王雅婷

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

我國(guó)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)采用單相工頻交流制。牽引負(fù)荷為單相負(fù)荷，對(duì)于三相電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不平衡負(fù)載。為了減少單相負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)三相不平衡的影響，牽引供電系統(tǒng)采用輪換接入電力系統(tǒng)三相的方式，即每個(gè)供電臂取用電力系統(tǒng)電壓相別是不同的(也稱換相連接)，異相分段供電導(dǎo)致了電分相的存在，嚴(yán)重影響了列車運(yùn)行速度和運(yùn)輸能力。目前解決電分相的方式主要包括自動(dòng)過(guò)分相技術(shù)和同相供電技術(shù)。自動(dòng)過(guò)分相技術(shù)主要包括地面自動(dòng)過(guò)分相和車載自動(dòng)過(guò)分相。自動(dòng)過(guò)分相技術(shù)從本質(zhì)上看是減少了列車通過(guò)電分相時(shí)的斷電時(shí)間，未從根本上解決電分相問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)對(duì)同相供電技術(shù)研究比較深入，技術(shù)方案多樣。同相供電不僅能夠解決牽引供電系統(tǒng)中電分相問(wèn)題，而且同時(shí)可改善了電能質(zhì)量問(wèn)題[1-2]。文中主要針對(duì)組合式同相供電的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究，說(shuō)明組合式同相供電對(duì)于異相分段牽引供電在經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢(shì)。

1 組合式同相供電技術(shù)

同相供電是指在全線上的不同牽引變電所采取相同相位供電的單相供電方式，貫通同相供電可最大程度的消除電分相。同相供電由于全線接觸網(wǎng)的供電頻率和相位相同，各牽引變電所不再輪換相序。由于單相牽引負(fù)荷在電力系統(tǒng)中引起的負(fù)序電流將會(huì)導(dǎo)致三相不平衡，因此須設(shè)置同相補(bǔ)償裝置，以消除負(fù)序電流，使三相電壓不平衡度滿足國(guó)標(biāo)。同相供電的基本構(gòu)成如圖1所示，如采用貫通式同相供電，也可取消牽引變電所之間的電分相。

取消變電所處電分相有多種方案，主要包括基于對(duì)稱補(bǔ)償同相供電方案、基于三相-兩相變壓器的有源補(bǔ)償方案、組合式同相供電方案、全交直交牽引變電所方案等。其中以組合式同相供電方案在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面均具有優(yōu)勢(shì)。文中針對(duì)組合式同相供電方案進(jìn)行分析。下面簡(jiǎn)要介紹組合式同相供電原理。組合式同相供電分為單三相組合式同相供電和單相組合式同相供電。

圖1 同相供電系統(tǒng)示意圖

1.1 單三相同相供電技術(shù)

單三相組合式同相供電以牽引變電所的牽引變壓器接線方式中最簡(jiǎn)捷、最經(jīng)濟(jì)的單相牽引變壓器為基礎(chǔ)，配以適量的同相補(bǔ)償裝置，達(dá)到取消牽引變電所出口處電分相以消除供電瓶頸，治理負(fù)序以滿足三相電壓不平衡度(負(fù)序)限值的電能質(zhì)量要求，實(shí)現(xiàn)牽引變電所接線方式和供電裝置容量的最佳匹配。單三相組合式同相供電原理圖如圖2所示。

圖2中，TT為單相牽引變壓器，CPT為YNd11接線方式的補(bǔ)償變壓器，CPD為同相補(bǔ)償裝置。單相牽引變壓器TT與YNd11接線補(bǔ)償變壓器等效于一臺(tái)次邊電壓相位垂直的平衡變壓器。牽引變壓器TT和補(bǔ)償變壓器CPT及其同相補(bǔ)償裝置CPD一道給牽引網(wǎng)供電。同相補(bǔ)償裝置中的交直交變流器，即通過(guò)直流儲(chǔ)能電容連接的背靠背靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)。正常時(shí)，牽引變壓器和補(bǔ)償變壓器及其同相補(bǔ)償裝置工作；同相補(bǔ)償裝置退出運(yùn)行時(shí)，牽引變壓器可以單獨(dú)工作。當(dāng)牽引負(fù)荷功率小于等于同相補(bǔ)償裝置容量的2倍時(shí)，負(fù)序電流得以完全補(bǔ)償，由此引起的三相電壓不平衡度為零；當(dāng)牽引負(fù)荷功率大于同相補(bǔ)償裝置容量的2倍時(shí)，補(bǔ)償變壓器按同相補(bǔ)償裝置的容量供給，其余部分由牽引變壓器供給，同相補(bǔ)償裝置容量設(shè)置應(yīng)使此時(shí)剩余負(fù)序電流引起的負(fù)序電壓滿足國(guó)標(biāo)要求。同相補(bǔ)償裝置還具有無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ?，可在牽引供電系統(tǒng)功率因數(shù)低時(shí)投入使用。

圖2 單三相組合式同相供電原理圖

1.2 單相組合式同相供電

單相組合式同相供電與單三相組合式同相供電在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別只在于高壓匹配變壓器采用了單相接線。高壓匹配變壓器和牽引變壓器的原邊構(gòu)成了Scott接線平衡變壓器。單相組合式同相供電的原理圖如圖3所示。

圖3 單相組合式同相供電原理圖

圖3中TT為牽引變壓器， CPD為同相補(bǔ)償裝置，同相補(bǔ)償裝置由高壓匹配變壓器HMT、交直交變流器ADA、牽引匹配變壓器TMT組成。牽引變壓器TT計(jì)算容量大于同相補(bǔ)償裝置CPD的計(jì)算容量。

兩種方案各有特點(diǎn)：?jiǎn)稳嘟M合式同相供電方案中高壓匹配變壓器可提供中性點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大電流接地；YNd11接線可提供三相對(duì)稱電源；而單相組合式同相供電方案中變壓器容量利用率高，并且單相牽引變壓器和單相高壓匹配變壓器具有共箱布置的可能，可減少設(shè)備總數(shù)和占地等。

1.3 組合式同相供電優(yōu)勢(shì)

組合式同相供電的優(yōu)勢(shì)包括：

(1) 傳統(tǒng)同相供電方案利用平衡變壓器的自有平衡變換能力，需要同相補(bǔ)償裝置的容量為牽引負(fù)荷容量的一半左右。而對(duì)組合式同相供電而言牽引負(fù)荷與同相補(bǔ)償裝置容量的關(guān)系為：牽引負(fù)荷計(jì)算容量=牽引變壓器TT計(jì)算容量+同相補(bǔ)償裝置CPD計(jì)算容量。所以組合式同向供電可以最大程度減少價(jià)格昂貴的同相補(bǔ)償裝置中交直交變流器的容量及其所占比重，有效減少同相供變電裝置的一次性投資。

(2) 牽引變壓器和同相補(bǔ)償裝置的新式組合，提高了牽引變電所運(yùn)行的靈活性。補(bǔ)償變壓器或同相補(bǔ)償裝置退出運(yùn)行時(shí)，牽引變壓器可以短時(shí)單獨(dú)工作，備用牽引變壓器亦可替代牽引變壓器工作，并可以取消牽引變電所出口處的電分相環(huán)節(jié)。

(3) 補(bǔ)償變壓器采用YNd11標(biāo)準(zhǔn)接線，便于制造，同時(shí)原邊可以實(shí)施大電流接地，次邊三相繞組還可提供三相對(duì)稱電源給所用電。

(4) 各種運(yùn)行方式下均不影響鐵路運(yùn)輸，安全可靠。若單相牽引變壓器失效，則投入備用變壓器；若同相補(bǔ)償裝置發(fā)生故障，單相牽引變壓器也能滿足短時(shí)鐵路運(yùn)輸?shù)墓╇娨?。同相補(bǔ)償裝置配備完備的內(nèi)部保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)，并能與既有牽引供電設(shè)備實(shí)現(xiàn)良好配合。

綜上所述，組合式同相供電方案擺脫了基于三相兩相牽引變壓器的同相供電方案在牽引供電需求和電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限制兩者間的捆綁式束縛，在取消變電所出口處的電分相的同時(shí)優(yōu)化了系統(tǒng)方案，可以使單相牽引變壓器(主變)根據(jù)牽引負(fù)荷、同相補(bǔ)償裝置根據(jù)電壓不平衡度的電能質(zhì)量要求自由發(fā)揮，達(dá)到牽引變壓器容量利用率最大化、同相補(bǔ)償裝置容量最小化等優(yōu)化指標(biāo)，適合高速鐵路、重載鐵路、長(zhǎng)大坡道處電分相等情形。

2 經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 設(shè)備投資

傳統(tǒng)分段供電的設(shè)備投資主要有自動(dòng)過(guò)分相裝置和綜合補(bǔ)償裝置。組合式同相供電的設(shè)備投資主要為同相補(bǔ)償裝置。

(1) 自動(dòng)過(guò)分相裝置

現(xiàn)有的自動(dòng)過(guò)分相裝置有3種技術(shù)方案： ①地面開(kāi)關(guān)自動(dòng)切換方案；②車上自動(dòng)控制斷電方案；③柱上開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷電方案[3-4]。國(guó)內(nèi)主要采用地面自動(dòng)過(guò)分相裝置和車載自動(dòng)過(guò)分相裝置。目前平均一套地面自動(dòng)過(guò)分相裝置的費(fèi)用約為300萬(wàn)元[5]。在采用車載自動(dòng)過(guò)分相裝置的情況下，每輛機(jī)車的花費(fèi)將增加10萬(wàn)元。

(2) 異相分段供電的綜合補(bǔ)償裝置

近年來(lái)，SVC裝置的建造安裝等一次性投資約為150元/kVar，假設(shè)采用異相分段供電時(shí)，需要配備總?cè)萘繛镾1kVar的SVC裝置，則在SVC裝置上的一次性投資為：

X2=150S1(元)

(1)

(3) 組合式同相供電的同相補(bǔ)償裝置

同相補(bǔ)償裝置是組合式同相供電的主要投資，而交直交變流器是同相補(bǔ)償裝置中最昂貴的部分。同相補(bǔ)償裝置的建造安裝等一次性投資約為1 500元/kVar，若采用組合式同相供電，同相補(bǔ)償裝置的總?cè)萘繛镾2Var，則同相補(bǔ)償裝置上的一次性投資為：

X3=1 500S2(元)

(2)

根據(jù)上面對(duì)采取兩種供電方式的分析可知采用組合式同相供電增加的一次性投資為：

X3-X2-X1=1 500S2-150S1-X1(元)

(3)

2.2 組合式同相供電的運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益

(1) 節(jié)省固定容量電費(fèi)

同相供電將異相供電牽引變電所出口處的兩側(cè)供電臂合為一個(gè)供電臂。所以牽引變電所的母線有效電流將會(huì)減小。因此同相供電減小了牽引變電所變壓器的容量。每個(gè)供電臂負(fù)荷一定的情況下?tīng)恳儔浩鞯陌惭b容量可適當(dāng)降低。電力部門(mén)對(duì)鐵路實(shí)行兩部制電價(jià)，分為基本電價(jià)和電度電價(jià)。基本電價(jià)是根據(jù)牽引變電所變壓器的安裝容量確定的，所以安裝容量的大小就決定了電費(fèi)多少。同相供電減少了變壓器的安裝容量，所以可以減少每年鐵路部門(mén)上交的基本電費(fèi)。

采用組合式同相供電牽引變壓器的安裝容量可減少S3kVA。兩部制電價(jià)中的基本電價(jià)暫按25元/kVA月，則每年節(jié)省的固定容量電費(fèi)為：

X4=12×25S3=300S3(元)

(4)

(2) 再生制動(dòng)能量利用率

組合式同相供電取消了牽引變電所出口處的電分相，將異相分段供電的兩個(gè)供電臂合為一個(gè)供電臂，延長(zhǎng)了供電臂長(zhǎng)度，提高了再生制動(dòng)電力機(jī)車和牽引機(jī)車在同一供電臂上的概率。大大提高了再生制動(dòng)能量的利用率。組合式同相供電的再生制動(dòng)能量利用率可到10%左右。再生制動(dòng)能量利用率的提高對(duì)用電量有了很大的節(jié)省，若將組合式同相供電應(yīng)用于繁忙的大運(yùn)量線路段，再生制動(dòng)能量的利用的經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。假設(shè)再生制動(dòng)能量利用率提高產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為X5。

(3) 提高運(yùn)輸能力

組合式同相供電取消了不同牽引變電所之間和牽引變電所出口處的電分相，使列車不再斷電惰性通過(guò)分相區(qū)，保證了列車的高速運(yùn)行。尤其是在大長(zhǎng)坡的上行階段，避免了列車速度和牽引力的損失。有利于機(jī)車運(yùn)行速度的提高和牽引力的發(fā)揮。節(jié)省了列車的運(yùn)行時(shí)間，增加了列車的運(yùn)行密度，提高了鐵路部門(mén)運(yùn)輸線路的經(jīng)濟(jì)效益。例如文獻(xiàn)[6]針對(duì)實(shí)例計(jì)算得到每年可產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為2 585萬(wàn)元。但由于增加列車開(kāi)行車輛受影響因素較多，文中暫不考慮這部分經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 回收年計(jì)算

每年組合式同相供電產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為：

X4+X5+X6=300S3+X5

(5)

則組合式同相供電的回收年為：

(年)

(6)

X1為自動(dòng)過(guò)分相裝置的投資。

2.4 實(shí)例評(píng)估

本部分以實(shí)際線路為例，計(jì)算分別改造為組合式同相供電后，多出的一次性投資的回收年。由于某些數(shù)據(jù)無(wú)法收集，所以計(jì)算回收年時(shí)只考慮了同相供電裝置成本、自動(dòng)過(guò)分相裝置成本、異相分段供電補(bǔ)償裝置成本、固定容量電費(fèi)、再生能量等幾個(gè)重要的因素，其余的因素忽略未作考慮。

該線共設(shè)3個(gè)牽引變電所，原牽引變壓器容量和改造為組合式同相供電后的牽引變壓器容量見(jiàn)表1。

表1 兩種供電方案牽引變電所容量 MVA

根據(jù)計(jì)算，3個(gè)牽引變電所共需設(shè)置18 MVA的同相供電裝置。對(duì)組合式同相供電而言牽引負(fù)荷計(jì)算容量=牽引變壓器TT計(jì)算容量+同相補(bǔ)償裝置CPD計(jì)算容量。

同相供電裝置以1 500元/kVA計(jì)算[6]。牽引變電所基本電費(fèi)以25元/kVA·月計(jì)算。

根據(jù)表格1可知，同相供電總計(jì)節(jié)省變壓器容量為17 MVA，安裝容量為39 MVA。根據(jù)式(4)可算出每年節(jié)省固定容量電費(fèi)可達(dá)448.8萬(wàn)元。根據(jù)式(2)可計(jì)算出同相供電裝置的一次性投資為2 700萬(wàn)元。異相分段供電方案下自動(dòng)過(guò)分相裝置費(fèi)用總計(jì)900萬(wàn)元。異相分段供電補(bǔ)償裝置為SVC，補(bǔ)償容量為9.2 MVA。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)牽引變電所能量反饋率約2.5%。按改造后總安裝容量39 MVA、平均負(fù)荷率25%、牽引變電所能量反饋率2.5%、反饋能量回收利用率80%、電度電費(fèi)0.643元/kWh計(jì)，則可使3座變電所共減少電度電費(fèi)110萬(wàn)元/年。

根據(jù)前面的分析可知改造為同相供電后一次性投資增加費(fèi)用為1 662萬(wàn)元。而每年節(jié)省的電費(fèi)總計(jì)為620萬(wàn)元。根據(jù)式(6)可算出回收年為2.7年。即接近3年的時(shí)間便可收回其多支出的一次性成本。此后每年只在電費(fèi)方面即可節(jié)省620萬(wàn)元。經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

3 結(jié) 論

在討論組合式同相供電經(jīng)濟(jì)性時(shí)分為一次性投資和運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益兩個(gè)方面。組合式同相供電的一次性投資主要為同相供電裝置。從固定容量電費(fèi)、運(yùn)輸能力、再生制動(dòng)能量利用率幾個(gè)方面分析了組合式同相供電的運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益：

(1) 組合式同相供電能最大限度減少同相供電裝置容量，降低設(shè)備一次性投資，縮短回收年。

(2) 通過(guò)實(shí)例計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，在不考慮運(yùn)能增加產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益情況下，同相供電設(shè)備投資回收年約為3年。

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