三相V_v接線和單相I_i接線牽引變壓器的組合應(yīng)用

1、文章編號(hào) : 100128360 (2007) 0120109206三相 V , v 接線和單相 I , i 接線牽引變壓器的組合應(yīng)用楚振宇1 ,吳命利2 ,勁1 ,林宗良1張(1 . 鐵道第二勘察設(shè)計(jì)院 電化處 , 四川 成都 610031 ; 2 . 北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院 , 北京 100044)摘 要 :對(duì)某既有電氣化鐵路增建四線工程中一個(gè) 110 kV 單相牽引變電所的擴(kuò)能改建方案進(jìn)行了深入研究 ,通過(guò)對(duì)不同牽引變壓器接線型式與既有單相 I ,i 接線牽引變壓器的組合效果進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)比較后提出了利用三 相 V ,v 接線和單相 I ,i 接線牽引變壓器構(gòu)成組合三相平衡接線來(lái)降低

2、電氣化鐵道牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)序影 響 、充分利用供電能力的技術(shù)方案 。這種組合接線的應(yīng)用 ,既能降低對(duì)電力系統(tǒng)短路容量的要求 ,又增大了對(duì)不 平衡牽引負(fù)荷的負(fù)載能力 。對(duì)既有電氣化鐵路增建新線工程以及鐵路樞紐的牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值 。 關(guān)鍵詞 : 電氣化鐵道 ; 牽引變壓器 ; 負(fù)序 ; 組合平衡中圖分類號(hào) : U224文獻(xiàn)標(biāo)志碼 : ACombined Appl ication of Three2pha se V , v Connectionand Single2pha se I , i Connection Traction Transf ormerC H U Zhe n2yu

3、1 ,WU Mi ng2li2 ,Z H A N G J i n1 ,L IN Zo ng2lia ng1( 1 . Elect rificatio n Dep a rt ment , t he Seco nd Sur vey a nd De sign In stit ut e of Rail ways , Chengdu 610031 , Chi na ;2 . School of Elect rical Engi neeri ng , Beiji ng J iaoto ng U niver sit y , Beiji ng 100044 , Chi na)Abstract : The e

4、xp a n sio n sc he me s of a n 110 kV si ngle2p ha se t ractio n sub st atio n i n a n a dditio nal fo ur2t rac k co n2st r uctio n p roject of a n e xi st ed elect rified railway li ne a re st udied . The st atic a nd dyna mic co mp a ri so n s a mo ng t he eff ect s of coo r di natio n bet wee n d

5、iff e re nt t ractio n t ra n sfo r mer co nnectio n mo de s a nd t he e xi sti ng si ngle2 p ha se I ,i t ractio n t ra n sfo r me r a re ma de . The n t he co mbi ne d app licatio n of t he t hree2p ha se V ,v co n nectio n a nd t he si ngle2p ha se I , i co nnectio n of t he t ractio n t ra n sfo

6、 r mer i s reco mme nded to reduce t he ne gative p ha se se2 que nce i nf l ue nce of t he t ractio n lo a ds o n t he p a ve r supp l y sy st e ms of elect rifie d railwa y li ne s. Thi s co mbi ne dt hree2p ha se bala nce co nnectio n ca n re duce t he cap acit y de ma nd of utilitie s a nd i ncr

7、ea se t he supp l y cap a bilit y of i mbala nce t ractio n sub st atio n s. Thi s co mbi ne d bala nce sc he me will be of ref ere nce val ue to de si gn of t ractio n po we r supp l y syst e m s fo r railwa y t e r mi nal s a nd a dditio nal new li ne s of elect rified railway s.Key words : elect

8、rified railway ; t ractio n t ra n sfo r mer ; negative p ha se seque nce ; co mbi natio n bala nci ng某鐵路線位于經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū) ,沿線電網(wǎng)比較強(qiáng)大 ,復(fù)線電氣化時(shí)某牽引變電所距離地方電網(wǎng) 220 kV 變電站僅 2 k m 距離 ,且該變電站僅有 110 kV 空 閑間隔 ,而 110 kV 母線短路容量可高達(dá) 2 553 MV A 。經(jīng)電力部門進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和評(píng)估 ,牽引變電所采 用了 110 kV 單相接線變壓器 ,安裝容量 25 MV A ,進(jìn) 線相序?yàn)?A C 相 ,負(fù)序影響能滿足

9、國(guó)標(biāo)要求。然而隨 著沿線經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展 ,該鐵路線需要增建四線 ,以實(shí) 現(xiàn)客貨分線運(yùn)輸。既有復(fù)線作為貨運(yùn)線 ,新增三 、四線作為客運(yùn)線 ;在該所附近新增客運(yùn)線與既有復(fù)線基本并行 ;同該所相鄰的 2 個(gè)牽引變電所均采用 220 kV 供 電 ,負(fù)序承受能力較強(qiáng) , 能直接向客運(yùn)線和貨運(yùn)線供 電。經(jīng)過(guò)計(jì)算 , 若維持該所 110 kV 進(jìn)線及單相接線 變壓器的方案不變 ,同時(shí)向四線供電時(shí) ,變壓器需增容至 50 MV A ;而電網(wǎng)的快速發(fā)展使得該 220 kV 變電站1 條 220 kV 聯(lián)絡(luò)線開(kāi)環(huán)運(yùn)行 ,110 kV 母線系統(tǒng)短路 容量卻有所下降 ,從 2 553 MV A 下降到 2 483

10、MV A(約 3 %) 。牽引負(fù)荷大幅增加而短路容量下降 , 參照電力部門的評(píng)估過(guò)程 ,該所負(fù)序影響勢(shì)必超標(biāo) 。該所 若改造成 220 kV 變電所 ,則既有 110 kV 設(shè)備和基礎(chǔ)將均被廢棄 ,投資浪費(fèi)和改建費(fèi)用均較大。通過(guò)技術(shù)收稿日期 : 2005211225 ; 修回日期 : 2006201224作者簡(jiǎn)介 : 楚振宇( 1971 ) , 男 , 河南滎陽(yáng)人 , 高級(jí)工程師。E2ma il : chuzhenyu 126 . co m鐵道學(xué)報(bào)第 29 卷110經(jīng)濟(jì)比較 ,推薦維持既有供電設(shè)施向既有復(fù)線供電 ,新增牽引供電設(shè)施向新建客運(yùn)線供電。由于新增變壓器 與既有單相變壓器的外部電源均來(lái)

11、自地方變電站 110kV 母線 , 因此有必要對(duì)該所新增變壓器接線型式進(jìn)行比較 ,使之與既有單相變壓器組合后最大限度地降 低電鐵負(fù)荷對(duì)地方變電站 110 kV 母線的負(fù)序影響。= 1 I22I2h - I h I k + I k =4 3 1 I2 2 2h + I k1 + I k2 - I h I k1 - I h I k2 + 2 I k1 I k24 3( 2 )顯然 , 兩線牽引負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序電流分量將以120°夾角疊加。由于客運(yùn)負(fù)荷大于貨運(yùn)負(fù)荷 ( I k >I h ) , 因此負(fù)序影響將以客運(yùn)負(fù)荷為主 , 比目前的評(píng)估 水平還要嚴(yán)重。1 . 2 星三角 YN ,d

12、11 接線文獻(xiàn) 5 提出了星三角接線與單相接線組成平衡 接線 , 因此新增變壓器可考慮采用星三角接線、A CB 進(jìn)線相序 , 與既有單相變壓器組合連接在 110 kV 母線上 , 其中 B 相負(fù)荷能與既有單相變壓器的 A C 相負(fù) 荷組合成兩相平衡接線 , A 相負(fù)荷與右側(cè)相鄰既有所 B C 相負(fù)荷組合成兩相平衡接線 ( 由于兩所相距 45 k m ,且該所采用 110 kV 供電而右側(cè)相鄰既有所采用220 kV 供電 , 等效電氣距離較遠(yuǎn)而效果略差 , 故以下分析中忽略右側(cè)相鄰所的平衡作用) , 如圖 2 所示。新增變壓器的不同接線方案1我國(guó)牽引變壓器主要采用單相 I ,i 接線 、星三角Y

13、N ,d11 接線 、三相 V , v 接線和平衡接線 1 。若對(duì)新 增變壓器采用平衡接線 ,則客運(yùn)線負(fù)荷可做到自我平衡 ,但對(duì)貨運(yùn)線負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序沒(méi)有抑制作用 ,因此只 對(duì)單相 I ,i 接線、星三角 YN ,d11 接線 、三相 V ,v 接線3 種型式進(jìn)行比較 。以下 I h 表示貨運(yùn)線負(fù)荷電流 , I k1 、 I k2 分別表示客運(yùn)線左右供電臂負(fù)荷電流 , I k 表示客運(yùn) 線采用單相接線時(shí)總的負(fù)荷電流 , I k = I k1 + I k2 。為方便比較 , 先令客 、貨運(yùn)列車功率因數(shù)相等 , 各電流均取歸算值 , 以三相對(duì)稱電力系統(tǒng) A 相電壓為基準(zhǔn)相量。1 . 1單相 I ,i

14、 接線新增牽引變壓器 ( 以客運(yùn)線作標(biāo)記) 采用單相 I ,i接線 , 相序采用 B C 相 ; 與使用 A C 相的既有單相 I ,i接線變壓器 (以貨運(yùn)線作標(biāo)記) 組成 V ,v 接線 , 見(jiàn)圖 1 。同理 , 220 kV 地方變電站 110 kV 母線的剩余負(fù)序電流相量和模值可分別用式 ( 3 ) 、式 ( 4 ) 表示1 ( I h e - j60+ I k1 ej120 I2+ I k2 )( 3 )=4 3根據(jù)任何單相端口負(fù)荷電流產(chǎn)生的負(fù)序電流分量的角度等于該端口接線角的 2 倍這一原理 2 , 3 , 4 , 220 kV 地方變電站 110 kV 母線的剩余負(fù)序電流相量及 其

15、模值可分別由式 ( 1 ) 、式 ( 2 ) 表示12+ I h - I k1 I k2 + I2( I h - I k1 )()I2 =k2 =4312 222 I h I k1 + I h I k2 - I k1 I k2I h + I k1+ I k2-4 31 ( I h e - j60 + I k e - j180 )( 4 )顯然 , 貨運(yùn)線負(fù)荷與客運(yùn)線 B 相負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序 I2 =( 1 )4 3第 1 期三相 V ,v 接線和單相 I ,i 接線牽引變壓器的組合應(yīng)用111電流分量可相互抵消來(lái)降低負(fù)序影響。值得注意的是星三角變壓器容量利用率較低 1 , 安裝容量較大 , 運(yùn)營(yíng)

16、成本較高 。1 . 3三相 V ,v 接線新增變壓器采用三相 V ,v 接線 , 為使三相負(fù)荷盡 量均衡 , 進(jìn)線相序采用 A B C 相序 , 與既有牽引變壓器 組合連接在 110 kV 母線上 , 見(jiàn)圖 3 。I ,i + V ,v 組合三相平衡方案 1 ( 9 )I2 =A4 3比較式 ( 7 ) 式 ( 9 ) ,可得出以下結(jié)果 :( 1) 組合 V ,v 方案的剩余負(fù)序電流模值始終大于 組合三相平衡方案 ;(2) 當(dāng)新增供電范圍左右供電臂負(fù)荷極其不均衡且達(dá)到 2 I k2 < I k1 時(shí) ,組合兩相平衡接線方案對(duì)剩余負(fù) 序電流的削減作用最好 ;(3) 一般情況下 2 個(gè)供電臂

17、負(fù)荷相近 ( 如本線) ,I k1 I k2 ,因此通常組合三相平衡接線方案優(yōu)于組合兩 相平衡接線方案 ;而組合 V ,v 方案和組合兩相平衡方案則與供電臂負(fù)荷的具體大小有關(guān)。 供電臂負(fù)荷受列車種類、行車密度 、區(qū)間數(shù)、線路坡度等諸多因素影響 ,結(jié)合牽引計(jì)算結(jié)果可對(duì)以上 3種組合接線方案對(duì) 110 kV 母線剩余負(fù)序電流的影響 進(jìn)行比較 5 。2 . 2靜態(tài)比較 根據(jù)常規(guī)牽引計(jì)算得出的正常運(yùn)行和緊密運(yùn)行下各供電臂歸算的有效電流和平均電流代入式 ( 2 ) 、式( 4 ) 、式 ( 6 ) 后 ,電力變電站 110 kV 母線處剩余負(fù)序 電流的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 1 。表 1 各組合接線方案對(duì)電力變電

18、站 110 kV 母線剩余負(fù)序電流的靜態(tài)評(píng)估結(jié)果A同理 , 220 kV 地方變電站 110 kV 母線的剩余負(fù)序電流相量和模值可用式 ( 5 ) 、式 ( 6 ) 表示組合方案正常運(yùn)行緊密運(yùn)行I ,i + I ,i 組合 V ,v 接線I ,i + YN ,d11 組合兩相平衡接線I ,i + V ,v 組合三相平衡接線917 . 7441( I h e - j60+ I k1 ej180 + I k2 ej60 ) I2 =( 5 )62 . 1611 . 0662 . 9674 31I2+ I2+ I2I2=-I h I k1-I h I k2-I k1 I k2hk1k24 3由表 1

19、 可知 , I ,i + V , v 組合三相平衡接線的效果遠(yuǎn)好于其他 2 種組合方案 ; I ,i + YN , d11 組合兩相平 衡方案次之 ; I ,i + I ,i 組合 V ,v 方案效果最差 。2 . 3動(dòng)態(tài)比較靜態(tài)比較無(wú)法反映牽引負(fù)荷的真實(shí)特點(diǎn) 。供電臂 負(fù)荷具有單相獨(dú)立性和隨機(jī)波動(dòng)性 1 ,4 , 可用一個(gè)一 維隨機(jī)變量的二項(xiàng)式分布來(lái)描述 5 ,6 。根據(jù)式 ( 1) 、式(3) 、式 (5) ,110 kV 母線剩余負(fù)序電流可以看成一個(gè)在復(fù)平面上多維 ( 供電臂) 隨機(jī)變量的聯(lián)合分布函數(shù) ,可以對(duì)不同組合下 110 kV 母線剩余負(fù)序電流的分布 及其數(shù)學(xué)特征進(jìn)行計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和

20、比較。針對(duì)本所實(shí)際參數(shù) ,其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖 4 。分析剩余負(fù)序電流概率分布可有以下結(jié)論 :(1) I ,i + I ,i 組合 V , v 接線方案的剩余負(fù)序電流 平均值和 95 %最大值均最大 , 接近 I ,i + V , v 組合三相平衡接線方案的 2 倍 ; I ,i + YN , d11 組合兩相平衡 接線方案次之 ; I ,i + V ,v 組合三相平衡接線最小 ;( 6 ) 顯然 , 3 個(gè)端口的牽引負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序電流分量 相互間夾角為 120°, 可以構(gòu)成三相平衡系統(tǒng)來(lái)降低負(fù)序影響。方案比較22 . 1理論分析令I(lǐng)2 2 2h + I k1 + I k2 - I h I

21、 k1 - I h I k2 - I k1 I k2=A則式 ( 2 ) 、式 ( 4 ) 、式 ( 6 ) 可表示為 :I ,i + I ,i 組合 V ,v 方案1I2 =A + 3 I k1 I k2( 7 )4 3I ,i + YN ,d11 組合兩相平衡方案1A + I h ( 2 I k2I k1 )( 8 )I2=-4 3鐵道學(xué)報(bào)第 29 卷112供電臂區(qū)間數(shù)3 . 1(2) 組合兩相平衡接線方案和組合三相平衡接線方案在剩余負(fù)序電流的概率分布上比較接近 ;(3) I ,i + V ,v 組合三相平衡接線方案效果最好。2 . 4結(jié)果分析綜合以上比較結(jié)果 ,并考慮到三相 V , v

22、接線容量 利用率最高 (100 %) ,而 YN ,d11 接線牽引變壓器容量 利用率較低 (75 . 6 %) 、安裝容量較大的因素 ,推薦該所 改建工程中新增牽引變壓器采用三相 V ,v 接線 ,與既 有單相 I ,i 接線變壓器一起形成組合三相平衡接線方 案 ,對(duì)降低 110 kV 母線剩余負(fù)序電流的綜合效果為 最優(yōu)。各種組合接線方案對(duì)剩余負(fù)序電流的削減作用及影響因素3受各線列車種類 、行車速度等因素影響 ,2 臺(tái)變壓器的供電區(qū)間數(shù)并不均衡 。為方便比較 , 將單相 I , i接線變壓器整個(gè)供電范圍定義為 1 個(gè)供電臂 ,新增變?cè)诜治鲋邪l(fā)現(xiàn) ,影響各種組合接線方案削減剩余負(fù)序電流效果的因

23、素主要有供電臂區(qū)間 (或追蹤間隔)數(shù)的不同和列車功率因數(shù)的差異 。第 1 期三相 V ,v 接線和單相 I ,i 接線牽引變壓器的組合應(yīng)用113壓器供電范圍分為 2 個(gè)供電臂 ( 在供電方案設(shè)計(jì)時(shí)通常 2 個(gè)供電臂盡量均衡) 。當(dāng) 2 臺(tái)變壓器供電范圍內(nèi) 列車種類 、電流 、帶電概率等基本相同時(shí) ,在不同供電范圍比例下 ,各種組合接線下剩余負(fù)序電流的概率分布見(jiàn)圖 5 。比較圖 5 可知 , 在各種區(qū)間數(shù)組合情況下 , I ,i + V ,v 組合三相平衡方案削減剩余負(fù)序電流的效果始終 最好。3 . 2 列車功率因數(shù)當(dāng)列車類型不同時(shí) ,如本線客車采用高功率因數(shù)(0 . 97) 的交直交型電動(dòng)車組

24、 ,近期貨車采用交直型電 力機(jī)車 (功率因數(shù) 0 . 8 ) ,遠(yuǎn)期采用交直交型電力機(jī)車 (功率因數(shù) 0 . 97) ,還應(yīng)考慮功率因數(shù)不同對(duì)剩余負(fù)序 電流的影響。結(jié)合該所實(shí)際參數(shù)對(duì)功率因數(shù)的影響進(jìn) 行了計(jì)算 ,見(jiàn)表 2 。表 2 功率因數(shù)對(duì)各組合方案剩余負(fù)序電流的影響比較表AI ,i 變壓器供低功率因數(shù)負(fù)荷組合變壓器供高功率因數(shù)負(fù)荷I ,i 變壓器供高功率因數(shù)負(fù)荷組合變壓器供低功率因數(shù)負(fù)荷功率因數(shù)相同組合方案平均值95 %最大值平均值95 %最大值平均值95 %最大值I ,i + I ,i組合 V ,v 接線12 . 418 . 615 . 522 . 4914 . 7I ,i + YN ,

25、d11組合兩相平衡接線10 . 118 . 28 . 41612 . 220 . 5I ,i + V ,v組合三相平衡接線7 . 213 . 47 . 714 . 27 . 714 . 2比較表 2 中數(shù)據(jù)可知 :(1) 功率因數(shù)對(duì) I ,i + I ,i 組合 V ,v 接線方案和 I , i + YN , d11 組合兩相平衡接線方案的削減剩余負(fù)序 電流效果的影響較大 ,而對(duì) I ,i + V ,v 組合三相接線方 案影響最小 ;從相量圖也容易證明這一點(diǎn) ;(2) 功率因數(shù)對(duì) I ,i + I ,i 組合 V ,v 接線方案和 I , i + YN ,d11 組合兩相平衡方案的影響效果正好相反 ;(3) 在各種負(fù)荷分布下 , I ,i + V , v 組合三相接線 方案的效果依然最好 。(如高速鐵路) 時(shí) ,負(fù)序影響又較大 ,對(duì)電力系統(tǒng)供電能力要求較高 ,因此在實(shí)際工程中要獲得 220 kV 電源 進(jìn)線并不容易。本文提出的三相 V , v 接線和單相 I ,i 接線的組合三相平衡接線在降低單相接線變壓器接入 電力