馬志遠

（鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251）

牽引變電所采用110 kV和220 kV電壓等級供電分析

馬志遠

（鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251）

以青榮城際鐵路城陽牽引變電所為基礎(chǔ)，從供電臂末端網(wǎng)壓、諧波、三相不平衡等技術(shù)方面對該牽引變電所采用110 kV和220 kV兩個電壓等級供電進行分析。

城際鐵路；諧波；三相不平衡；電壓等級

青榮城際鐵路位于膠東半島中部地帶，連接了青島、煙臺、威海地區(qū)的主要城市，是半島城市群的重要聯(lián)絡(luò)通道，全長約300 km，動車組運行最高速度為250 km/h。全線新建城陽等6座牽引變電所，根據(jù)山東省電力集團公司意見，除城陽牽引變電所外其余5座牽引變電所采用220 kV電壓等級供電，而城陽牽引變電所受條件限制，要求該牽引變電所采用110 kV電壓等級供電。

本文將從供電臂末端網(wǎng)壓、諧波、三相不平衡度等方面詳細分析城陽牽引變電所采用110 kV 和220 kV電壓供電技術(shù)指標差異。

1 計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.1 動車組主要技術(shù)參數(shù)

我國電氣化鐵路客運專線及高速鐵路主要開行CRH系列動車組，主要型號有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH380A、CRH380B等，本線設(shè)計采用CRH2、CRH3型動車組。在不同網(wǎng)壓水平下，牽引傳動系統(tǒng)發(fā)揮的性能不同，以CRH3為例，如圖1所示。

圖1 CRH3網(wǎng)壓與輪軸牽引功率的關(guān)系

動車組功率、功率因數(shù)、諧波含量等參數(shù)見表1。

表1 動車組主要技術(shù)參數(shù)

1.2 城陽牽引變電所供電方案

城陽牽引變電所位于青島樞紐內(nèi)，距城陽車站約5 km，該變電所為青島樞紐內(nèi)青榮城際鐵路、膠濟客專、貨單線3條線路供電。青榮城際鐵路近期追蹤間隔為4 min，遠期為3 min，各條線路均采用帶回流線的直接供電方式，牽引變壓器采用三相VV接線，容量為 2×（31.5+31.5）MVA，青榮城際鐵路接觸網(wǎng)導(dǎo)線為JTM-120+ CTS-150，牽引網(wǎng)首端設(shè)置加強線，導(dǎo)線型號為LBGLJ-240。膠濟客專接觸網(wǎng)導(dǎo)線為JTM-95+CTA-120。

1.3 電力系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

城陽牽引變電所由山東電網(wǎng)的青島電網(wǎng)供電，根據(jù)電力部門相關(guān)報告，110 kV電壓等級供電方案由220 kV廣源站和220 kV空港站各出1回110 kV線路為城陽牽引變電所供電。220 kV電壓等級供電方案由220 kV黃埠嶺站和220 kV正陽站各出1回220 kV線路為城陽牽引變電所供電。各個站的短路容量見表2。

表2 各個變電站三相短路容量

2 供電臂末端網(wǎng)壓水平

牽引供電系統(tǒng)的電壓損失，包括電力系統(tǒng)電壓損失、牽引變壓器電壓損失和牽引網(wǎng)電壓損失。由于動車組的工作電壓有一定的范圍，供電臂的平均電壓水平影響列車的運行速度，以至將直接影響區(qū)段的通過能力和正常的運輸生產(chǎn)。為了確保動車組的正常運行，在牽引供電系統(tǒng)工程設(shè)計中，一般只計算嚴重的運行條件下的最大電壓損失，根據(jù)動車組的工作特性，在條件允許的情況下，受電弓最低電壓最好大于22.5 kV。

式中，ΔUmin為牽引網(wǎng)的電壓損失，kV；ΔUTmax為牽引變壓器的電壓損失，kV；ΔUs為電力系統(tǒng)的電壓損失，kV。

采用帶回流線的直接供電方式復(fù)線牽引網(wǎng)的電壓損失計算公式為

式中，Z1＇為計算列車方向牽引網(wǎng)單位等效阻抗，Ω／km；I1i為計算列車方向各區(qū)間列車帶電平均電流，A；l1i為計算列車方向各帶電列車與牽引變電所的距離，km；Z11＇為上、下行牽引網(wǎng)等效互阻抗，Ω／km；I1m為另一方向各區(qū)間列車帶電平均電流，A；l1m為輕負荷方向各帶電列車與牽引變電所的距離，km。

三相V/V接線變壓器最大電壓損失為

式中 ，Imax為供電臂最大電流；XT為變壓器電抗，Ω；φ為功率因數(shù)角。

電力系統(tǒng)的電壓損失為

式中，Xs為系統(tǒng)歸算至27 kV側(cè)系統(tǒng)阻抗，Ω。

根據(jù)公式（1）—（4）可以計算出供電臂末端最低網(wǎng)壓。本文以榮成方向供電臂為例，其中榮成方向供電臂最大電流為1 726 A，根據(jù)牽引能耗計算得出該段列車平均帶電電流約400～600 A,功率因數(shù)取0.95，110 kV牽引變電器短路阻抗取8.4%，220 kV牽引變電器短路阻抗取10.5%。牽引網(wǎng)單位等效阻抗為0.21Ω/km（帶加強線部分為0. 14Ω/km），互阻抗為0.06Ω/km（帶加強線部分為0.05Ω/km），分別計算出110 kV和220 kV供電條件下的末端最低網(wǎng)壓。

為降低110 kV電力系統(tǒng)電壓損失帶來的影響，110 kV牽引變壓器采用較低的短路阻抗比，使得兩個電壓等級供電的供電臂末端最低網(wǎng)壓均大于22.5 kV，可以較好地保證動車組牽引傳動性能的發(fā)揮。

3 諧波

根據(jù)國家標準GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量－公用電網(wǎng)諧波》，公用電網(wǎng)諧波電壓限值110 kV電壓總諧波畸變率不超過2%，各奇次諧波電壓含有率不超過1.6%，各偶次諧波電壓含有率不超過0.8%。結(jié)合該標準附錄C及各公共連接點母線的最小短路情況等，可得城陽牽引變電所注入系統(tǒng)的諧波電流允許值，見表3。

表3 注入系統(tǒng)的諧波電流允許值 A

a）諧波電壓計算。

n次諧波電壓含有率近似計算公式為

式中，n為諧波次數(shù)，由主變壓器原邊三相繞組流入電力系統(tǒng)的n次諧波電流，Sk為系統(tǒng)短路容量。

諧波電壓總畸變率計算

b）諧波電流計算。

供電臂中有多列列車存在時，諧波量的疊加簡化計算方法如下。

式中，m為供電臂中95%概率車數(shù)（m＞1）；If為供電臂中列車帶電平均電流；K3為動車組3次諧波含量百分值。

式中，Kn為動車組n次諧波含量百分值。

諧波電壓總畸變率和注入電網(wǎng)的各次諧波電流計算值見表4。

表4 諧波電壓總畸變率和注入電網(wǎng)的各次諧波電流值

牽引負荷引起的電壓總畸變率與短路容量成反比，由于220 kV系統(tǒng)短路容量大，且在同樣牽引負荷下220 kV電壓等級供電的牽引變電所向電網(wǎng)注入各次諧波電流為110 kV供電的1/2，允許注入電網(wǎng)的各次諧波電流值一般也比110 kV大。由上述計算結(jié)果也可看出，牽引變電所采用220 kV電壓等級供電對電力系統(tǒng)諧波的影響明顯小于110 kV電壓等級供電。

4 三相不平衡度

相間單相負荷引起負序電壓不平衡度為ε=S2/ Sk×100%，S2為牽引負荷最大負序功率（Kl=1），計算結(jié)果見表5。

表5 各公共連接點母線三相電壓不平衡度

依據(jù)GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量三相電壓不平衡》中4.2要求：接于公共連接點的每個用戶引起該點負序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%。采用110 kV電壓等級供電超過一般允許值，但未超過短時最大值。考慮計算值為最惡劣的工況，即一個供電臂滿載，另一供電臂空載，建議電力部門使用短時值進行考核。

5 結(jié)論

由上述對比分析可知，從技術(shù)指標上看，城陽牽引變電所采用220 kV電壓等級供電大大優(yōu)于110 kV電壓等級供電，對電力系統(tǒng)的諧波、負序影響均較小。從供電質(zhì)量、供電能力及對電力系統(tǒng)影響等考慮高速鐵路牽引變電所應(yīng)采用220 kV電壓等級供電。這也驗證了國家電網(wǎng)《電氣化鐵路牽引站接入導(dǎo)則（試行）》5.2供電電壓等級規(guī)定“重載、客運專線原則采用220 kV供電，個別不具備條件時，可采用110 kV供電”和高速鐵路規(guī)范TB 10621—2014中規(guī)定“供電電源應(yīng)采用220 kV或以上電壓等級，電力系統(tǒng)供電質(zhì)量應(yīng)符合國家相關(guān)規(guī)定”的正確性。

Analysis on the Power Supply Involving the Voltage Level of 110 kV and 220 kV in a Traction Substation

MA Zhiyuan

（The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin 300251,China)

Based on Qingdao-Rongcheng railway Chengyang traction substation,the power supply situations involving the voltage levelsof110 kV and 220 kV areanalyzed from the aspectsof terminalvoltage,harmonic,and three-phaseunbalance.

inter-city railway;harmonic;three-phaseunbalance;voltage level

TM74

B

1671-0320（2016）05-0064-03

2016-07-08，

2016-08-20

馬志遠（1982），男，天津人，2008年畢業(yè)于西南交通大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士，高級工程師，從事電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)設(shè)計工作。