曹建設

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)， 710043， 西安∥高級工程師)

我國市域軌道交通發(fā)展迅速，對于發(fā)揮中心城市輻射帶動作用及推進新型城鎮(zhèn)化發(fā)展起到了巨大作用。但由于初期軌道交通線網(wǎng)還不完善，與其他交通方式的接駁情況尚不理想，部分軌道交通線路開通初期客流量較小，行車密度遠低于設計的近、遠期的行車密度，導致部分線路開通初期牽引變電所負載率過低，功率因數(shù)遠遠達不到電力部門要求的0.9，地鐵運營部門因此被電力公司罰款嚴重。

本文以某市域軌道交通線路的兩座牽引變電所為例，以現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)為基礎，研究軌道交通負載率低對牽引變電所經(jīng)濟運行的影響。

1 某市域軌道交通牽引變電所現(xiàn)場測試

1.1 工程概況

某市域軌道交通線路采用單相工頻27.5 kV供電制式，兩座牽引變電所的牽引變壓器均采用一主一備，單臺運行，安裝容量均為2×(20+20) MVA。為節(jié)省工程投資，1座牽引變電所解列時，按加大追蹤間隔考慮，主變電所未按照完全備用考慮。同時，為降低報裝容量和固定電費，牽引變壓器容量按近期需要確定。該線路近、遠期的設計列車對數(shù)為：近期55對/d，遠期81對/d。

該軌道交通線路開通初期，牽引變電所A和牽引變電所B供電區(qū)段每天實際運行列車對數(shù)不及設計列車對數(shù)的一半。

1.2 牽引變電所現(xiàn)場測試分析

1.2.1 牽引變電所A測試分析

對牽引變電所A的原邊電流進行了實時測量。圖1顯示了牽引變電所A的原邊A相電流。

由圖1可見，牽引變電所A的原邊A相電流大部分時間接近于0。這表明該軌道交通線路開通初期列車開行對數(shù)較少，且測試期間牽引變電所A大部分時間處于空載狀態(tài)。

圖2為牽引變電所A的次邊a相電流。由圖2可見，牽引變電所A的次邊a相電流值在0附近的居多，表明該線路開通初期列車開行對數(shù)過少，且接觸網(wǎng)供電臂長時間處于空載狀態(tài)。

圖1 牽引變電所A的原邊A相電流Fig.1 Primary side A-phase current of traction substation A

圖2 牽引變電所A的次邊a相繞組電流Fig.2 Secondary side a-phase current of traction substation A

1.2.2 牽引變電所B測試分析

對牽引變電所B的原邊電流進行了實時測量。圖3顯示了牽引變電所B的原邊A相電流。

圖3 牽引變電所B的原邊A相電流Fig.3 Primary side A-phase current of traction substation B

由圖3可見，牽引變電所B的原邊A相電流大部分時間接近于0，這表明測試期間牽引變電所B大部分時間處于空載狀態(tài)。

同理，經(jīng)測試分析，牽引變電所B的次邊a相繞組電流值在0附近的居多，這表明該軌道交通線路開通初期列車開行對數(shù)過少。

2 牽引變電所負載率低對經(jīng)濟運行的影響

負載率低對牽引變電所的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面，由于接觸網(wǎng)分布電容等因素，負載率低使得牽引變電所的功率因數(shù)過低，導致電能質量不達標而被罰款嚴重；另一方面，牽引變壓器容量利用率低，采用兩部制電價計費方式時，每年需要交巨額固定電費[1-2]。

2.1 負載率低對牽引變電所功率因數(shù)的影響

通過對牽引變電所A的兩個供電臂的測試數(shù)據(jù)分析，得到牽引變電所A次邊a相繞組功率因數(shù)隨時間變化曲線，見圖4。

圖4 牽引變電所A的次邊a相功率因數(shù)隨時間變化曲線

由圖4可見，牽引變電所A的次邊a相功率因數(shù)變化范圍很大：接觸網(wǎng)有動車組運行時，牽引變電所A的次邊a相功率因數(shù)可接近于1；接觸網(wǎng)供電臂空載時，牽引變電所A的次邊a相功率因數(shù)非常低；再生制動工況下，牽引變電所A的次邊a相功率因數(shù)接近-1。

經(jīng)測試分析，牽引變電所A 1 d內的平均功率因數(shù)為0.66，牽引變電所B 1 d內的平均功率因數(shù)為0.57。這將導致電力公司對地鐵運營部門罰款，從而影響軌道交通運營的經(jīng)濟效益。

2.2 負載率低對牽引變壓器容量利用的影響

考察牽引變壓器容量的利用情況，一般需要考慮過負荷系數(shù)、繞組最熱點溫度兩個重要指標。

2.2.1 牽引變電所的負載率

基于負載率為視在功率與安裝容量的比值，根據(jù)測試數(shù)據(jù)先求得視在功率，然后得到牽引變電所的負載率變化曲線。牽引變電所A的次邊a相負載率變化曲線，見圖5。

牽引變壓器設計中一般要求其負載率不能超過3倍過負荷，并持續(xù)2 min[3]。由圖5可見，牽引變電所A的次邊a相負載率較低，遠未達到其3倍限值。經(jīng)統(tǒng)計分析，牽引變電所A的次邊a相空載率為95.11%，b相空載率為89.38%；牽引變電所B的次邊a相空載率為93.16%，b相空載率為96.30%。

圖5 牽引變電所A的次邊a相負載率隨時間變化曲線

2.2.2 牽引變電所穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)溫升計算[4]

在負載工況下，繞組最熱點溫度的計算公式為：

(1)

式中：

θh——繞組最熱點溫度，℃；

θa——環(huán)境溫度，℃；

Δθor——繞組頂部油溫升，K；

R——損耗比；

K——負載系數(shù)，為負載電流與額定電流的比值；

x——油的指數(shù)；

Hgr——熱點和頂部油溫的差值，K；

y——繞組指數(shù)。

頂層油的暫態(tài)溫升Δθbt的計算如下：

Δθbt=Δθbi+ (Δθbu-Δθbi)(1-e-t/τ0)

(2)

式中：

Δθbi——底層油的起始溫升；

Δθbu——時間t內所加負載的穩(wěn)態(tài)底部油溫升，K；

τ0——油時間常數(shù)。

同樣，隨著負載的增加，繞組和油的溫差將上升到一個新的數(shù)值。

繞組對油的暫態(tài)平均溫升Δθwt計算如下：

Δθwt=Δθws+ (Δθwf- Δθws)(1- e-t/τ)

(3)

Δθwf=Δθwf0Ky

(4)

式中：

Δθws——繞組對油的起始溫升，K；

Δθwf——時間t內所加負載的穩(wěn)態(tài)繞組對油溫升，K；

τ——繞組時間常數(shù);

Δθwf0——額定負載狀態(tài)下，繞組對油溫升，K。

2.2.3 牽引變電所a相繞組溫升計算

牽引變電所A的a相繞組溫升曲線見圖6。

圖6 牽引變電所A的a相繞組溫升曲線Fig.6 Temperature rise curve of a-phase of traction substation A

由圖6可見，牽引變電所A的a相繞組最熱點溫度低于50 ℃。同理，可分析出牽引變電所A的b相繞組最熱點溫度133 ℃，基本接近了140 ℃的限值，但牽引變壓器大部分時間處于空載狀態(tài)。

經(jīng)測試分析，牽引變電所B的兩個供電臂繞組最熱點溫度分別為82 ℃、45 ℃。由此可見，兩座牽引變電所的牽引變壓器容量均遠未得到充分利用。

3 牽引變電所的優(yōu)化設計

3.1 對負載率過低的牽引變電所設置無功補償

目前，軌道交通普遍采用交直交型電力機車。電力機車滿負荷運行時，功率因數(shù)接近于1。因此，牽引變電所設計時一般不考慮設置無功補償裝置。例如，廣佛環(huán)線城際鐵路、鄭登洛城際鐵路、西韓城際鐵路、溫州市域鐵路S1線均未設置無功補償裝置。但對于開通初期負載率過低的軌道交通項目，為避免電力公司的電能質量巨額罰款，設置無功補償裝置是非常必要的。

無功補償?shù)娜萘靠筛鶕?jù)牽引供電仿真或實測數(shù)據(jù)，分析牽引變電所平均無功功率后確定。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析，牽引變電所A的次邊a相繞組無功功率隨時間變化曲線見圖7。

同理，可得出牽引變電所A的次邊b相繞組無功功率隨時間變化曲線。牽引變電所A全天的無功功率平均值為91.5 kVar。同理，牽引變電所B全天的無功功率平均值為110.4 kVar。

軌道交通運營初期，出于成本考慮，牽引變電所的無功補償一般采用TCR(晶閘管控制電抗器)+FC(固定電容器)型靜止無功補償器。隨著SVG(靜止無功發(fā)生器)價格的大幅下降，目前城市軌道交通中SVG已經(jīng)成為無功補償?shù)氖走x設備。其既可以快速響應供電臂列車負荷變化、解決功率因數(shù)問題，亦可降低諧波含量。

圖7 牽引變電所A的次邊a相繞組無功功率隨時間變化曲線

3.2 合理確定牽引變壓器容量，按最大需量法繳納電費

對于采用兩部制電價計費方式的軌道交通，牽引變壓器容量對其運營成本影響較大。相關專業(yè)需充分考慮軌道交通運營初期線網(wǎng)還不完善，以及與其他交通方式的接駁尚不理想等因素，準確預測軌道交通開通初期的運量。牽引變電所A的安裝容量若由2×(20+20) MVA降低1個等級至2×(16+16) MVA，按所在省份每月的基本電價27元/kVA，則該市域軌道交通每年將節(jié)省固定電費259.2萬元。

電氣化鐵路按照大工業(yè)用電兩部制電價計費，其中固定電費和牽引變壓器安裝容量相關，亦取決于所在省份電氣化鐵路的基本電價。為適合牽引負荷波動大的特點，本文采用滑差法計算最大需量[5]。經(jīng)分析，牽引變電所A的實際最大需量為6 840 kVA，牽引變電所B的實際最大需量為4 500 kVA。由此可見，兩座牽引變電所的實際最大需量均小于其安裝容量的40%。因此，按照電力部門規(guī)定，基本電費按牽引變壓器安裝容量的40%計算。該市域軌道交通所在省份的基本電價，按變壓器容量計費時，每月為27元/kVA；按最大需量法計費時，每月為38元/kVA。根據(jù)計算，按最大需量法繳納基本電費，牽引變電所A和牽引變電所B每年均可節(jié)省基本電費566.4萬元。

4 結論

1) 軌道交通線路開通初期，由于線網(wǎng)不完善，以及與其他交通方式的接駁情況不理想等因素，部分牽引變電所負載率過低，空載率達到90%以上。

2) 負載率低會導致牽引變電所的功率因數(shù)過低，甚至會低于0.6，軌道交通運營公司因電能質量不達標而被嚴重罰款。

3) 通過對兩座牽引變電所牽引變壓器的過負荷系數(shù)及繞組最熱點溫度計算分析，負載率過低條件下兩座牽引變壓器容量遠未得到充分利用。

4) 對負載率過低的牽引變電所需設置無功補償裝置。該裝置的補償容量可根據(jù)牽引供電仿真或實測數(shù)據(jù)，分析牽引變電所的平均無功功率后確定。

5) 在準確預測軌道交通開通初期運量的基礎上，合理確定牽引變壓器容量，按最大需量法繳納電費以降低運營費用。經(jīng)計算，本文每座牽引變電所每年可節(jié)省基本電費566.4萬元。