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(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

作為大宗電力用戶的電氣化鐵道牽引負(fù)荷，由于其波動(dòng)性、隨機(jī)性、近遠(yuǎn)期負(fù)荷相差大、負(fù)載率低、供電可靠性要求高以及負(fù)序、諧波等一系列不良特征[3]，被公認(rèn)為是一種典型的不平衡負(fù)荷。牽引變壓器聯(lián)結(jié)方式的多樣性使其對(duì)電網(wǎng)的影響具備特殊性，文獻(xiàn)[4]和[5]用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)充分考慮變壓器的過(guò)負(fù)載能力對(duì)牽引變壓器的合理選擇進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[6]通過(guò)建模仿真分析了牽引變壓器在電鐵牽引供電系統(tǒng)中對(duì)公用系統(tǒng)所造成的影響;文獻(xiàn)[7]介紹了幾種電價(jià)收費(fèi)方式；文獻(xiàn)[8]針對(duì)客運(yùn)專線僅提出了基本電費(fèi)交納方案。下面則針對(duì)其對(duì)電網(wǎng)容量占有問(wèn)題進(jìn)行探討，并理論分析了不平衡負(fù)荷功率因數(shù)的定義，最后對(duì)供電部門關(guān)注的電鐵電價(jià)收費(fèi)方式問(wèn)題給予幾方面的建議。

1 不同接線牽引變壓器容量分析

變壓器的額定容量是指其一次側(cè)從電網(wǎng)所吸取的視在功率，是指輸入容量；輸出容量是指變壓器二次側(cè)輸出的視在功率。對(duì)一般的變壓器來(lái)說(shuō)，其輸入容量和輸出容量基本相等，結(jié)構(gòu)容量與額定容量相等,但對(duì)于牽引變壓器則要特殊對(duì)待。牽引變壓器的容量利用率是指牽引變壓器的最大輸出容量與其額定容量之比。

1.1 單相接線牽引變壓器

純單相接線牽引變壓器高壓繞組接三相電源的某兩相，電壓為110 kV或220 kV,低壓繞組的首端接至牽引母線上，末端與鋼軌、地連接，輸出電壓27.5 kV，接牽引母線的一端，同時(shí)給左右兩側(cè)的供電臂供電，其電路原理圖如圖1所示。

圖1 單相接線變壓器

當(dāng)工作繞組達(dá)到額定負(fù)荷UN、IN，時(shí)，單相接線變壓器的輸出容量為

S1=UNIN

(1)

依據(jù)視在功率法，其對(duì)電網(wǎng)的占有容量為

SS=Sa+Sb+Sc=UNIN=S1

(2)

則其容量利用率為

在三相電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的負(fù)序電流最大，不對(duì)稱度為100%，但由于主接線簡(jiǎn)單、設(shè)備少、占地面積小、投資省等優(yōu)點(diǎn)，在電力網(wǎng)比較發(fā)達(dá)的地區(qū)仍然得到利用[1]。

1.2 單相V/v接線牽引變壓器

V/v接線牽引變壓器原邊接入電力系統(tǒng)的兩個(gè)線電壓(如AB、BC)，次邊各有一端分別接到牽引側(cè)的兩相母線上，公共端子與軌道及接地網(wǎng)連接。由于對(duì)地電壓相位不同，中間必須用分相絕緣器斷開。其電路原理圖如圖2所示。

圖2 單相V/v接線變壓器

當(dāng)Iab、Ibc達(dá)到額定值Ie時(shí)，即Iab=Ibc=Ie，則額定輸出容量：S1=IabUe+IbcUe=2UeIe

(4)

對(duì)電網(wǎng)的占有容量為：SS=2UeIe，所以K=100%，因次邊繞組電流等于供電臂電流，因而變壓器的容量能得到充分利用。在兩臂負(fù)荷相同情況下，不對(duì)稱度為50%。和純單相接線比，對(duì)系統(tǒng)的負(fù)序影響減少，設(shè)備相對(duì)較少但需跨相供電。

1.3 Scott接線牽引變壓器

Scott接線牽引變壓器由兩臺(tái)單相變壓器構(gòu)成。變壓器的原邊繞組聯(lián)成倒T形接入三相電力系統(tǒng)，副邊繞組聯(lián)成相位差為90°的V形，公共端接地和鋼軌，兩個(gè)開口端分別接入接觸網(wǎng)相鄰的兩區(qū)段，相鄰兩接觸網(wǎng)對(duì)地電壓相位不同，故必須用分相絕緣器斷開。其電路原理圖如圖3所示。

圖3 Scott連接變壓器

(5)

(6)

達(dá)到額定輸出時(shí)，Iα=Iβ=Ie，此時(shí)，

(7)

則變壓器額定輸出容量為

S1=UIα+UIβ=2UIe

(8)

對(duì)電網(wǎng)的占有容量計(jì)算如下。

SS=UCDIC+UADIA+UBDIB

(9)

則其容量利用率為

(10)

所以，當(dāng)M座和T座兩供電臂負(fù)荷電流大小相等，功率因素也相等時(shí)，變壓器容量可全部利用，對(duì)接觸網(wǎng)也可實(shí)現(xiàn)兩邊供電，但其造價(jià)高，主接線復(fù)雜，對(duì)絕緣水平要求高。

1.4 YNd11接線牽引變壓器

高壓側(cè)繞組為YN，三個(gè)端子(A)、(B)、(C)接電力系統(tǒng)的A、B、C三相(或ACB，BCA…)，中性點(diǎn)通過(guò)隔離開關(guān)QS接地。中性點(diǎn)何時(shí)接地由電力調(diào)度決定，通常是斷開的。次邊繞組接成Δ，(c)端子接鋼軌和地。(a)、(b)端子分別接牽引母線[2]。其電路原理圖如圖4所示。

圖4 YNd11接線變壓器

設(shè)額定輸出電壓為Ue，兩供電臂額定電流為

(11)

(12)

非接地相繞組(自由相繞組)的電流較小為

(13)

(14)

S1=UeIa+UeIb=2UeIe

=2Ue×0.655Iel=1.134UeIel

(15)

(16)

因該變壓器原邊采用YN接線，中性點(diǎn)引出接地方式與高壓電網(wǎng)相適應(yīng)，且其制造相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)便宜，運(yùn)用技術(shù)成熟，但其容量不能充分利用，輸出容量只能達(dá)到其額定容量的75.6%，引入溫度系數(shù)后，也只能達(dá)到84%。和單相接線牽引變電所相比，主接線比較復(fù)雜，設(shè)備多，占地面積大，工程投資大。

以上分析的各牽引變壓器的容量利用率是理想狀態(tài)下的理論計(jì)算值，實(shí)際的牽引變壓器利用率非常低，據(jù)統(tǒng)計(jì)全線牽引變壓器的容量利用率低至15%～20%[3]，因?yàn)檫x擇變壓器容量既要滿足正常運(yùn)輸, 又要滿足兩小時(shí)緊密運(yùn)行的需要, 同時(shí)還要考慮遠(yuǎn)期運(yùn)量的增長(zhǎng),再加上牽引負(fù)荷的一系列不良特征，很難保證使其工作在額定負(fù)載。另一方面，中國(guó)整流型電力機(jī)車的功率因數(shù)一般為0.8～0.85，由于牽引網(wǎng)阻抗及牽引變壓器阻抗的影響，功率因數(shù)平均值在0.75左右，再生工況下會(huì)低至0.2～0.4。

2 不平衡三相負(fù)荷的功率因數(shù)

2.1 不平衡三相負(fù)荷功率因數(shù)的定義

其實(shí)無(wú)論負(fù)荷是幾相的，也無(wú)論其是否對(duì)稱，定義公式即：功率因數(shù)=(三相有功功率之和)/(三相視在功率之和)是不變的，而視在功率的計(jì)算方法有兩種，一種是算術(shù)視在功率，另一種是向量視在功率，對(duì)于三相不平衡負(fù)荷有

P總=UaIacosφa+UbIbcosφb+UcIccosφc

(17)

(18)

采用算術(shù)視在功率計(jì)算方法，其功率因數(shù)可定義為

(19)

采用向量視在功率計(jì)算方法，其功率因數(shù)可定義為

(20)

2.2 提高功率因數(shù)的方法

功率因數(shù)低不僅會(huì)導(dǎo)致牽引變壓器的容量不能充分利用，而且在視在功率不變的情況下致使輸送的有功功率降低，或者系統(tǒng)容量得不到充分利用，接觸網(wǎng)上的能量損耗和電壓損耗也會(huì)增大。從根本上有以下兩種提高功率因數(shù)的方法。

(1)提高用電自然功率因數(shù)。可提高電力機(jī)車的功率因數(shù)，改善牽引網(wǎng)的阻抗特性(包括減小牽引網(wǎng)單位阻抗值和阻抗角、限制供電臂的長(zhǎng)度等)，合理選擇牽引變壓器容量，提高其容量利用率。

(2)在牽引變電所牽引側(cè)裝設(shè)并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置。它同時(shí)還可以減小電壓損失，改善電壓質(zhì)量，提高牽引側(cè)母線電壓，降低系統(tǒng)供電電流及電能損失；并補(bǔ)裝置還可吸收諧波電流，具有濾波作用。電氣 工程學(xué)院的分組分級(jí)可調(diào)并聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)[9]對(duì)于提高功率因數(shù)就直接有效。

3 牽引變壓器三相電壓不平衡度實(shí)

例分析

牽引負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序電流流過(guò)電網(wǎng)阻抗將產(chǎn)生負(fù)序電壓，引起三相電壓不平衡，國(guó)標(biāo)給出了電壓不平衡度的近似計(jì)算值，并規(guī)定電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)處的電壓不平衡度εU的95%概率不得超過(guò)2%，短時(shí)值不得超過(guò)4%。

(21)

式中，UN為線電壓；Sd為短路容量。

當(dāng)牽引變壓器負(fù)荷與變壓器接線方式一定時(shí)，變電所高壓三相側(cè)電壓不平衡度與進(jìn)線短路容量成反比，與負(fù)序功率成正比。

圖5 兩類牽引變壓器三相電壓不平衡度趨勢(shì)圖

以某牽引變電所為例，變壓器為YNd11接線，測(cè)得該變電所兩臂負(fù)荷的基波電流全天24 h的數(shù)據(jù)(3 s為一個(gè)采樣間隔，共28 800個(gè)點(diǎn))，使用Matlab軟件的計(jì)算功能，可得使用YNd11和Scott接線變壓器相應(yīng)的三相電壓不平衡度曲線如圖5所示。此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)線為110 kV，短路容量約為400 MVA，顯然使用平衡變壓器和常規(guī)變壓器相比有較好的抑制負(fù)序能力，三相電壓不平衡度基本達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。

選用更高電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算，圖6給出YNd11常規(guī)變壓器在220 kV進(jìn)線時(shí)(短路容量假定為750 MVA)三相電壓不平衡度的曲線圖，不難看出，電壓不平衡度得到明顯改善。

圖6 YNd11接線變壓器三相電壓不平衡度趨勢(shì)圖(220 kV)

4 牽引變電所容量電費(fèi)計(jì)費(fèi)方式

眾所周知，中國(guó)供電部門對(duì)大工業(yè)企業(yè)(用電變壓器容量315 kVA及以上)用電實(shí)行兩部制電價(jià)制度，自1994年開始中國(guó)電氣化鐵路就開始執(zhí)行兩部制電價(jià)?；倦妰r(jià)是按照工業(yè)企業(yè)的變壓器容量或最大需用量(即一月中每15 min或30 min平均負(fù)荷的最大值)作為計(jì)算電價(jià)的依據(jù)，由供電部門與用電部門簽訂合同，確定限額，每月固定收取，不以實(shí)際耗電數(shù)量為轉(zhuǎn)移；電度電價(jià)，是按用電部門實(shí)際耗電度數(shù)計(jì)算的電價(jià)[10]。由于電氣化鐵路自身特殊的供電結(jié)構(gòu)造成電力系統(tǒng)側(cè)三相電壓嚴(yán)重不平衡，同時(shí)，也給系統(tǒng)注入了諧波負(fù)序等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)正常運(yùn)行，對(duì)電網(wǎng)中其他用戶的供電電能質(zhì)量產(chǎn)生了不良的影響。因此單純地按照變壓器的額定容量計(jì)算是不合理的。

(1)采用容量繳納基本電費(fèi)對(duì)供電部門來(lái)說(shuō)，比較容易操作。若按固定容量收取基本電費(fèi)，經(jīng)前面的容量分析可知，鐵路部門一般會(huì)考慮使用容量利用率最高的單相或V/v變壓器，但負(fù)序電流大，不平衡度高。所以電網(wǎng)公司應(yīng)制定允許電鐵投運(yùn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，要求變壓器一次側(cè)三相電壓、電流不平衡度必須達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，否則予以經(jīng)濟(jì)處罰。

(2)牽引變壓器容量利用率可以作為衡量收費(fèi)等級(jí)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即可以根據(jù)變電所的日負(fù)荷曲線劃分，申請(qǐng)不同的用電負(fù)荷下采取不同的電價(jià)，當(dāng)天變電所變壓器利用率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的，可以免收懲罰性費(fèi)用，否則額外收取一部分懲罰性費(fèi)用。

(3)鐵路部門選擇合適的基本電費(fèi)交納方式重點(diǎn)在于找到安裝容量和最大需量法的平衡點(diǎn)，而確定該平衡點(diǎn)的重點(diǎn)在于牽引變壓器的安裝容量[4]。如果按照最大需量收取基本電費(fèi)，鐵路部門會(huì)把最大需量報(bào)低以節(jié)約基本電費(fèi)。所以電網(wǎng)公司要將實(shí)際負(fù)荷中超出最大需量部分予以高倍罰款來(lái)遏止這一現(xiàn)象。

(4)無(wú)功計(jì)量可采用反送正計(jì)，諧波功率也納入計(jì)費(fèi)范圍。因此其基本電價(jià)應(yīng)該在按照牽引變壓器容量或者最大負(fù)荷需量的基礎(chǔ)上再加上一定的罰款，以此來(lái)督促鐵路部門對(duì)電鐵的諧波、無(wú)功進(jìn)行治理。

(5)電力部門必須在電鐵投運(yùn)前作出充分的實(shí)地調(diào)研，包括電能質(zhì)量、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、電能計(jì)量準(zhǔn)確性、系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)?，將電鐵產(chǎn)生的危害降到最小，并對(duì)已投運(yùn)電鐵進(jìn)行實(shí)測(cè)，對(duì)不滿足要求的，盡快提出整改意見。

(6)供電部門可以根據(jù)鐵路部門月用電量或年用電量尋求電價(jià)計(jì)費(fèi)方式[2]新方案，制訂合理的方案供鐵路部門選擇，這樣在督促用電客戶提高用電設(shè)備或最大負(fù)荷的利用率的基礎(chǔ)上，對(duì)牽引變壓器電網(wǎng)容量占有進(jìn)行合理的收費(fèi)。

5 結(jié) 論

綜上所述，綜合評(píng)價(jià)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，單相接線最好，其次是V/v和平衡接線，YNdll 接線最差。由第3節(jié)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，在兩條供電臂負(fù)荷的隨機(jī)分布下，不同接線牽引變壓器的負(fù)序電流恒有以下結(jié)果:平衡接線最小，三相接線次之，單相接線最大。鐵路部門只有根據(jù)實(shí)際情況合理選擇變電所接入的系統(tǒng)電壓等級(jí)和選用合適的牽引變壓器才能夠起到改善變電所系統(tǒng)三相電壓不平衡的作用，采取措施提高容量利用率及系統(tǒng)功率因數(shù)，減小負(fù)序電流及高次諧波的干擾，在保證正常供電和達(dá)到電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，盡量減少變壓器容量才是降低容量電費(fèi)問(wèn)題的根本方法，供電公司要根據(jù)實(shí)際牽引變電所接線方式和負(fù)荷狀況制定合理的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并采取懲罰措施來(lái)規(guī)范和督促鐵路部門對(duì)不平衡牽引負(fù)荷的治理。

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