邊宏超,劉承志,曹景雷,游先亮,朱 婭
近年來國內(nèi)高速及重載鐵路發(fā)展迅速,與此同時,牽引網(wǎng)電壓損失增大的問題顯現(xiàn)出來,一些既有線路也需要擴能改造,特別是一些地處山區(qū)的線路末端網(wǎng)壓降低較為嚴重,甚至低于19 kV,影響機車正常運行,也限制了繁忙時期的機車密度。采取措施改善網(wǎng)壓水平十分必要,本文對牽引網(wǎng)電壓損失形成機理進行分析,提出2種改善措施,并結(jié)合實際利用PSCAD/EMTDC建模進行分析。
所謂牽引網(wǎng)電壓損失是指變電所牽引側(cè)母線到機車取流點的電壓降。牽引網(wǎng)作為多導線懸掛系統(tǒng)總體呈現(xiàn)感性阻抗,因此會造成網(wǎng)壓損失。由于牽引負荷變化,網(wǎng)壓也不斷變化,特別在重載緊密運行時網(wǎng)壓降落幅度大。設U1為牽引側(cè)母線電壓,U2為機車取流點電壓,I為牽引網(wǎng)電流。φ為機車功率因數(shù)角,即I滯后U2角度為φ,那么電阻造成電壓降IR與I同相,電感造成電壓降IXL則超前90°。網(wǎng)壓損失ΔU就是IR和IXL在U2方向上的分量之和(圖1)。
網(wǎng)壓損失問題在南昆線、寶成線及寶蘭線等一些地處山區(qū)的線路均有不同程度存在,特別像南昆線近年來負荷持續(xù)增大,問題更加顯現(xiàn)。圖2為牽引網(wǎng)電壓實測曲線,從測量結(jié)果發(fā)現(xiàn):該時段 14點57分、15點02分、15點05分、15點21分負荷較大,網(wǎng)壓明顯降低,最小值僅為19.3 kV。可見,采取措施提高網(wǎng)壓水平十分必要。
圖1 電壓損失向量圖
圖2 牽引網(wǎng)電壓實測曲線圖
(1)變電所。實現(xiàn)變壓、變相和向牽引網(wǎng)供電,牽引變壓器是其核心設備,Scott接線可實現(xiàn)三相和兩相系統(tǒng)間的對稱變換,使負序功率降至最低,各繞組相對匝數(shù)見圖3,原邊BC和AD成倒T形,3個出線端接入三相電網(wǎng),這樣原邊三相對稱電壓經(jīng)Scott變壓器,轉(zhuǎn)換為次邊兩相27.5 kV垂直電壓Uα、Uβ。Scott接線建模如圖3所示。
圖3 Scott接線原理及模型圖
(2)接觸網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是具有特定幾何結(jié)構(gòu)的復雜懸鏈系統(tǒng)。帶回流線直接供電系統(tǒng)主要由接觸線,承力索,回流線,鋼軌(2根)構(gòu)成基本骨架,每隔一定距離將鋼軌與回流線相連接。建模重點在于阻抗參數(shù)的計算,由于各導線間存在特定的耦合關(guān)系,所以不僅與各導線材料、型號等有關(guān),還與系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。工程上,通過 Carson理論計算:單根導線與地回路的等效單位長自阻抗為
式中,Rε1為導線等效半徑;r1為其有效電阻;Dg為導線—地回路等值深度。
2根導線(設為1、2)與地回路等值互阻抗為
式中,d12為2根導線間距離。
通常將電氣并聯(lián)導線合并等效成一個當量導線,則該當量導線—地回路單位長等效阻抗為
式中,Rε是該當量導線等效半徑。
同一懸掛中接觸線、承力索合并(T),2條鋼軌合并(R)。接觸網(wǎng)呈分布參數(shù)特性,可用分段集中參數(shù)模型來等效。
(3)機車。SS6B型電力機車是國內(nèi)客、貨運主力機車之一,最高速度 100 km/h,總功率4 800 kW,多機重聯(lián)時可擔當重載貨運牽引。它采用3段半控橋晶閘管相控整流無級調(diào)壓,傳統(tǒng)直流傳動方式。SS6B機車主電路建模見圖 4,其調(diào)速控制較復雜,具體可參考文獻[2]。SS6B運行時會向牽引網(wǎng)注入諧波且含量較為豐富,圖 4給出了50 km/h時的諧波電流含量,因此需要考慮為降低網(wǎng)損而采取的措施對牽引網(wǎng)諧波特性造成的變化。
圖4 SS6B主電路建模及50 km/h時諧波含量圖
由ΔU=IRcosφ+IXsinφ=I(Rcosφ+Xsinφ),記z=rcosφ + xsinφ為牽引網(wǎng)等效單位阻抗。供電臂長L= 35 km,阻抗z= 0.339 Ω/km,供電臂下放2臺SS6B(15 km、25 km各1臺),以持續(xù)50 km/h速度運行,每臺I= 430 A(SS6B雙機牽引)。
牽引網(wǎng)壓損:
ΔUl= z×2I×15 + z×I×10 = 583.1V
變壓器造成壓損:主變壓器容量63 MV·A,阻抗電壓百分數(shù)10.5,則
由圖3知Scott變壓器可等效為2個單相變壓器,對單相接線變壓器壓損為
ΔUT=XTsinφ(I1+I2),I1、I2為負荷。
ΔUT=XTsinφ(I1+I2) = 2.520 8×0.435 9×(860 + 860) = 1 890 V
110 kV系統(tǒng)造成壓損:
電力系統(tǒng)造成壓損:
ΔUS= 0.415XS(I1+I2) = 1 080 V
由此,供電臂末端電壓:
Umin=U0- ΔUS-ΔUT- ΔUl= 18.699 kV,該值低于19 kV,需要采取措施來提高網(wǎng)壓水平。仿真測量母線電壓為24.939 kV,末端電壓18.911 kV,圖5為母線和牽引網(wǎng)末端測量波形。
圖5 母線電壓與末端網(wǎng)壓波形圖
提高網(wǎng)壓的方法:a.改用AT供電方式以適應高速和重載,但成本高施工量大;b.采用有載調(diào)壓牽引變壓器,其缺點是對反應速度要求較高,一旦反應慢于最大負荷突然消失速度時,牽引網(wǎng)會產(chǎn)生過電壓危及絕緣配合,而且調(diào)壓范圍還受到母線最高允許電壓限制;c.在2座變電所間中性處增建附加變電所,毫無疑問,該方法費用高昂;d.改用阻抗較小的銅合金載流承力索,這需要拆除原有接觸懸掛重新安裝。綜合來看,對既有牽引網(wǎng)增設加強導線,和采用串聯(lián)電容補償裝置具有技術(shù)可行、經(jīng)濟性、易于施工的特點。
當牽引負荷一定時,牽引網(wǎng)壓損與牽引網(wǎng)阻抗成正比,采用加強導線可以降低牽引網(wǎng)阻抗,對接觸線起到分流作用。在一些特殊情況下(如山區(qū)地段)增設加強導線是行之有效的方法。增設加強導線(采用 LJ-185型絞線)的牽引網(wǎng)模型圖略,其仿真測量結(jié)果見表1。
增設加強線后,牽引網(wǎng)的末端電壓抬高了ΔUmin= 1 738.8V,末端電壓損失降低了約27.8%。增設加強線前后牽引網(wǎng)的諧波特性見圖6。
圖6 增設加強線前后的諧波特性圖
帶串聯(lián)電容補償裝置(下文簡稱串補)牽引網(wǎng)等值電路如圖7所示。
圖7 補償示意圖
補償前牽引網(wǎng)壓損為
補償后牽引網(wǎng)壓損為
由式(5)、式(6),可得負荷電流通過串聯(lián)電容器時的壓損:
ΔUC為負值表明壓損減小,改善效果與取流大小及功率因數(shù)有關(guān),且|ΔUC|與負荷電流成正比,相當于根據(jù)負荷的變化而自動調(diào)節(jié)網(wǎng)壓。
串補容量由補償電壓所需的容抗及通過的電流值來決定:
式中,ΔUC為需補償?shù)膲簱p;Imax為饋線最大電流。
注意,XC須小于牽引網(wǎng)阻抗XL與變壓器阻抗XT之和,避免系統(tǒng)發(fā)生諧振:
XL=Z×L= 0.339×35 = 11.865(Ω)
即應有XC<11.865 + 2.521 = 14.386(Ω)
已知饋線Im= 1 280 A,電容器元件參數(shù):
UCN=1 000 V,ICN= 100 A,XCN= 10 Ω,
Umin= 18.91 kV,需要補償電壓2 000 V,則所需容抗
XC= ΔUC/Imaxsinφ= 2 000/ (1 280×0.435 9)= 3.585(Ω)〈〈14.386(Ω)
所以,ΔUC= 2 000 V時不會產(chǎn)生諧振。
并聯(lián)支路數(shù)m=Imax/ICN= 1 280 / 100 = 12.8
每個并聯(lián)支路中串聯(lián)電容器數(shù)
n=mXC/XCN= (12.8×3.585) / 10 = 4.6
取m= 13,n= 5,電容器組為13并5串,則實際容量QC和實際容抗CX′為
實際補償?shù)膲簱p為
滿足補償要求。
圖8是串聯(lián)電容器組接線圖。故障時放電間隙FJ擊穿避免電容器組承受過電壓,一旦通過電流互感器TA的電流超過整定值,則保護裝置動作,斷路器D合閘將電容器組短接,放電間隙熄滅,R和L在故障時構(gòu)成放電回路。
測量數(shù)據(jù)及網(wǎng)壓水平改善效果對比見表 2和圖9。
表2 測量數(shù)據(jù)比較表
圖8 串補裝置主接線圖
可見,變電所加裝串補后,饋電線電壓抬高了ΔUkmin= 2 125 V,牽引網(wǎng)末端電壓抬高了ΔUmin=20.852 1– 18.911 = 1.941 1 kV = 1 941.1 V。圖10為加裝串補后母線諧波特性,與圖6進行比較可知,串補并未明顯改變原牽引網(wǎng)諧波特性。
圖9 補償后母線電壓與末端網(wǎng)壓波形圖
圖10 補償后的諧波特性圖
通過在接觸懸掛系統(tǒng)增設加強導線對接觸線電流進行分流,降低牽引網(wǎng)阻抗;采用串補,利用容抗來補償主變壓器和接觸網(wǎng)感抗造成的壓損,可有效改善網(wǎng)壓水平。在重載區(qū)段,特別是一些地處山區(qū)的線路或機車密度較大的繁忙線路,可以考慮兩者配合使用。仿真結(jié)果表明在既有線路改造中合理應用該技術(shù),可以達到預期改善網(wǎng)壓作用,且成本相對較低,易于施工。
[1]李群湛,賀建閩.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都:西南交通大學,2007.
[2]劉友梅.韶山 6B型電力機車[M].北京:中國鐵道出版社,2003.
[3]李群湛.電氣化鐵道綜合補償技術(shù)[M].成都:西南交通大學,2009.