賴惠鴿

(寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川750021)

牽引變壓器安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略與調(diào)控方法研究

賴惠鴿

(寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川750021)

牽引變壓器是牽引供電系統(tǒng)的關(guān)鍵組分，其運(yùn)行狀態(tài)的健康與否直接決定電氣化鐵路牽引供電網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性、供電質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)影響著電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量?；诖?，從安全保護(hù)、在線監(jiān)測與故障診斷、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與調(diào)控等方面對(duì)我國牽引變壓器的研發(fā)、應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題進(jìn)行了綜合性的闡述和分析；并指出：深入研究牽引負(fù)荷特性與潮流分布，優(yōu)化運(yùn)行方式、合理進(jìn)行保護(hù)配置和容量選擇，積極探索同相供電策略的可行實(shí)施方法，構(gòu)建智能化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)支持下的堅(jiān)強(qiáng)型牽引供電系統(tǒng)，能夠有力促進(jìn)牽引變壓器的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是電氣化鐵路牽引供電技術(shù)的主要發(fā)展方向。

牽引變壓器；安全保護(hù)；在線監(jiān)測；經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，電氣化鐵路

牽引變壓器是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的關(guān)鍵組分，主要用于降壓、分相并為牽引負(fù)荷供電[1]，其運(yùn)行狀態(tài)的健康與否直接決定牽引供電網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性、供電質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)影響著電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量[2]。隨著高速鐵路牽引負(fù)荷量的迅猛增長，對(duì)牽引變壓器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提出了更高要求，需要我們深入研究牽引負(fù)荷特性與潮流分布，優(yōu)化運(yùn)行方式、合理進(jìn)行牽引變壓器的保護(hù)配置和容量選擇，積極推進(jìn)鐵路和電力系統(tǒng)協(xié)同解決在管理、技術(shù)、運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)等方面的差異[3]，構(gòu)建起智能化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)支持下的堅(jiān)強(qiáng)型牽引供電系統(tǒng)，有效提升電能質(zhì)量?；诖耍疚膹陌踩Ｗo(hù)、在線監(jiān)測與故障診斷、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略與調(diào)控方法等方面對(duì)我國牽引變壓器的研發(fā)、應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題進(jìn)行了綜合性的闡述和分析，總結(jié)并提出了電氣化鐵道牽引供電技術(shù)的主要發(fā)展方向。

1 牽引變壓器的安全保護(hù)

為適應(yīng)電力機(jī)車或動(dòng)車組這一單相負(fù)荷的供電需求，常采用V/v、V/x、Scott等特殊接線的牽引變壓器完成三相電力系統(tǒng)到兩相牽引供電系統(tǒng)的電能變換[4-5]。目前，較為推崇的是自耦變壓器(auto-transformer，AT)供電方式[6]。

由于牽引變壓器對(duì)整個(gè)電氣化鐵路的安全運(yùn)行起決定性作用，依油箱內(nèi)、外故障及不正常運(yùn)行狀態(tài)的具體內(nèi)容，通常設(shè)置瓦斯、壓力、溫度、油位等非電量保護(hù)和差動(dòng)、過流、過負(fù)荷、備用變自投入等電量保護(hù)。這些保護(hù)均按階梯原則進(jìn)行配合，而瓦斯保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)為主保護(hù)[7-8]。從設(shè)計(jì)角度而言，短路阻抗計(jì)算、繞組熱點(diǎn)溫度控制、抗短路強(qiáng)度的提升和耐沖擊能力是關(guān)鍵[9-10]。

劉淑萍[4]針對(duì)傳統(tǒng)牽引變壓器過流保護(hù)靈敏度較低的缺陷以及低壓啟動(dòng)過流保護(hù)存在拒動(dòng)的可能，構(gòu)建了適于Scott變壓器后備保護(hù)的阻抗繼電器。周昌松[7]指出，高速鐵路列車運(yùn)行特點(diǎn)導(dǎo)致主變壓器保護(hù)動(dòng)作時(shí)限整定較長，而反時(shí)限過流保護(hù)的自適應(yīng)性可同時(shí)滿足靈敏度和動(dòng)作范圍的要求。王思華[8]認(rèn)為影響三相牽引變壓器微機(jī)差動(dòng)保護(hù)速動(dòng)性的根本問題是如何有效識(shí)別勵(lì)磁涌流，引入模糊判據(jù)較為有效。湯大海[11]關(guān)于V/x接線牽引變壓器短路時(shí)的測量阻抗分析，對(duì)國內(nèi)220 kV高速鐵路牽引線路距離保護(hù)的整定有一定指導(dǎo)意義。劉興學(xué)[12]建議在電力系統(tǒng)側(cè)優(yōu)先配置雙套光纖電流差動(dòng)保護(hù)作為全線速動(dòng)主保護(hù)，220 kV牽引變電壓器及饋線配置熱過負(fù)荷保護(hù)替代傳統(tǒng)定時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)。

此外，郭劍[13]、楊天平[14]通過對(duì)直流接地及入地電流的分析，認(rèn)為接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定設(shè)計(jì)區(qū)域的入地電流，牽引變壓器的直流偏磁應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注，而線圈高阻抗和阻抗平衡技術(shù)、繞組間全退耦技術(shù)以及高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用代表了牽引變壓器的技術(shù)發(fā)展趨勢[15]。

2 在線監(jiān)測與故障診斷

牽引變壓器的健康狀況直接影響著牽引供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電氣化鐵路負(fù)荷的不對(duì)稱性、移動(dòng)性、非線性和波動(dòng)性特征[16]，以及牽引變壓器容量配置與接線方式的多樣性，決定了牽引變壓器運(yùn)行狀態(tài)的復(fù)雜性和在線監(jiān)測的必要性。

目前，牽引變壓器在線監(jiān)測的主要狀態(tài)量包括[17]：繞組輸出電壓、電流，繞組溫度，鐵芯溫度，油量、油位、油溫，內(nèi)部局部放電等。除油色譜分析、油中溶解氣體分析、頻譜分析、局部放電法等常用監(jiān)測方法外，融合了人工智能理論的綜合性故障診斷方法成為研究熱點(diǎn)。

周利軍[18]針對(duì)V/x接線牽引變壓器，提出一種短路電抗在線監(jiān)測方法，有助于繞組變形狀態(tài)的判斷。高松[19]則通過實(shí)例仿真，驗(yàn)證了基于模型診斷和專家系統(tǒng)的牽引變壓器故障診斷方法的有效性。阮羚[20]建議將在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與狀態(tài)評(píng)估有機(jī)結(jié)合，并應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Dempster-Shafer證據(jù)理論構(gòu)建了多信息融合的變壓器綜合狀態(tài)評(píng)估模型。程宏波[21]提出的基于分層免疫原理的高鐵牽引供電系統(tǒng)健康監(jiān)測與評(píng)估模型，有利于系統(tǒng)運(yùn)行趨勢的預(yù)測。章健軍[22]將故障狀態(tài)信號(hào)與模糊理論相結(jié)合，通過比對(duì)設(shè)備狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)和案例，以最大相似度原則進(jìn)行故障研判。

在網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建方面，劉新輝[23]提出一種基于混合式無線傳感網(wǎng)的變壓器實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以期提高系統(tǒng)的可靠性、容錯(cuò)性和魯棒性。景小兵[24]設(shè)計(jì)了一種基于ARM的接觸網(wǎng)絕緣子泄露電流在線監(jiān)測裝置。牟龍華[25]新建了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中未定義的鐵心接地電流監(jiān)測邏輯節(jié)點(diǎn)。以DWSN(distributed wireless sensor network)為基礎(chǔ)的變壓器分布式多參數(shù)在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，有可能成為新的技術(shù)發(fā)展方向[22]，對(duì)網(wǎng)絡(luò)化、智能型牽引變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)有積極的借鑒意義。

3 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與調(diào)控

3.1 容量與過負(fù)荷能力

牽引變壓器的容量與過負(fù)荷能力直接影響線路運(yùn)量和運(yùn)行成本。游廣增[26]指出，選配牽引變壓器應(yīng)考慮牽引負(fù)荷特性及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響、牽引變壓器容量利用率等因素進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。李亞楠[27]通過改變既有牽引變壓器繞組的連接方式來提高變壓器容量利用率。張芳[28]認(rèn)為，依據(jù)線路負(fù)荷特性合理確定牽引變壓器過負(fù)荷倍數(shù)和車流排放方案，可充分發(fā)揮牽引變壓器的過負(fù)荷能力。許冰[29]就京哈鐵路北京至秦皇島段2008—2009年實(shí)施的所內(nèi)變壓器更換、牽引網(wǎng)進(jìn)行相應(yīng)配套升級(jí)的增容改造方案進(jìn)行實(shí)例分析，證明該方案滿足運(yùn)量增大后線路牽引負(fù)荷的要求。

3.2 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略與調(diào)控方法

在保證牽引變壓器安全、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，優(yōu)化運(yùn)行方式使之與牽引負(fù)荷的分布相匹配[30]，通過改善運(yùn)行條件延長其使用壽命并降低電能損耗，是牽引變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要內(nèi)容。

在降低壽命損失方面，陳民武[31]根據(jù)熱改性絕緣紙老化率動(dòng)態(tài)評(píng)估牽引變壓器的壽命損失，提出一主三備的配置優(yōu)化方案。黃曉峰[32]基于IEEE負(fù)載導(dǎo)則提供的等值老化模型，實(shí)現(xiàn)了變壓器運(yùn)行年限的預(yù)測。栗然[33]建立了包含環(huán)境成本和社會(huì)責(zé)任成本在內(nèi)的變壓器全壽命周期成本模型。姜益民[34]壽命管理思想應(yīng)用到變壓器和其他相關(guān)設(shè)備中，以提高變壓器的可維修性。朱柳慧[35]綜合熱點(diǎn)溫度隨環(huán)溫、負(fù)荷的變化規(guī)律，用二分搜索法獲取最佳運(yùn)行方式切換時(shí)間，有效提高變壓器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性并保證了安全性。

在降低電能損耗方面，蔡超[36]以牽引變壓器一次側(cè)母線三相不平衡度滿足國家標(biāo)準(zhǔn)為約束，提出一種電磁混合式高鐵無功、負(fù)序綜合補(bǔ)償系統(tǒng)。朱小軍[37]通過調(diào)節(jié)變壓器低壓側(cè)的母線電壓來調(diào)節(jié)濾波器無功出力的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償措施，提出了“3次固定濾波器＋3次可調(diào)濾波器”的補(bǔ)償方案。張志文[38]給出了適合高速電氣化鐵路的負(fù)序與諧波統(tǒng)一治理方法及基于變壓器感應(yīng)濾波技術(shù)的治理方案，期望以較低的成本提升電能質(zhì)量。

在調(diào)度優(yōu)化方面，選取最佳運(yùn)行方式，按經(jīng)濟(jì)運(yùn)行原則進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，使變壓器損耗得到最大限度的降低則是變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基本含義[39]。調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)還可對(duì)網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)和潮流的分布進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)營；其中，變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要作用[40]。

3.3 關(guān)于同相供電技術(shù)的探討

近年來，基于平衡變壓器和綜合潮流控制器(integrated power flow controller,IPFC)的同相供電技術(shù)成為研究熱點(diǎn)[41]。

同相供電系統(tǒng)將牽引變壓器和對(duì)稱補(bǔ)償裝置相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)三相到單相的對(duì)稱變換，在解決電氣化鐵路諧波、無功、負(fù)序電流問題的同時(shí)，可消除牽引網(wǎng)的電分相問題；采用不同接線方式的牽引變壓器可以實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的同相供電系統(tǒng)；有利于高速、重載牽引時(shí)的安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是電氣化鐵路電能質(zhì)量治理較理想的措施[42]。李群湛[6]建議研究三相接入電力系統(tǒng)的平衡接線變壓器,以便今后同相(無分相)改造,另一方面亦能與單相變電所實(shí)現(xiàn)同相供電；進(jìn)而提出最小補(bǔ)償容量的同相供電方案。

4 結(jié)束語

牽引變壓器運(yùn)行狀態(tài)的健康與否直接決定電氣化鐵路牽引供電網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性、供電質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。本文從安全保護(hù)、在線監(jiān)測與故障診斷、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與調(diào)控等方面對(duì)我國牽引變壓器的研發(fā)、應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題進(jìn)行了綜合性的闡述和分析。

綜合而言，深入研究牽引負(fù)荷特性與潮流分布，優(yōu)化運(yùn)行方式、合理進(jìn)行保護(hù)配置和容量選擇，積極探索同相供電策略的可行實(shí)施方法，構(gòu)建智能化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)支持下的堅(jiān)強(qiáng)型牽引供電系統(tǒng)，能夠有力促進(jìn)牽引變壓器的安全可靠與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是電氣化鐵路牽引供電技術(shù)的主要發(fā)展方向。

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[41]黃小紅，李群湛，楊乃琪，等.同相牽引供電系統(tǒng)控制策略研究及仿真分析[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2014，34(1)：43-47.

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Safe and economic operation of traction transformer considering control methods

Traction transformer was the key part of the traction power supply system,which running states whether healthy or not would determine the security and reliability,the power quality and economic efficiency of traction power supply,simultaneously affected the power quality of the power system.Then,comprehensive exposition and analysis was given, including our research and development, application status and existing problems of the traction transformer,which from security and protection,online monitoring and fault diagnosis,economic operation and control,etc.Finally,a major development direction of electrified railway traction power supply technology was given that studying the traction load characteristics and power flow distribution thoroughly,optimizing the operation mode, protection configuration and capacity legitimately selecting, exploring the possible implementation methods of co-phase traction power supply strategy,and building a strong traction power supply systems supported by intelligent monitoring network.It could be used to promote safe and economical operation of traction transformer effectively.

traction transformer;security and protection;online monitoring;economic operation;electrified railway

TM 922

A

1002-087 X(2016)03-0746-03

2015-10-30

寧夏自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(NZ12139)

賴惠鴿(1971—)，女，浙江省人，教授，主要研究方向?yàn)殡姽ぜ夹g(shù)、鐵道電氣自動(dòng)化。