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        重載鐵路樹形貫通式同相供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)

        2023-12-21 09:43:20康德建
        西南交通大學(xué)學(xué)報 2023年6期
        關(guān)鍵詞:負(fù)序樹形雙邊

        康德建 ,易 東 ,王 輝 ,3

        (1.國能新朔鐵路有限責(zé)任公司供電分公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010318;2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川 成都 611756;3.成都尚華電氣有限公司,四川 成都 610200)

        我國現(xiàn)行電氣化鐵路需在牽引變電所出口處和分區(qū)所處均設(shè)置電分相[1-3].電分相為無電區(qū),若機(jī)車通過電分相時速度較低,可能造成機(jī)車闖分相失敗,造成停車事故;司機(jī)操作一旦失誤,可能造成供電系統(tǒng)短路,引起跳閘斷電,嚴(yán)重時可能損壞供電系統(tǒng)和車載設(shè)備,對重載機(jī)車安全可靠運(yùn)行造成重大影響,成為限制重載鐵路運(yùn)輸能力的瓶頸[4-6].

        在單所同相供電的基礎(chǔ)上,相鄰2 個牽引變電所之間采用雙邊供電方式可構(gòu)成電氣化鐵路貫通式同相供電系統(tǒng).對于單所同相供電,組合式同相供電技術(shù)以最小變流器容量實(shí)現(xiàn)了單個牽引變電所的同相供電[1],被溫州市域鐵路S1 線、廣州地鐵18 號和22 號線等采用.根據(jù)外部電源的不同,文獻(xiàn)[7]將雙邊供電分為平行雙邊供電和樹形雙邊供電.目前,平行雙邊供電被韓國和俄羅斯等國采用,但存在均衡電流、三相電壓不平衡等問題[8-9].對于樹形雙邊供電系統(tǒng),文獻(xiàn)[10]建立了牽引網(wǎng)阻抗模型和潮流計算模型;文獻(xiàn)[11]研究了負(fù)序補(bǔ)償方案,包括集中式補(bǔ)償和分布式補(bǔ)償方案.此外,文獻(xiàn)[12]還對雙邊供電中諧波的傳輸模型及諧振發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了研究.

        已有的貫通供電系統(tǒng)研究側(cè)重于牽引供電系統(tǒng)側(cè)建模,對考慮外部電源結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)整體運(yùn)行研究相對較少.本文從空載、負(fù)載和故障三方面對樹形貫通式同相供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行研究.對于空載工況,建立雙邊供電系統(tǒng)均衡電流評估模型;對于負(fù)載工況,以某實(shí)際重載線路為例,借助于負(fù)荷過程仿真,評估系統(tǒng)的供電能力,分析系統(tǒng)對外部電網(wǎng)的負(fù)序影響;對于系統(tǒng)故障工況,分析該系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各類系統(tǒng)故障,提出不同故障時系統(tǒng)的運(yùn)行策略和保護(hù)配置方案.

        1 均衡電流

        根據(jù)牽引供電系統(tǒng)外部電源供電方式的不同,牽引變電所TS1、TS2 可形成2 類雙邊供電系統(tǒng),即平行雙邊供電和樹形雙邊供電,如圖1 所示[7].雙邊供電方式下,牽引網(wǎng)與電力系統(tǒng)輸電線并聯(lián)形成環(huán)網(wǎng),產(chǎn)生附加的均衡電流,會對鐵路電量計費(fèi)等造成影響[13-14].因此,有必要構(gòu)建均衡電流評估模型分析2 類雙邊供電系統(tǒng).

        圖1 電氣化鐵路雙邊供電方式Fig.1 Bilateral power supply modes of electrified railway

        2 類雙邊供電形式都可以用圖2 所示的等值電路表示.圖中:分別為牽引變電所TS1、TS2進(jìn)線對應(yīng)的公共連接點(diǎn)(PCC)處的電壓;ZJ1、ZJ2分別為牽引變電所TS1、TS2 進(jìn)線對應(yīng)的總阻抗;ZT1、ZT2分別為TS1、TS2 中牽引變壓器T1、T2 歸算至牽引側(cè)的阻抗;Zq為牽引網(wǎng)的等值阻抗;為空載時的牽引網(wǎng)電流,即均衡電流;牽引變壓器T1、T2 原(次)邊電壓分別為對應(yīng)的變比分別為k1、k2.

        圖2 雙邊供電等值電路Fig.2 Bilateral equivalent power supply circuit

        圖3 均衡電流變化規(guī)律(平行雙邊供電)Fig.3 Equalizing current variation(parallel bilateral power supply)

        對圖2 中回路1~3 列寫方程,得

        UTi、UTdi和PTi分別為牽引變壓器的額定容量、額定電壓、短路電壓百分比和短路損耗.

        由式(1)求得

        1)平行雙邊供電

        2)樹形雙邊供電

        圖4 均衡電流變化規(guī)律(樹形雙邊供電)Fig.4 Equalizing current variation(tree bilateral power supply)

        為最大限度降低均衡電流影響,在滿足經(jīng)濟(jì)條件的前提下,重載鐵路貫通式同相供電系統(tǒng)外部電源可選擇樹形供電方式;對于機(jī)車負(fù)荷造成的三相電壓不平衡,可在牽引變電所設(shè)置組合式同相供電裝置進(jìn)行治理,同時為新能源的消納預(yù)留接口;為提高系統(tǒng)供電可靠性,接觸網(wǎng)可采用分段供電與狀態(tài)測控技術(shù)保障牽引網(wǎng)安全運(yùn)行.結(jié)合上述技術(shù)措施構(gòu)成重載鐵路樹形貫通式同相供電系統(tǒng),如圖5 所示.此時,牽引變電所TS1、TS2 出口處及TS1、TS2之間的供電區(qū)段不需再設(shè)置電分相,能夠?qū)崿F(xiàn)對重載鐵路機(jī)車的不間斷供電,避免機(jī)車過電分相時存在的失速、過電壓和過電流等風(fēng)險.

        圖5 樹形貫通式同相供電系統(tǒng)Fig.5 Tree continuous co-phase power supply system

        2 供電能力

        重載鐵路貫通式同相供電系統(tǒng)的供電能力與外部電源的電壓等級、系統(tǒng)短路容量、進(jìn)線阻抗、牽引供電系統(tǒng)的供電方式、牽引變壓器容量、牽引網(wǎng)導(dǎo)線選型、機(jī)車負(fù)荷和運(yùn)量水平等因素均有關(guān)系,當(dāng)設(shè)備容量、導(dǎo)線載流量均滿足要求時,牽引網(wǎng)的電壓水平則成為系統(tǒng)供電能力良好發(fā)揮的主要制約因素.外部電源的電壓等級越大、系統(tǒng)的短路容量越大、進(jìn)線阻抗越小、牽引變壓器容量越大、牽引網(wǎng)阻抗越小,則輸送至牽引變電所處的電壓損失越小,對應(yīng)的牽引網(wǎng)電壓水平則越高.

        通過負(fù)荷過程仿真、現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)測等技術(shù)手段,可以評估牽引網(wǎng)的電壓水平,校驗(yàn)方案的設(shè)計是否合理.以某實(shí)際重載線路樹形貫通式同相供電改造方案為例,分別從正常供電和牽引變電所解列2 類工況對樹形貫通式同相供電系統(tǒng)的供電能力進(jìn)行分析與評估.該線路全長約130 km,如圖6 所示,改造前,全線共設(shè)置4 座牽引變電所,分別為牽引變電所TS3、TS4、TS5 和TS6,采用Vv 接線方式,共設(shè)置7 處電分相,全線異相供電.

        圖6 改造前的牽引供電系統(tǒng)Fig.6 Traction power supply system before transformation

        如圖7 所示,利用既有牽引變電所和分區(qū)所作為分段,采用牽引網(wǎng)分段保護(hù)與狀態(tài)測控技術(shù)對既有牽引變電所和分區(qū)所進(jìn)行改造.改造后,全線存在2 種運(yùn)行方式.當(dāng)變電站5 正常供電時,TS4、TS5同時由變電站5 進(jìn)行供電,構(gòu)成樹形貫通式同相供電系統(tǒng),為全線供電,全線電分相由7 處變?yōu)? 處;當(dāng)TS4、TS5 分別由變電站4、6 供電時,開閉所4 處開關(guān)斷開,TS4、TS5 分別構(gòu)成單所同相供電,全線電分相由7 處變?yōu)? 處.正常情況下,該系統(tǒng)優(yōu)先工作于雙邊供電模式,故本節(jié)通過構(gòu)建雙邊供電系統(tǒng)的鏈?zhǔn)诫娐纺P停⒉捎眠B續(xù)線性潮流算法求解[15],分析其供電能力.

        圖7 采用樹形貫通式同相供電系統(tǒng)的改造方案Fig.7 Transformation schemes with tree continuous co-phase power supply system

        2.1 正常供電

        正常供電情況下牽引變電所TS4、TS5 均投入運(yùn)行,如圖7(a)所示,牽引網(wǎng)貫通供電,短路容量按照1 000 MV·A 考慮.對年運(yùn)量3 500 萬、5 000 萬噸的情形進(jìn)行負(fù)荷過程仿真,機(jī)車為HXD4D,牽引網(wǎng)采用直供帶回流線的供電方式.典型值統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示,在年運(yùn)量3 500 萬噸時,牽引網(wǎng)上、下行最低網(wǎng)壓為24.37 kV,年運(yùn)量5 000 萬噸時,最低網(wǎng)壓為25.28 kV,滿足牽引網(wǎng)電壓要求.

        表1 正常供電情況下典型值統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Statistical results of simulation values under normal power supply

        2.2 牽引變電所解列

        牽引變電所TS4、TS5 均有2 路電源和2 臺主變,解列的概率極低,但一旦解列,將對系統(tǒng)供電能力造成影響.牽引變電所解列包括以下2 種情況:

        1)牽引變電所TS5 解列

        牽引變電所TS5 解列時,由牽引變電所TS4 為全線供電,如圖7(b)所示,進(jìn)行負(fù)荷過程仿真,典型值統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示,上、下行牽引網(wǎng)最低網(wǎng)壓為22.74 kV,滿足牽引網(wǎng)電壓要求.

        表2 牽引變電所TS5 故障時,TS4 典型值統(tǒng)計結(jié)果Tab.2 Statistical results of simulation values of TS4 with traction substation TS5 fault

        2)牽引變電所TS4 解列

        牽引變電所TS4 解列時,由牽引變電所TS5 為全線供電,如圖7(c)所示,進(jìn)行負(fù)荷過程仿真,典型值統(tǒng)計結(jié)果如表3 所示,上、下行牽引網(wǎng)最低網(wǎng)壓為22.78 kV,滿足牽引網(wǎng)電壓要求.

        表3 牽引變電所TS4 故障時,TS5 典型值統(tǒng)計結(jié)果Tab.3 Statistical results of simulation values of TS5 with traction substation TS4 fault

        機(jī)車牽引工況和再生制動工況下的額定功率發(fā)揮均受接觸網(wǎng)電壓的影響.以牽引工況為例,當(dāng)接觸網(wǎng)電壓低于22.50 kV 或高于29.00 kV 時,機(jī)車將不能發(fā)揮額定功率,為確保機(jī)車安全運(yùn)行,需要校驗(yàn)接觸網(wǎng)電壓是否在機(jī)車功率發(fā)揮曲線要求的范圍內(nèi)[16].對于接觸網(wǎng)電壓偏低,影響機(jī)車額定功率發(fā)揮的情形,可通過增加無功補(bǔ)償裝置(例如靜止無功發(fā)生器)和調(diào)節(jié)牽引變壓器抽頭等措施提升牽引網(wǎng)的電壓.經(jīng)校驗(yàn),牽引變電所解列時,本文方案能夠滿足列車功率需求.

        此外,對于鋼軌電位較高的情形,可通過增加貫通地線等措施降低鋼軌電位[17-18].

        3 對外部電網(wǎng)的負(fù)序影響

        電氣化鐵路為單相負(fù)荷,會對外部電網(wǎng)產(chǎn)生負(fù)序影響,對電力系統(tǒng)造成危害,如電動機(jī)效率下降、局部過熱、繼電保護(hù)裝置誤動作等[19-20].因此,準(zhǔn)確地評估負(fù)序有利于保證重載鐵路貫通式同相供電系統(tǒng)以及其外部電源的安全運(yùn)營.針對線路的不同階段可采用不同的評估方法.對于處在規(guī)劃設(shè)計階段的線路,可收集數(shù)據(jù)資料,建立系統(tǒng)模型,通過仿真計算對系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)序評估;對于已投入運(yùn)行的線路,可通過電能質(zhì)量測試儀等專業(yè)設(shè)備直接測量系統(tǒng)負(fù)序,并進(jìn)行評估.

        《電能質(zhì)量——三相電壓不平衡》(GB/T 15543—2008)[21]給出一種電壓不平衡度 εU2的近似計算方法,如式(4)所示.

        式中:I2為負(fù)序電流值;Sd為PCC 處的三相短路容量;UL為三相電力系統(tǒng)線電壓.

        在改造方案設(shè)計階段可結(jié)合仿真數(shù)據(jù),利用式(4)對樹形貫通式同相供電系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)序評估,若PCC 處的三相電壓不平衡度符合規(guī)定要求,牽引變壓器采用單相接線變壓器即可;若PCC 處的三相電壓不平衡度超過規(guī)定范圍,可投入同相補(bǔ)償裝置來治理負(fù)序問題.

        由仿真結(jié)果可知,采用單相接線變壓器構(gòu)成的樹形貫通式同相供電系統(tǒng)的三相電壓不平衡度95%概率大值和最大值分別為2.59%和3.41%,不滿足《電能質(zhì)量——三相電壓不平衡》對于三相電壓不平衡度限值的要求;采用組合式同相供電裝置后,三相電壓不平衡度95%概率大值和最大值分別為1.20%和1.65%,滿足《電能質(zhì)量——三相電壓不平衡》對于三相電壓不平衡度限值的要求.

        4 系統(tǒng)故障和保護(hù)配置

        電氣化鐵路作為一級負(fù)荷,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,保護(hù)裝置應(yīng)及時采取措施,使系統(tǒng)故障范圍盡可能的小.對于重載鐵路而言,盡可能小的故障范圍能夠降低其對于運(yùn)輸能力的影響.樹形貫通式同相供電系統(tǒng)可能會發(fā)生的故障有高壓進(jìn)線故障、同相供電裝置故障、接觸網(wǎng)故障等,各類故障及相應(yīng)保護(hù)裝置如圖8 所示,DL 表示短路器,K1~K4 為典型故障位置.

        圖8 各類故障及保護(hù)裝置示意Fig.8 Various types of faults and protection devices

        1)高壓側(cè)進(jìn)線短路故障

        當(dāng)高壓側(cè)進(jìn)線發(fā)生短路故障時,電網(wǎng)側(cè)保護(hù)動作使DL101 跳閘,反向保護(hù)裝置動作使DL103 跳閘,從而切除故障,斷開電源進(jìn)線,備用進(jìn)線投入運(yùn)行.

        2)同相供電裝置故障

        貫通供電工程改造完成后,除了既有繼電保護(hù)外,同相供電裝置設(shè)置繼電保護(hù).當(dāng)同相供電裝置故障時,繼電保護(hù)動作使DL203 和DL205 跳閘,將故障的同相供電裝置支路切除,備用同相供電裝置投入運(yùn)行;同相供電裝置因故障全部退出運(yùn)行后,主牽引變壓器單獨(dú)供電.

        3)接觸網(wǎng)短路故障

        對重載鐵路樹形貫通式同相供電系統(tǒng),接觸網(wǎng)上增設(shè)分段保護(hù)與狀態(tài)測控裝置,可在分區(qū)所處自然分段,每個分段相當(dāng)于原單邊供電的一個供電臂.分段兩端設(shè)置開閉所,在每個開閉所內(nèi)設(shè)置電壓互感器、電流互感器、分段器及斷路器,如圖8 所示.通過分段兩端電流互感器測得的電流大小,可判斷分段內(nèi)機(jī)車的運(yùn)行情況;通過分段兩端電壓互感器測得的電壓,結(jié)合潮流符號法,可判斷分段內(nèi)是否發(fā)生接地短路或斷路故障.當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生故障時,保護(hù)裝置可及時分辨故障類型并切除故障區(qū)間,達(dá)到盡可能保證非故障區(qū)間正常運(yùn)行的目的.

        圖8 中,K1 和K3、K2 和K4 分別屬于同一種故障位置類型,故以K1、K2 故障為例進(jìn)行分析.接觸網(wǎng)2 種不同位置發(fā)生故障時,傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)和樹形貫通式同相供電系統(tǒng)各保護(hù)裝置的動作情況對比如表4 所示.由表4 可知,當(dāng)傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)發(fā)生接觸網(wǎng)故障時,保護(hù)裝置會將整個供電臂甚至非故障區(qū)間的供電臂切除,影響范圍擴(kuò)大;當(dāng)重載鐵路樹形貫通式同相供電系統(tǒng)發(fā)生接觸網(wǎng)故障時,采用由分段保護(hù)及測控裝置準(zhǔn)確識別故障分段并切除,既有保護(hù)作為后備的運(yùn)行策略,只將故障區(qū)段切除,其余區(qū)段正常供電.

        表4 接觸網(wǎng)不同位置發(fā)生故障時的保護(hù)裝置動作分析Tab.4 Analysis of protection device action when faults occurred in different locations of overhead contact line system

        進(jìn)一步得到重載鐵路傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)和樹形貫通式同相供電系統(tǒng)各類故障分析及措施對比,如表5 所示.

        表5 系統(tǒng)各類故障分析及措施對比Tab.5 Analysis of various types of system faults and comparison of measures

        5 結(jié)論

        1)對于采用樹形雙邊供電構(gòu)成的貫通式同相供電系統(tǒng),當(dāng)兩相鄰牽引變電所變壓器變比相同時,不會產(chǎn)生均衡電流.

        2)以某實(shí)際重載線路為例,結(jié)合負(fù)荷過程仿真,對樹形貫通式同相供電系統(tǒng)的運(yùn)輸能力進(jìn)行分析,結(jié)果說明系統(tǒng)在正常供電和牽引變電所解列越區(qū)供電情況下的供電能力均滿足要求,說明該系統(tǒng)具有良好的供電能力.

        3)對系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)序評估,結(jié)果說明投入同相補(bǔ)償裝置可使負(fù)序問題得到治理.

        4)通過系統(tǒng)故障及保護(hù)裝置動作的分析,說明系統(tǒng)的可靠性得到保障;當(dāng)發(fā)生接觸網(wǎng)故障時,提出的運(yùn)行策略可準(zhǔn)確識別故障區(qū)段并切除,縮小影響范圍.

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