的［5］.

新一代牽引供電系統(tǒng)更加有利于牽引變電所最佳容量、最佳數(shù)目、最佳位置的設(shè)計和實現(xiàn)［17］.

顯然，在分區(qū)所加裝以SVG為代表的可調(diào)無功補(bǔ)償裝置還可以實現(xiàn)在線防融冰功能［18］.

新一代牽引供電系統(tǒng)需要增加同相補(bǔ)償裝置、串接電抗器、分段供電與測控等方面的技術(shù)與設(shè)備投資，其中同相補(bǔ)償裝置占有支配地位，組合式同相供電方案已使其容量和一次性投資降到最低，其壽命周期成本已可與地面自動過分相裝置相比擬，可取得的效益主要表現(xiàn)在:

(1)取消分相有利于提高列車運行的技術(shù)速度，提高線路通過能力.文獻(xiàn)［19］分析表明效益十分顯著.

(2)大大提高牽引變壓器負(fù)荷率和容量利用率.實測和分析表明，可降低牽引變壓器安裝容量1～2個容量等級，節(jié)約電力資源和運行費用.

(3)節(jié)能效果顯著.在減少系統(tǒng)功率損失的同時，更有利于同行的牽引列車對再生列車電能的利用，也方便把多余的電能反饋回電力系統(tǒng).

說到同相貫通供電，自然想到德國模式.德國模式的牽引供電系統(tǒng)的頻率制式與電力系統(tǒng)的頻率制式不同，因此，德國模式的電氣化鐵路或者單獨發(fā)電，或者經(jīng)交直交隔離、變換從電力系統(tǒng)取電，其供電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，成本高昂，嚴(yán)重影響了它的推廣應(yīng)用.從電力系統(tǒng)取電時，德國模式的牽引變電所由三相牽引變壓器和三相單相交直交變流器組成，其中交直交變流器像前面所述的同相補(bǔ)償裝置一樣，過載能力小，為滿足較大負(fù)荷的需求，其容量就要大大增加.如例1中，組合式同相供電的同相補(bǔ)償裝置容量為10 MV·A，而德國模式的交直交變流器容量為50 MV·A;例2中，同相補(bǔ)償裝置容量為20 MV·A，而德國模式的變電所交直交變流器容量為120 MV·A.由于交直交變流器單價高，加之容量大，成本之巨，可見一斑.

因此，整合牽引變電所的組合式同相供電技術(shù)和牽引網(wǎng)新型雙邊供電技術(shù)以及牽引網(wǎng)分段供電與測控技術(shù)的新一代牽引供電系統(tǒng)，可以用最小的經(jīng)濟(jì)投入在同一電力系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)電氣化鐵路全線無分相的同相貫通供電，換言之，在同一電力系統(tǒng)內(nèi)，我們可以用德國模式幾分之一的成本達(dá)到與德國模式相同的無分相的貫通功能.

同時，新一代牽引供電系統(tǒng)的可靠性得到大大加強(qiáng).主要表現(xiàn)在:

(1)組合式同相供電方案中，以單相牽引變壓器為主、以同相補(bǔ)償裝置為輔，而同相補(bǔ)償裝置故障修復(fù)期間，可以利用單相牽引變壓器的短期過載能力而使系統(tǒng)繼續(xù)正常工作.

(2)可以靈活選擇同相補(bǔ)償裝置的備用方式，進(jìn)一步增強(qiáng)可靠性.以圖4所示的單相組合式同相供電為例，牽引變壓器采用傳統(tǒng)的100%備用方式，同相補(bǔ)償裝置采用m/n系統(tǒng)，即在n個單元中至少有m個單元正常則視為正常，如在圖13中，同相補(bǔ)償裝置為3/4系統(tǒng)，或2/4系統(tǒng).

圖13 同相補(bǔ)償裝置采用3/4系統(tǒng)或2/4系統(tǒng)Fig.13 Cophase compensation device using 3/4 system or 2/4 system

(3)雙邊供電可謂雙電源系統(tǒng)，可靠性高于單邊供電.

(4)分段供電與測控技術(shù)可以更及時發(fā)現(xiàn)、隔離、排除故障，把故障限制在最小范圍，把故障影響降低到最低程度，提高系統(tǒng)的可控性與可維護(hù)性.

(5)避免列車過分相引起的故障，這在現(xiàn)有系統(tǒng)中占有一定分量.

篇幅所限，不再贅述.

5 結(jié)束語

本文提出了新一代牽引供電系統(tǒng)，即單相工頻電氣化鐵路在同一電力系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)無分相的同相貫通供電系統(tǒng)，討論了組合式同相供電技術(shù)、新型雙邊供電技術(shù)、牽引網(wǎng)分段供電與測控技術(shù)等三項關(guān)鍵技術(shù)，得出的主要結(jié)論有:

(1)組合式同相供電技術(shù)，分為單三相組合式和單相組合式兩種，可取消變電所出口處的分相，按需治理負(fù)序，實現(xiàn)了國標(biāo)規(guī)定的負(fù)序功率允許值、同相補(bǔ)償裝置容量與單相牽引變壓器容量的最佳組合.

(2)新型雙邊供電技術(shù)，用以取消分區(qū)所處的分相，通過牽引饋線串接電抗器可以有效減小均衡電流及其對電力系統(tǒng)的影響，同時通過調(diào)整負(fù)荷功率因數(shù)，可以確保牽引網(wǎng)電壓水平.

(3)牽引網(wǎng)分段供電與測控技術(shù)，將供電臂適當(dāng)分段，運用同步測量技術(shù)，更準(zhǔn)確、更及時地判別故障類型與部位，并把故障限制在最小范圍內(nèi).

(4)新一代牽引供電系統(tǒng)有更好的經(jīng)濟(jì)性和可靠性.

顯然，由于城市軌道交通相比國家鐵路而言所處范圍較小，都處于同一電力系統(tǒng)內(nèi)，將這種全線無分相的貫通供電思路用于城市軌道交通也值得展開研究，并探索更適合的同相貫通供電模式.

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