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 : 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)計院 電化處 , 四川 成都 610031 ; 2 . 北京交通大學 電氣工程學院 , 北京 100044)摘 要 :對某既有電氣化鐵路增建四線工程中一個 110 kV 單相牽引變電所的擴能改建方案進行了深入研究 ,通過對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行靜態(tài)和動態(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降低

2、電氣化鐵道牽引負荷對電力系統(tǒng)的負序影 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 ,既能降低對電力系統(tǒng)短路容量的要求 ,又增大了對不 平衡牽引負荷的負載能力 。對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)計具有參考價值 。 關(guān)鍵詞 : 電氣化鐵道 ; 牽引變壓器 ; 負序 ; 組合平衡中圖分類號 : U224文獻標志碼 : 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)濟較發(fā)達地區(qū) ,沿線電網(wǎng)比較強大 ,復(fù)線電氣化時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 2 553 MV A 。經(jīng)電力部門進行技術(shù)經(jīng)濟比較和評估 ,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 線相序為 A C 相 ,負序影響能滿足

9、國標要求。然而隨 著沿線經(jīng)濟的快速發(fā)展 ,該鐵路線需要增建四線 ,以實 現(xiàn)客貨分線運輸。既有復(fù)線作為貨運線 ,新增三 、四線作為客運線 ;在該所附近新增客運線與既有復(fù)線基本并行 ;同該所相鄰的 2 個牽引變電所均采用 220 kV 供 電 ,負序承受能力較強 , 能直接向客運線和貨運線供 電。經(jīng)過計算 , 若維持該所 110 kV 進線及單相接線 變壓器的方案不變 ,同時向四線供電時 ,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)線開環(huán)運行 ,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 %) 。牽引負荷大幅增加而短路容量下降 , 參照電力部門的評估過程 ,該所負序影響勢必超標 。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 ,投資浪費和改建費用均較大。通過技術(shù)收稿日期 : 2005211225 ; 修回日期 : 2006201224作者簡介 : 楚振宇( 1971 ) , 男 , 河南滎陽人 , 高級工程師。E2ma il : chuzhenyu 126 . co m鐵道學報第 29 卷110經(jīng)濟比較 ,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

11、自地方變電站 110kV 母線 , 因此有必要對該所新增變壓器接線型式進行比較 ,使之與既有單相變壓器組合后最大限度地降 低電鐵負荷對地方變電站 110 kV 母線的負序影響。= 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 , 兩線牽引負荷產(chǎn)生的負序電流分量將以120°夾角疊加。由于客運負荷大于貨運負荷 ( I k >I h ) , 因此負序影響將以客運負荷為主 , 比目前的評估 水平還要嚴重。1 . 2 星三角 YN ,d

12、11 接線文獻 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 相負荷能與既有單相變壓器的 A C 相負 荷組合成兩相平衡接線 , A 相負荷與右側(cè)相鄰既有所 B C 相負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 。若對新 增變壓器采用平衡接線 ,則客運線負荷可做到自我平衡 ,但對貨運線負荷產(chǎn)生的負序沒有抑制作用 ,因此只 對單相 I ,i 接線、星三角 YN ,d11 接線 、三相 V ,v 接線3 種型式進行比較 。以下 I h 表示貨運線負荷電流 , I k1 、 I k2 分別表示客運線左右供電臂負荷電流 , I k 表示客運 線采用單相接線時總的負荷電流 , I k = I k1 + I k2 。為方便比較 , 先令客 、貨運列車功率因數(shù)相等 , 各電流均取歸算值 , 以三相對稱電力系統(tǒng) A 相電壓為基準相量。1 . 1單相 I ,i

14、 接線新增牽引變壓器 ( 以客運線作標記) 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 (以貨運線作標記) 組成 V ,v 接線 , 見圖 1 。同理 , 220 kV 地方變電站 110 kV 母線的剩余負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)任何單相端口負荷電流產(chǎn)生的負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 , 貨運線負荷與客運線 B 相負荷產(chǎn)生的負序 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降低負序影響。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 , 運營

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 , 為使三相負荷盡 量均衡 , 進線相序采用 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 方案的剩余負序電流模值始終大于 組合三相平衡方案 ;(2) 當新增供電范圍左右供電臂負荷極其不均衡且達到 2 I k2 < I k1 時 ,組合兩相平衡接線方案對剩余負 序電流的削減作用最好 ;(3) 一般情況下 2 個供電臂

17、負荷相近 ( 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荷的具體大小有關(guān)。 供電臂負荷受列車種類、行車密度 、區(qū)間數(shù)、線路坡度等諸多因素影響 ,結(jié)合牽引計算結(jié)果可對以上 3種組合接線方案對 110 kV 母線剩余負序電流的影響 進行比較 5 。2 . 2靜態(tài)比較 根據(jù)常規(guī)牽引計算得出的正常運行和緊密運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 母線處剩余負序 電流的計算結(jié)果見表 1 。表 1 各組合接線方案對電力變電

18、站 110 kV 母線剩余負序電流的靜態(tài)評估結(jié)果A同理 , 220 kV 地方變電站 110 kV 母線的剩余負序電流相量和模值可用式 ( 5 ) 、式 ( 6 ) 表示組合方案正常運行緊密運行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動態(tài)比較靜態(tài)比較無法反映牽引負荷的真實特點 。供電臂 負荷具有單相獨立性和隨機波動性 1 ,4 , 可用一個一 維隨機變量的二項式分布來描述 5 ,6 。根據(jù)式 ( 1) 、式(3) 、式 (5) ,110 kV 母線剩余負序電流可以看成一個在復(fù)平面上多維 ( 供電臂) 隨機變量的聯(lián)合分布函數(shù) ,可以對不同組合下 110 kV 母線剩余負序電流的分布 及其數(shù)學特征進行計算、統(tǒng)計和

20、比較。針對本所實際參數(shù) ,其計算結(jié)果見圖 4 。分析剩余負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 個端口的牽引負荷產(chǎn)生的負序電流分量 相互間夾角為 120°, 可以構(gòu)成三相平衡系統(tǒng)來降低負序影響。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鐵道學報第 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 ,對降低 110 kV 母線剩余負序電流的綜合效果為 最優(yōu)。各種組合接線方案對剩余負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接線變壓器整個供電范圍定義為 1 個供電臂 ,新增變在分析中發(fā)現(xiàn) ,影響各種組合接線方案削減剩余負序電流效果的因

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 個供電臂 ( 在供電方案設(shè)計時通常 2 個供電臂盡量均衡) 。當 2 臺變壓器供電范圍內(nèi) 列車種類 、電流 、帶電概率等基本相同時 ,在不同供電范圍比例下 ,各種組合接線下剩余負序電流的概率分布見圖 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序電流的效果始終 最好。3 . 2 列車功率因數(shù)當列車類型不同時 ,如本線客車采用高功率因數(shù)(0 . 97) 的交直交型電動車組

24、 ,近期貨車采用交直型電 力機車 (功率因數(shù) 0 . 8 ) ,遠期采用交直交型電力機車 (功率因數(shù) 0 . 97) ,還應(yīng)考慮功率因數(shù)不同對剩余負序 電流的影響。結(jié)合該所實際參數(shù)對功率因數(shù)的影響進 行了計算 ,見表 2 。表 2 功率因數(shù)對各組合方案剩余負序電流的影響比較表AI ,i 變壓器供低功率因數(shù)負荷組合變壓器供高功率因數(shù)負荷I ,i 變壓器供高功率因數(shù)負荷組合變壓器供低功率因數(shù)負荷功率因數(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 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序 電流效果的影響較大 ,而對 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 ;(2) 功率因數(shù)對 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 ,負序影響又較大 ,對電力系統(tǒng)供電能力要求較高 ,因此在實際工程中要獲得 220 kV 電源 進線并不容易。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