劉玉輝

(中國(guó)鐵路總公司運(yùn)輸局，北京　100844)

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電氣化鐵路牽引變壓器調(diào)壓參數(shù)設(shè)置研究

劉玉輝

(中國(guó)鐵路總公司運(yùn)輸局，北京100844)

結(jié)合蘭新高鐵開(kāi)通后CRH5型動(dòng)車組列車多次出現(xiàn)電制動(dòng)失效問(wèn)題，根據(jù)西北地區(qū)外部電源電壓偏差較大的實(shí)際，對(duì)牽引供電牽引變壓器出口電壓進(jìn)行研究，對(duì)電制動(dòng)失效原因進(jìn)行系統(tǒng)分析，立足于供電系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)生故障原因進(jìn)行綜合分析，從適應(yīng)外部電源偏差，確保電氣化鐵路動(dòng)車組、電力機(jī)車正常運(yùn)行角度，提出電氣化鐵路牽引變壓器調(diào)壓?jiǎn)栴}和牽引變壓器調(diào)壓參數(shù)設(shè)置原則。

電氣化鐵路；變壓器；調(diào)壓參數(shù)；偏差

1　高鐵動(dòng)車組電制動(dòng)失效案例

蘭新高鐵開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，CRH5型動(dòng)車組列車運(yùn)行期間，在蘭新高鐵軍馬場(chǎng)至張掖西間，多次出現(xiàn)電制動(dòng)失效情況。動(dòng)車組制動(dòng)調(diào)速過(guò)程中，空氣制動(dòng)接替電制動(dòng)施加，長(zhǎng)大坡道區(qū)段長(zhǎng)時(shí)間使用空氣制動(dòng)進(jìn)行調(diào)速，反復(fù)高熱荷載引起動(dòng)車組輪動(dòng)閘片摩擦材料性能衰退，出現(xiàn)損傷掉塊現(xiàn)象。

CRH5型動(dòng)車組電制動(dòng)失效區(qū)段主要集中在蘭新高鐵K1986-K2121范圍，按照供電臂區(qū)分，涉及干柴灘變電所、軍馬場(chǎng)變電所及觀花臺(tái)變電所有關(guān)接觸網(wǎng)供電臂。見(jiàn)表1。

2　電制動(dòng)失效原因系統(tǒng)分析

2.1動(dòng)車組電制動(dòng)失效原理

按照CRH5型動(dòng)車組邏輯控制設(shè)置，電制動(dòng)失效條件如下：

(1)動(dòng)車組在電制動(dòng)狀態(tài)時(shí)逆變器關(guān)閉；

(2)動(dòng)車組在電制動(dòng)狀態(tài)，輸出功率小于預(yù)設(shè)電制動(dòng)功率50%；

(3)制動(dòng)變阻器溫度超過(guò)600 ℃；

(4)互鎖閥故障；

(5)牽引輔助變流器冷卻液超過(guò)70 ℃。

檢查故障動(dòng)車組電制動(dòng)切除按鈕線路供電狀態(tài)及相關(guān)控制板卡，未發(fā)現(xiàn)異常情況；車輛互鎖閥均能正常動(dòng)作；動(dòng)車組牽引變流器控制單元(TCU)記錄的冷卻液溫度均在正常值范圍內(nèi)(低于70 ℃)；變阻器未見(jiàn)異常。

表1　部分CRH5型動(dòng)車組電制動(dòng)失效情況統(tǒng)計(jì)

通過(guò)下載動(dòng)車組牽引變流器控制單元(TCU)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，故障發(fā)生時(shí)段，接觸網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)存在大于29 kV現(xiàn)象。而CRH5型動(dòng)車組技術(shù)條件要求：接觸網(wǎng)電壓在29～31.5 kV，動(dòng)車組輸出功率線性下降至零，CRH5型動(dòng)車組在TCU軟件中設(shè)定了接觸網(wǎng)電壓與動(dòng)車組輸出功率的關(guān)系曲線[1]，如圖1所示。

根據(jù)CRH5型動(dòng)車組電制動(dòng)失效條件，當(dāng)動(dòng)車組在電制動(dòng)狀態(tài)，列車的輸出功率小于預(yù)設(shè)電制動(dòng)功率50%時(shí)，動(dòng)車組列車延時(shí)3 s電制動(dòng)失效。動(dòng)車組電制動(dòng)失效原理如圖2所示。

圖1　接觸網(wǎng)電壓與動(dòng)車組輸出功率關(guān)系曲線

圖2　動(dòng)車組電制動(dòng)失效原理

2.2故障區(qū)段牽引供電設(shè)備情況

蘭新高鐵牽引供電采用AT供電方式，牽引變電所外部電源進(jìn)線電壓等級(jí)采用330 kV，牽引供電系統(tǒng)按照動(dòng)車組列車近期4 min追蹤，遠(yuǎn)期3 min追蹤能力進(jìn)行設(shè)計(jì)。蘭新高鐵軍馬場(chǎng)至張掖西間線路最大坡度20‰，其中干柴灘至觀花臺(tái)區(qū)段為連續(xù)下坡段，根據(jù)設(shè)計(jì)仿真，按照動(dòng)車組4 min追蹤運(yùn)行時(shí)，牽引變電所最低工作電壓為23 kV。

通過(guò)對(duì)故障時(shí)段軍馬場(chǎng)、觀花臺(tái)兩個(gè)牽引變電所相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，變電所進(jìn)線側(cè)最高電壓基本在10%的正偏差范圍并略有超出，牽引變電所饋線側(cè)電壓短時(shí)最高為29.5 kV。故障區(qū)段牽引變電所電壓參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

2.3蘭新高鐵外部電源設(shè)計(jì)方案

蘭新高鐵牽引變電所由兩路獨(dú)立的330 kV電源供電。根據(jù)電力部門提供的《蘭新二線電氣化鐵路外部電源接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案》，干柴灘、軍馬場(chǎng)、觀花臺(tái)3座牽引變電所外部電源供電方案如下：

表2　故障區(qū)段牽引變電所電壓參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)

注：日期均為2015年

干柴灘牽引變電所雙回330 kV線路接入達(dá)坂變電所，線路長(zhǎng)度49 km，導(dǎo)線規(guī)格為L(zhǎng)GJ-2×300型；

軍馬場(chǎng)牽引變電所1回330 kV線路接入山丹變電所，線路長(zhǎng)度66 km，導(dǎo)線規(guī)格為L(zhǎng)GJ-2×300型；1回330 kV線路接入民樂(lè)開(kāi)關(guān)站，線路長(zhǎng)度77 km，導(dǎo)線規(guī)格為L(zhǎng)GJ-2×300型；

觀花臺(tái)牽引變電所雙回330 kV線路接入順化變電所，線路長(zhǎng)度22 km，導(dǎo)線規(guī)格為L(zhǎng)GJ-2×300型。

2015年1月1日至1月7日，對(duì)動(dòng)車組電制動(dòng)失效區(qū)段的軍馬場(chǎng)、觀花臺(tái)牽引變電所外部電源進(jìn)線電壓進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)：軍馬場(chǎng)牽引變電所最高進(jìn)線電壓的周平均值為367.0 kV，最低進(jìn)線電壓的周平均值為357.8 kV；觀花臺(tái)牽引變電所最高進(jìn)線電壓的周平均值為367.8 kV，最低進(jìn)線電壓的周平均值為363.0 kV。

2.4故障綜合原因分析

蘭新高鐵牽引變電所全部采用330 kV系統(tǒng)供電，地方變電站與牽引變電所距離較遠(yuǎn)，電能傳輸距離長(zhǎng)、容抗大，線路末端電壓抬升較高。由于電力系統(tǒng)外部電源電壓偏高(正向偏差達(dá)10%)，造成蘭新高鐵牽引變電所母線饋出電壓(接觸網(wǎng)電壓)相應(yīng)升高。

加之蘭新高鐵運(yùn)營(yíng)初期實(shí)際開(kāi)行列車對(duì)數(shù)較少，線路負(fù)荷輕，干柴灘、軍馬場(chǎng)、觀花臺(tái)3座牽引變電所供電范圍均處于線路長(zhǎng)大坡道區(qū)段，動(dòng)車組下坡運(yùn)行再生制動(dòng)時(shí)，向接觸網(wǎng)線路反饋電能，進(jìn)一步抬升接觸網(wǎng)電壓，當(dāng)接觸網(wǎng)電壓在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)大于29 kV時(shí)，動(dòng)車組列車輸出功率線性下降，導(dǎo)致電制動(dòng)失效，空氣制動(dòng)接替電制動(dòng)進(jìn)行調(diào)速。

3　牽引變壓器調(diào)壓?jiǎn)栴}思考

《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(高速部分)》第177條規(guī)定：接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓值為25 kV，最高工作電壓為27.5 kV，短時(shí)(5 min)最高工作電壓為29 kV，最低工作電壓為20 kV[2]?！峨娔苜|(zhì)量 供電電壓偏差》(GB/T 12325—2008)規(guī)定：35 kV及以上供電電壓正、負(fù)偏差絕對(duì)值之和不超過(guò)標(biāo)稱電壓的10%[3]。對(duì)330 kV等級(jí)而言，最高電壓應(yīng)為363 kV，最低電壓為297 kV。

但隨著鐵路建設(shè)范圍的擴(kuò)大，電氣化鐵路覆蓋地區(qū)越來(lái)越廣，部分地區(qū)外部電網(wǎng)系統(tǒng)脆弱，因電網(wǎng)自身需求，特殊地段牽引變電所外部電源進(jìn)線電壓經(jīng)常達(dá)到《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》(GB/T 12325—2008)規(guī)定的“供電電壓正、負(fù)偏差絕對(duì)值之和不超過(guò)標(biāo)稱電壓的10%”的極限值，造成接觸網(wǎng)饋出電壓接近《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(高速鐵路部分)》規(guī)定的短時(shí)最高工作電壓29 kV，在線路容性空載和動(dòng)車組再生制動(dòng)對(duì)接觸網(wǎng)電壓抬升的共同作用下，極易出現(xiàn)動(dòng)車組列車電制動(dòng)功率下降或電制動(dòng)失效問(wèn)題。新建鐵路線路開(kāi)通初期，列車對(duì)數(shù)或密度較小，此類問(wèn)題將尤為突出。

目前，電氣化鐵路牽引變壓器高壓側(cè)調(diào)壓范圍通常為±2×2.5%，每降低一檔理論上可實(shí)現(xiàn)27.5 kV側(cè)電壓下降687.5 V。在外部電源進(jìn)線電壓偏差較大區(qū)段，牽引變電所主變壓器調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)檔位調(diào)至最低檔(1檔)運(yùn)行后，仍不能滿足動(dòng)車組及電力機(jī)車運(yùn)行要求。如何適應(yīng)外部電源薄弱的特殊地區(qū)電壓偏差，確保電氣化鐵路動(dòng)車組及電力機(jī)車正常運(yùn)行，需要對(duì)牽引變壓器調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)參數(shù)設(shè)置方案進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化研究。

4　牽引變壓器調(diào)壓參數(shù)設(shè)置原則

4.1主要規(guī)程規(guī)范

(1)《電力變壓器選用導(dǎo)則》(GB/T 17468—2008)分接位置選擇規(guī)定： “分接頭一般按以下原則布置：a)在高壓繞組上而不是在低壓繞組上，電壓比大時(shí)更應(yīng)如此?！?/p>

分接位置一般原則規(guī)定：“在滿足使用要求的前提下，能用無(wú)調(diào)壓的盡量不用無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓；能用無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓的盡量不采用有載調(diào)壓；無(wú)勵(lì)磁分接開(kāi)關(guān)應(yīng)盡量減少分接數(shù)目，可根據(jù)電壓變化范圍只設(shè)最大、最小和額定分接?！?/p>

分接范圍規(guī)定：“應(yīng)盡量按實(shí)際需要設(shè)置分接范圍，一般按GB/T 6451—2008……選擇[4]?！?/p>

4.2牽引變壓器調(diào)壓參數(shù)設(shè)置

(1)牽引變壓器調(diào)壓方式應(yīng)根據(jù)《電力變壓器選用導(dǎo)則》(GB/T 17468—2008)要求，優(yōu)先采用高壓側(cè)無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓方式。

(2)對(duì)外部電源供電電壓偏差較大地區(qū)，在《電力變壓器》(GB 1094.1—2013)[6]規(guī)范下，110、220、330 kV電壓等級(jí)牽引變壓器調(diào)壓范圍應(yīng)不限于額定電壓±2×2.5%，調(diào)壓范圍可根據(jù)外部電源情況在±2×2.5%、±3×2.5%、±4×2.5%內(nèi)選擇。

(3)分接范圍可根據(jù)具體情況，按照《三相油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》(GB/T 6451—1999)[7]、《分接開(kāi)關(guān) 第1部分：性能要求和實(shí)驗(yàn)要求》(GB/T 10230.1—2007)[8]、《分接開(kāi)關(guān) 第2部分：應(yīng)用導(dǎo)則》(GB/T 10230.2—2007)[9]規(guī)定，在分接級(jí)數(shù)和級(jí)電壓不變的情況下，允許增加負(fù)分接級(jí)數(shù)，減少正分接級(jí)數(shù)，或增加正分接級(jí)數(shù)，減少負(fù)分接級(jí)數(shù)。

5　結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和鐵路網(wǎng)建設(shè)不斷完善，電氣化鐵路覆蓋地區(qū)越來(lái)越廣，各設(shè)計(jì)院要加強(qiáng)新線建設(shè)和電氣化改造工程外部電源情況調(diào)查相關(guān)工作，保證外部電源電壓等級(jí)滿足《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》(GB/T 12325+2008)規(guī)定。對(duì)部分外部電源電壓偏差較大地區(qū)，可按照以上牽引變壓器調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)參數(shù)設(shè)置原則進(jìn)行牽引變壓器選型，對(duì)目前新造尚未出廠的牽引變壓器，應(yīng)根據(jù)前期外部電源調(diào)查情況按照以上分接開(kāi)關(guān)參數(shù)設(shè)置原則進(jìn)行核對(duì)、調(diào)整，確保電氣化鐵路牽引變壓器調(diào)壓范圍滿足列車運(yùn)行需求。

[1]中國(guó)鐵路總公司.鐵總運(yùn)[2014]237號(hào)CRH5型動(dòng)車組途中應(yīng)急處理手冊(cè) [S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014.

[2]中國(guó)鐵路總公司.TG/01—2014鐵路技術(shù)管理規(guī)程[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014.

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 12325—2008電能質(zhì)量 供電電壓偏差[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[4]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 17468—2008電力變壓器選用導(dǎo)則[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[5]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 6451—2008油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[6]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB 1094.1—2013電力變壓器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[7]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 6451—1999三相油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[8]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 10230.1—2007分接開(kāi)關(guān) 第1部分：性能要求和實(shí)驗(yàn)要求[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[9]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 10230.2—2007分接開(kāi)關(guān) 第2部分：應(yīng)用導(dǎo)則[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[10]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10009—2005鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

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Study on Parameter Setting for Voltage Regulation of Electrified Railway Traction Transformer

LIU Yu-hui

(Transport Bureau of China Railway Corporation， Beijing 100844， China)

In view of the electric braking failure CRH5 motor train unit running on Lanzhou Xinjiang high speed railway and with reference to the excessive external power supply voltage deviation in the northwest part of China， this paper studies the outlet voltage of the traction transformer and analyzes the failure cause of the electric braking system. The principle of parameter setting for voltage regulation of traction transformer of electrified railway is proposed based on the comprehensive analysis of the failure causes in perspective of the adaptation to the external power supply deviation and the normal operation of motor train unit and electric locomotive．

Electrified railway; Transformer; Voltage regulation parameter; Deviation

2016-01-21；

2016-02-03

劉玉輝(1983—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：8030778@qq.com。

1004-2954(2016)08-0118-04

U224

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.025