許 紅

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電化電信處,天津 300251)

1 概述

通常位于車站的電力變配電所,由于負(fù)擔(dān)著大量的要求持續(xù)供電的一級(jí)負(fù)荷,為滿足切換時(shí)間需要,應(yīng)采用雙電源同時(shí)運(yùn)行的方式。在某一路電源失電時(shí),另一路電源要保證對(duì)其兩段母線上的所有負(fù)荷進(jìn)行供電。向供電部門申請(qǐng)報(bào)裝的變壓器容量亦應(yīng)按照兩段母線上所帶的總?cè)萘坑?jì)算,而在正常運(yùn)行時(shí)每一路電源只帶大約一半的負(fù)荷運(yùn)行。

目前,在一些電氣化鐵路項(xiàng)目中,為了節(jié)省投資或滿足集約化設(shè)計(jì)的要求,有的項(xiàng)目將電力變配電所與牽引變電所合建或共用外部電源；另外有些電力變配電所無法就近獲取10 kV或35 kV電源時(shí),利用牽引電源也是一個(gè)很好的解決途徑。

牽引變電所的電壓等級(jí)一般為220/27.5 kV或110/27.5 kV,由于不像電力負(fù)荷那樣要求極快的切換時(shí)間,為了節(jié)省基本電費(fèi),降低損耗,兩臺(tái)變壓器通常采用主備運(yùn)行方式。這樣,若電力直接由備用的牽引變壓器二次側(cè)取得電源時(shí),運(yùn)行方式往往不能滿足需要。

因此,如果電力變配電所與牽引變電所合建,存在兩個(gè)技術(shù)問題需要研究解決。

一是電力如何獲取可以同時(shí)運(yùn)行的雙電源,而不導(dǎo)致因備用牽引變壓器長期投入,致使基本電費(fèi)大幅增加。

二是電力設(shè)備與牽引變配電設(shè)備之間如何協(xié)調(diào),確保設(shè)備的生產(chǎn)、保護(hù)、安裝是可行的。

以下就此進(jìn)行幾個(gè)典型情況的分析。

2 幾種由牽引變電所獲取電力電源的基本設(shè)計(jì)方案及分析

2.1 將電力專用動(dòng)力變壓器接于牽引變電所220(110)kV電源側(cè)(圖1)(方案1)

圖1 電力專用變壓器接于牽引變電所220(110)kV側(cè)示意

在圖1中,Qb是牽引變壓器,Db是動(dòng)力變壓器。專用動(dòng)力變壓器均接在牽引變壓器220(110)kV側(cè)的斷路器之前,因此不受牽引變壓器運(yùn)行方式的影響。

這種接線方案供電可靠,而且電源質(zhì)量好,電力機(jī)車反饋到一次系統(tǒng)母線的電壓波動(dòng)影響甚微。從理論上講,這是最為理想的方案,但在工程實(shí)際中卻存在如下問題。

(1)除了個(gè)別的樞紐級(jí)的中心電力變電所,多數(shù)鐵路電力變電所的安裝容量不超過10 000 kVA。而標(biāo)準(zhǔn)制造系列的變壓器,110 kV的最小容量為8 000～10 000 kVA,220 kV的最小容量為20 000～31 500 kVA。這意味著多數(shù)合建變電所的電力專用變壓器只能采用非標(biāo)產(chǎn)品,價(jià)格相對(duì)較高,可靠性也不如標(biāo)準(zhǔn)系列的變壓器。

(2)當(dāng)變壓器容量相對(duì)于220 kV(110 kV)系統(tǒng)過小時(shí),其一次電流可能會(huì)小至只有幾安培,影響測量和保護(hù)精度,甚至達(dá)不到靈敏度的要求,相應(yīng)的一次支撐和絕緣器件也可能在尺寸和強(qiáng)度上不匹配。

2.2 電力專用動(dòng)力變壓器接于牽引變電所27.5 kV母線上(方案2)

采用27.5(35)/10 kV的電力專用變壓器,直接接于牽引變電所27.5 kV母線,能夠解決220 kV(110 kV)/10 kV變壓器容量過小時(shí)帶來的問題,還能節(jié)省投資,但需要犧牲電能質(zhì)量,承受較大的電壓波動(dòng)和諧波,而且也不能實(shí)現(xiàn)雙電源同時(shí)運(yùn)行。

在此,以客運(yùn)專線采用的220 kV供電系統(tǒng)為例,做個(gè)簡要計(jì)算和分析,見圖2。

其中：Zs=U2/Sd；Zb=U2/Sb×Ud%。對(duì)于220 kV系統(tǒng),Sd一般為3 000～12 000 MVA,取3 000 MVA。Sb一般為40 MVA,Ud%=10.5%。

注:Zs為系統(tǒng)阻抗；Zb為變壓器阻抗；Zl為線路阻抗(暫且忽略不計(jì))。

代入后：Zs=27.52/3 000=0.252 1，

Zb=27.52/40×10.5%=1.985。

變壓器額定電流Ie=Sb/Ue=40 000/27.5=1 455 A

過載倍數(shù)取1.3,I=1 455×1.3=1 892 A

電壓偏差ΔU=I×(Zs+Zb)=4.3 kV

電壓偏差與標(biāo)稱電壓之比ΔU%=4.3/27.5×100%=15.6%

在《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》(GB/T12325—2008)中對(duì)供電電壓偏差限值的規(guī)定：35 kV及以上供電電壓正、負(fù)偏差絕對(duì)值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%；20 kV及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%。

由以上簡要計(jì)算可知,當(dāng)電力機(jī)車通過時(shí),27.5 kV母線上的電壓波動(dòng)或電壓偏差已超出國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。不過,盡管其電能質(zhì)量不好,但對(duì)絕大多數(shù)電力負(fù)荷而言,還不至于引起設(shè)備誤動(dòng)作或者損壞(但會(huì)降低設(shè)備壽命),因此作為一個(gè)不得已的電源解決途徑尚可接受。

2.3 從三繞組牽引變壓器接引電力電源(方案3)

選用三繞組的牽引變壓器,將其中的一個(gè)繞組做成220(110)/10 kV,電力電源由該繞組獲取。這能使設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊,節(jié)省房屋和占地，但存在以下問題。

由于磁耦合作用,27.5 kV副邊的電壓波動(dòng)或電壓偏差也會(huì)間接影響10 kV副邊的電能質(zhì)量,但沒有2.2方案明顯；另外該方案使電力變壓器的運(yùn)行方式與牽引變壓器完全一致,不能實(shí)現(xiàn)雙電源同時(shí)運(yùn)行；電力與牽引在設(shè)備檢修時(shí)也會(huì)互相影響。

2.4 幾種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

上述幾種設(shè)計(jì)方案,不僅基本建設(shè)投資不同,電價(jià)政策也會(huì)影響運(yùn)營成本,需要進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,合理確定實(shí)施方案。

當(dāng)存在其他可選電源時(shí),由于電價(jià)的不同(通常220(110) kV較10 kV的要低),會(huì)影響供需雙方的運(yùn)營經(jīng)濟(jì)指標(biāo),電力與牽引共用電源的方案也有可能被電力公司否決。這個(gè)問題情況比較復(fù)雜,本文不做贅論。

具體工程應(yīng)針對(duì)具體數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。本文僅假定以下條件做一分析。

(1)除了牽引電源,沒有其他電源可以利用,僅在共用電源的不同方案之間進(jìn)行比較。

(2)大部分地區(qū)的供電公司實(shí)行兩部式電價(jià),其基本管理辦法是：電價(jià)=基本電價(jià)+電度電價(jià),取基本電價(jià)為25元/月 kVA。只考慮電力引起的基本電費(fèi)增量。

(3)電力變壓器需要的安裝容量分別取1 000 kVA和10 000 kVA,當(dāng)由牽引變壓器副邊獲取電力電源時(shí),認(rèn)為1 000 kVA的電力容量不導(dǎo)致牽引變壓器容量升級(jí)；10 000 kVA的電力容量導(dǎo)致牽引變壓器容量同等升級(jí)。

(4)因各方案均取220(110) kV公網(wǎng)電源,電度電費(fèi)相同,不比較這個(gè)不變的部分。

(5)以解決一路電源為例。

表1、表2分別為電力變壓器需要的安裝容量在1 000 kVA和10 000 kVA時(shí)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

通過比較可以看出,當(dāng)外部電源為220 kV,并且電力需求容量不大、牽引變不需為電力負(fù)荷增大安裝容量時(shí),采用220/10 kV變壓器方案與三繞組方案相比,基本建設(shè)費(fèi)用差別不大。但運(yùn)營年限越長,越不具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,需要根據(jù)工程具體需求取舍。而采用27.5/10 kV變壓器具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,雖需要犧牲一定的電能質(zhì)量,在供電對(duì)象單一,且對(duì)電能質(zhì)量要求不高的情況下,也是一個(gè)可以考慮的選擇。

表1 電力變壓器需要的安裝容量為1 000 kVA的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較 萬元

表2 電力變壓器需要的安裝容量為10 000 kVA的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較 萬元

當(dāng)外部電源為220 kV,并且電力需求容量較大時(shí),采用220/10 kV變壓器方案與三繞組方案相比,經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相當(dāng),應(yīng)優(yōu)選電能質(zhì)量好的220/10 kV變壓器方案,其可行性亦較高；而采用27.5/10 kV變壓器雖然具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,但由于需要犧牲一定的電能質(zhì)量,除非投資緊張,負(fù)荷重要程度不高,或用于階段性過渡,原則上不宜采用。

當(dāng)外部電源為110 kV時(shí),110/10 kV變壓器方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較適中,較三繞組方案有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,宜優(yōu)選之,但對(duì)于電力容量需求小的情況,需考慮運(yùn)營費(fèi)用問題綜合確定；盡管27.5/10 kV變壓器方案也是節(jié)省的,但相對(duì)110/10 kV變壓器和三繞組變壓器的投資節(jié)省有限,一般宜僅用于對(duì)電能質(zhì)量要求不高的單一類別負(fù)荷的情況。

3 鐵路電力需求及電源狀況

鐵路電力配電所大多位于大、中型車站,比較典型的安裝容量通常在1 000～8 000 kVA,其中只為區(qū)間供電的配電所基本都在1 000 kVA上下；一些大型樞紐級(jí)的中心變電站、整備基地、特大站房的變配電所可超過10 000 kVA；個(gè)別為特大站房和整備基地同時(shí)供電的甚至可能達(dá)到40 000～60 000 kVA。

位于大型樞紐、大型車站的電力變配電所,供有大量的一級(jí)負(fù)荷,通常都需要采用雙電源同時(shí)運(yùn)行方式,一般也容易取得外部電源,或容易取得其中的一路電源。在這種情況下,電力與牽引共用電源主要是為了節(jié)省投資或運(yùn)營費(fèi)用,以及獲得集約化的總體效果。

而一些邊遠(yuǎn)地區(qū)的中間站,則有可能在幾十千米,甚至上百千米范圍無法取得地方配網(wǎng)系統(tǒng)的電源,這時(shí)非常有必要研究利用牽引電源的問題。這類變配電所的車站負(fù)荷不大,主要供電對(duì)象是區(qū)間,在多數(shù)情況下,采用單電源或雙電源一主一備運(yùn)行也能滿足要求。

4 電力與電牽共用電源的典型工況基本設(shè)計(jì)策略分析

4.1 樞紐級(jí)的鐵路中心電力變配電所

這類變配電所的安裝容量低的能達(dá)到10 000 kVA,高的能達(dá)到幾萬千伏安,具有在牽引變電所設(shè)置220(110)/10 kV變壓器的先天有利條件,從而也就容易實(shí)現(xiàn)兩路電源同時(shí)運(yùn)行。而且其一般位于發(fā)達(dá)區(qū)域,專門引取兩路外部電源大多是容易做到的。因此,方案設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)不是解決電源匱乏問題,只要投資合理,利于運(yùn)營,原則上就可采用共用電源方案。具體工程根據(jù)實(shí)際情況分析,既可以利用其中的一路,也可全部利用。

利用牽引變一路電源時(shí),采用圖1(a)的結(jié)線形式；利用兩路電源時(shí),采用圖1(b)的結(jié)線形式。

4.2 一般的地區(qū)性鐵路電力變配電所

這類配電所安裝容量多為幾千千伏安,通常處于當(dāng)?shù)毓╇姽驹试S的10 kV接入容量之內(nèi),且容易取得外部電源,同時(shí)又在220(110)/10 kV變壓器的不合理容量區(qū)間內(nèi)。因此,當(dāng)牽引變一次側(cè)為220 kV電源時(shí),原則上不宜將電力和電牽共用電源；當(dāng)牽引變一次側(cè)為110 kV時(shí),需要分析工程實(shí)際,做好技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定是否共用電源。如果共用電源,亦可采用圖1(a)或圖1(b)的結(jié)線形式。

地區(qū)性配電所必然存在大量的對(duì)供電要求高的負(fù)荷,所以除非萬不得已,一般不應(yīng)利用27.5 kV母線作為電力電源。

4.3 鐵路區(qū)間電力變配電所

這類配電所的安裝容量通常不超過1 000 kVA,最有可能處于偏僻地區(qū),從而無法取得外部電源,因此最需要研究利用牽引電源的問題。

區(qū)間配電所利用牽引電源有利的一面是，如果當(dāng)?shù)匾患?jí)負(fù)荷的量不大,可以只引入一路電源,或兩路電源主備運(yùn)行,其與牽引變的運(yùn)行方式?jīng)]有矛盾；而不利的一面就是容量太小,設(shè)220(110)/10 kV電力變壓器的可行性很差。

綜合以上分析,筆者建議：

(1)有條件獲得外部電源時(shí),不利用牽引電源；

(2)不得不利用牽引電源時(shí),優(yōu)先選用三繞組方案；

(3)電力配電所采用雙電源一主一備運(yùn)行方式時(shí),主電源采用三繞組方案,備用電源可考慮采用27.5/10 kV變壓器方案,以求節(jié)省投資。

典型結(jié)線關(guān)系見圖3。

圖3 區(qū)間配電所電力與電牽共用電源典型結(jié)線示意

5 結(jié)語

當(dāng)電力負(fù)荷很大時(shí),易于實(shí)現(xiàn)電力與電牽的電源共用；電力負(fù)荷很小且位置偏僻時(shí),往往最需要電源共用,但同時(shí)難于解決的技術(shù)問題也最多。因此,電力變配電所與牽引變電所共用電源是個(gè)綜合性的問題,必須建立在系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析基礎(chǔ)上才能成立。設(shè)計(jì)前期必須結(jié)合工程實(shí)際,綜合研究包括電能質(zhì)量、運(yùn)行方式、保護(hù)、設(shè)備供貨和安裝、經(jīng)濟(jì)合理性等多方面的因素,進(jìn)行充實(shí)的論證。否則,如果貿(mào)然確定共用電源方案,將給下一階段的實(shí)施帶來困難,引起不必要的變更設(shè)計(jì)。

需要特別指出的是：原則上不建議利用牽引變電所的27.5 kV電源,只能在別無選擇的情況下,考慮列車追蹤間隔水平謹(jǐn)慎利用,而且其用電負(fù)荷必須是比較單一,并且對(duì)電壓波動(dòng)不敏感的設(shè)備。

[1]GB/T12325—2008,電能質(zhì)量供電電壓偏差[S].

[2]李群湛,賀建閩.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學(xué)出版社,2007.

[3]TB10008—2006,鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]TB10009—2005,鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].