趙 強(qiáng)，張潤(rùn)寶，薛玉霞，楊 征

0 引言

當(dāng)前，鐵路電氣化的發(fā)展正趕上黃金機(jī)遇期，高速鐵路客運(yùn)專線建設(shè)大規(guī)模鋪開，既有線電氣化改造大力推進(jìn)，到2012年全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到11萬km，復(fù)線率和電氣化率都達(dá)到50%以上，其中，時(shí)速200 km及以上客運(yùn)專線和城際鐵路里程將達(dá)到1.3萬km，繁忙干線實(shí)現(xiàn)客貨分線。

供電系統(tǒng)在電氣化鐵道中的地位尤為重要。工頻單相交流制供電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、交流電力機(jī)車粘著性能和牽引性能好、對(duì)地下金屬的腐蝕作用小等特點(diǎn)，在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。由于牽引負(fù)荷具有單相移動(dòng)和時(shí)刻變化的特點(diǎn)，因此對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生了不良影響，尤其是在三相電力系統(tǒng)中產(chǎn)生隨機(jī)波動(dòng)的負(fù)序電流。為盡量減輕單相牽引負(fù)荷給電力系統(tǒng)造成的負(fù)序負(fù)擔(dān)，我國(guó)普遍采用在變電所進(jìn)行換相連接的供電方式。換相連接的準(zhǔn)確與否，直接影響了電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和接觸網(wǎng)以及變電所的安全運(yùn)行，本文對(duì)換相連接方式及作用進(jìn)行介紹，并對(duì)在施工、改造、運(yùn)行中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析和總結(jié)，提出有關(guān)加強(qiáng)和改進(jìn)的有效措施。

1 換相連接的方式

所謂換相連接就是把牽引變電所的變壓器輪換著接到電力系統(tǒng)的不同相上，一般通過3個(gè)變電所形成一次循環(huán)，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)各相負(fù)荷盡量均衡，減少負(fù)序電流的影響。

同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，2個(gè)牽引變電所之間的對(duì)應(yīng)分區(qū)上的電壓同相，為了避免接觸網(wǎng)分相裝置承受高電壓，在實(shí)際應(yīng)用中采用了相鄰變電所反相接地的方法。牽引變電所的換相既要滿足供電系統(tǒng)的負(fù)荷平衡，又要滿足接觸網(wǎng)分相裝置承受的電壓要求，下面以石德線變電所為例進(jìn)行說明。圖1是該所V/v接線牽引變壓器的換相連接圖。

從圖1可以看出，3個(gè)牽引變電所正好換了3次相，所以對(duì)于電力系統(tǒng)也是3個(gè)牽引變電所形成對(duì)稱連接。各變電所2個(gè)供電臂的供電方法，通過反相接地使分相裝置承受的電壓相位差為60°，即變電所分相裝置所承受的電壓ΔU1為牽引網(wǎng)的額定電壓27.5 kV，如果不通過反相接地，則分相裝置之間的電壓相位差120°，通過勾股定理可以求出變電所分相裝置承受的電壓ΔU2為牽引網(wǎng)的額定電壓的倍，即47631 V；各分區(qū)所由于通過換相為同相電，分區(qū)所兩端承受的電壓相位差為0°，即分區(qū)所分相裝置承受的電壓理論上為0，由于2個(gè)變電所相位不能完全相同，再加上系統(tǒng)的影響，實(shí)際分區(qū)所承受的電壓為900 V左右。

通過換相可使變電所和分區(qū)所分相裝置承受的電壓盡可能低，電力系統(tǒng)的負(fù)荷也盡可能平衡，分相裝置電壓降低減少了分相絕緣故障的發(fā)生，保證了接觸網(wǎng)的安全供電；負(fù)荷分配的平衡，減少了負(fù)序電流和諧波對(duì)電力系統(tǒng)的污染，保證了電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

圖1 石德線牽引變電所主變壓器換相接線圖

圖2 反相接地和不接地電壓相量圖及電壓差示意圖

2 換相問題及解決方案

2.1 石家莊西變電所供電范圍簡(jiǎn)介

石家莊西變電所是一個(gè)大型樞紐變電所，改造前共有7條饋線，改造后共有11條饋線。4條供給石太客運(yùn)專線上下行；4條供給石太線和石德線工業(yè)站上下行；1條供給石家莊西站場(chǎng)和機(jī)務(wù)折返段；2條供給京廣聯(lián)絡(luò)線石玉上下行。石家莊西變電所改造后與各供電分區(qū)的關(guān)系見圖3。

圖3 石家莊西變電所相鄰供電分區(qū)及電壓相位示意圖

2.2 換相問題及原因分析

（1）變壓器因相位差不正確不能使用。

石家莊西變電所主變壓器設(shè)計(jì)的換相接線見圖4，向工業(yè)站分區(qū)所供電為UAB，向上安開閉所和DK20分區(qū)所供電為-UBC。從圖3各相鄰供電分區(qū)相位關(guān)系可以得出表1各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

表1 換相后的各分相裝置處正確的相位差和承受的電壓值表

由于設(shè)計(jì)給的換相圖沒有對(duì)接線組別具體說明，通過向變壓器廠家咨詢，x1與 x2相連接，其他2個(gè)端子輸出為V/V0接線，根據(jù)廠家說明向石家莊方向供電為V/V0，向太原方向供電為V/V6。當(dāng)時(shí)沒有考慮到該接線對(duì)所內(nèi) 10 kV變壓器的影響，按照設(shè)計(jì)圖施工后，送電時(shí)發(fā)現(xiàn)10 kV變壓器不能使用，分析原因找出變電所主變壓器二次相位差不正確，應(yīng)該為60°，該接線實(shí)際為120°，電壓差應(yīng)為27.5 kV，實(shí)際電壓差達(dá)到了47631 V，及時(shí)將所用電變壓器退出了運(yùn)行，避免了所用電變壓器燒損。

（2）進(jìn)線側(cè)換相不正確造成分區(qū)所分相裝置承受高電壓。

2009年3月10日，將變電所主變壓器接線改為V/V6，這樣變電所內(nèi)10 kV變壓器能正常使用了，但是在工業(yè)站分區(qū)所和上安開閉所通過電壓互感器二次核相，發(fā)現(xiàn)換相仍不正確，具體測(cè)得的數(shù)據(jù)和計(jì)算出的相位角見表2。

圖4 石家莊西站變電所設(shè)計(jì)給的換相接線圖

表2 第二次調(diào)整接線后分區(qū)所測(cè)得的電壓值和計(jì)算出的相位角表

表2測(cè)得的電壓值可以得出相位角，通過與正確相位角相比較，發(fā)現(xiàn)換相仍不正確。石家莊西變電所供向石德線土賢莊分區(qū)所和京廣聯(lián)絡(luò)線的電壓應(yīng)為UAB，通過表2測(cè)得的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)實(shí)際為UCA，說明主變壓器進(jìn)線側(cè)B、C相需要互換，同時(shí)V/V6接線也不正確，應(yīng)接為V/V0接線。這樣上安開閉所分相和石太客運(yùn)專線分相相位差不會(huì)發(fā)生變化，即上安開閉所分相相位差仍為30°，石太客運(yùn)專線分相相位差仍為0°，但石德線和京廣聯(lián)絡(luò)線仍會(huì)發(fā)生變化。

2009年3月12日對(duì)上述接線進(jìn)行了調(diào)整，對(duì)4處分相裝置進(jìn)行了核相，測(cè)得的數(shù)據(jù)見表3，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足要求，保證了換相的正確和設(shè)備的安全運(yùn)行。

表3 第三次調(diào)整接線后V/V0接線分區(qū)所測(cè)得的電壓值和計(jì)算出的相位角表

3 變電所換相故障

（1）上安開閉所分相裝置擊穿故障。1992年12月，上安開閉所發(fā)生一起分相裝置擊穿故障，造成中斷石太線鐵路運(yùn)輸2h。事后對(duì)該起故障分析，發(fā)現(xiàn)石家莊西站變電所換相錯(cuò)誤。原來分相裝置應(yīng)為同相位，幾乎沒有電壓差，錯(cuò)誤換相造成分相上安開閉所分相裝置兩側(cè)應(yīng)為-UB，石家莊西站變電所輸出的是-UC。承受了倍的牽引網(wǎng)電壓，達(dá)到了47631 V，在高電壓的作用下隨著分相絕緣滑板的磨損，器械式分相材質(zhì)的絕緣性能急劇下降，造成了分相絕緣擊穿和燒損。

（2）石太鐵路客運(yùn)專線東凌井變電所換相接線錯(cuò)誤造成10 kV變壓器不能使用。2009年3月20日，石太鐵路客運(yùn)專線東凌井變電所開通送電，送電后發(fā)現(xiàn)變電所所用電變壓器不能使用，檢查發(fā)現(xiàn)施工接線錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)要求接成 V/V6，而實(shí)際接線接成一側(cè)為V/V0，一側(cè)為 V/V6，這樣變電所2個(gè)供電臂的相位差為120°，電壓達(dá)到了47631 V，而不是60°時(shí)的27500 V，所以所用電變壓器不能使用，調(diào)整接線后所用電變壓器恢復(fù)正常。

4 改進(jìn)措施

為避免在施工和運(yùn)行中發(fā)生換相錯(cuò)誤，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作得出以下幾項(xiàng)措施：

（1）統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范變壓器的接線組別。V/v變壓器在新建電氣化鐵道和高速鐵路中得到了廣泛應(yīng)用，但V/v變壓器接線組別尚不規(guī)范，有的廠家規(guī)定x1和x2相連，a1和a2輸出為V/V0接線，反之為V/V6接線；而有的廠家則規(guī)定x1和a2相連，a1和x2輸出為V/V0接線，反之為V/V6接線。而有的廠家不用a1和x2標(biāo)識(shí)，而用t1和t2標(biāo)識(shí)。變壓器一次側(cè)的中間相標(biāo)識(shí)有的廠家標(biāo)C，有的廠家標(biāo)識(shí)B，也比較亂。這樣各廠家標(biāo)識(shí)不規(guī)范，同名端就各不相同，造成設(shè)計(jì)給出的換相連接圖與廠家的標(biāo)識(shí)不一致，多次在施工中發(fā)生接錯(cuò)線現(xiàn)象。

為此應(yīng)統(tǒng)一規(guī)范行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如統(tǒng)一規(guī)定為變壓器二次x1和x2相連，a1和x2輸出為V/V0接線，反之為V/V6接線；一次側(cè)則中間相用C相標(biāo)識(shí)。

（2）進(jìn)一步規(guī)范設(shè)計(jì)工作。設(shè)計(jì)院在給出現(xiàn)場(chǎng)換相接線圖的同時(shí)標(biāo)出是V/V0還是V/V6或其他接線組別，在廠家沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)之前，給出的設(shè)計(jì)圖要參照廠家的說明。

（3）新線和樞紐變電所改造換相設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮與既有線的銜接。保證換相后的相位正確，尤其樞紐變電所要滿足各條線的安全運(yùn)行要求。

（4）換相改線時(shí)對(duì)主變壓器一次側(cè)一二次回路要隨時(shí)調(diào)整。調(diào)整接線時(shí)，要將主變壓器一次側(cè)電流和電壓互感器的母線進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)對(duì)電流和電壓二次回路進(jìn)行調(diào)整，防止造成計(jì)量錯(cuò)誤和電流保護(hù)而不能正常工作。

5 結(jié)束語

牽引變電所換相工作關(guān)系到電力系統(tǒng)和電氣化鐵道的安全運(yùn)行。變電所新開通和改造后的核相工作是一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作一定要做好。否則發(fā)生錯(cuò)誤后，一方面對(duì)電力系統(tǒng)危害很大，將會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流和諧波污染，嚴(yán)重時(shí)引起電源系統(tǒng)跳閘，造成電氣化鐵道和電網(wǎng)系統(tǒng)大面積停電；另一方面對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)挠绊懸泊?，將?huì)使接觸網(wǎng)分相裝置承受較高的電壓，造成分相絕緣擊穿的重大供電事故。

因此，對(duì)變電所換相工作應(yīng)該引起有關(guān)部門的重視，應(yīng)該統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范變壓器的接線組別，提高設(shè)計(jì)施工能力，強(qiáng)制對(duì)新建或改造的變電所進(jìn)行核相工作，做好運(yùn)行中的核相管理，。

[1]馮仁杰.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1997.