高速鐵路牽引變電所負荷試驗方法探討

李建儒，夏文忠

0 前言

高速鐵路（以下簡稱高鐵）高速度、大功率牽引動車組需要電網(wǎng)公司220 kV變電站為牽引變電所提供2回路高可靠電源，以確保對220 kV變電站高鐵專用饋線的控制、保護和輸電線路安全無誤。為此，在牽引變電所啟動受電時，電網(wǎng)公司要求牽引供電系統(tǒng)提供一定的負荷，用以校驗220 kV變電站高鐵專用饋線保護回路的極性和相位，即牽引變電所負荷試驗。本文將針對高鐵牽引供電的特點就牽引變電所負荷試驗的幾種主要方法與同仁探討。

1 負荷試驗方法

1.1 常速鐵路牽引變電所負荷試驗方法

目前常速鐵路牽引變電所進線電源電壓主要為110 kV，個別地區(qū)為220 kV，開行客車和貨車主要為交-直牽引電力機車，牽引變電所低壓側設置并聯(lián)電容補償裝置，用于提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，滿足電力系統(tǒng)功率因數(shù)不低于0.85的要求。因此，在進行牽引變電所啟動時，變壓器5次沖擊后，并聯(lián)電容補償裝置試驗時產(chǎn)生的容性電流足以滿足電力公司負荷試驗的要求，這里不再贅述。

1.2 高速鐵路牽引變電所負荷試驗方法

高速鐵路客運專線牽引變電所進線電源電壓主要為220 kV，個別地區(qū)為330 kV，開行交-直-交牽引動車組，功率因數(shù)高達 0.95以上，滿足電力系統(tǒng)功率因數(shù)不低于 0.85的要求，牽引變電所低壓側不再設置并聯(lián)電容補償裝置。

結合國內(nèi)外類似試驗，牽引變電所負荷試驗主要有4種方法：牽引變低壓側移動電容器法、牽引變環(huán)流法、電力系統(tǒng)調(diào)度負荷法和牽引負荷法。

（1）牽引變低壓側移動電容器法（簡稱移動電容器法）是借鑒常速鐵路利用并聯(lián)電容補償裝置進行的負荷試驗，施工單位配置1臺移動電容器和相應的高壓電纜及連接金具，接于牽引變壓器27.5 kV側，產(chǎn)生一定的電流。該方法在類似工程中已有實踐，較為簡單，切實可行。

（2）2組牽引變壓器并聯(lián)環(huán)流法（簡稱牽引變環(huán)流法）是將牽引變電所高壓進線分別引自同一變電站220 kV的不同母線上，牽引變電所設置2組變壓器，固定備用，可以采用將2組牽引變壓器低壓側同相并聯(lián)，解除固定備用閉鎖，同時投入，由于 2組變壓器存在電壓比誤差和短路阻抗差而產(chǎn)生一定的環(huán)流。

（3）電力系統(tǒng)調(diào)度負荷法：電力系統(tǒng)為校驗其變電站饋出線的保護，在類似工程中，多采用調(diào)度用戶負荷的方法，即把同一回線路的已有負荷或相鄰回線路已有負荷臨時調(diào)至本回線路，校驗母線及線路保護。該方法在變電站采用室外分散布置安裝方式時易于實現(xiàn)。現(xiàn)今變電站普遍采用GIS組合電器、電纜進出線方式，造成臨時倒接工作量大，實施困難。

（4）牽引負荷法是在現(xiàn)場不具備某些條件的情況下，在變電所啟動并向接觸網(wǎng)送電后，利用牽引機車進行負荷試驗。該試驗與實際工況相同，但是因牽引機車的動態(tài)、恒定電流持續(xù)時間短的負荷特點，在送電初期，保持一定時間的持續(xù)電流用于負荷試驗不易實現(xiàn)。

2 移動電容器法負荷試驗

2.1 移動電容器的選擇

該方法的關鍵是將移動電容器接于牽引變壓器低壓出線側，因而其結構型式、電壓等級和容量的選擇極為重要。

（1）電容器結構型式。為便于不同變電所間移動使用，選擇集合式并聯(lián)電容器并附帶放電線圈較為可行。集合式電容器由若干個電容器單元集中在一個殼體內(nèi)，具有體積小、重量輕、外部接線簡單的特點，便于運輸和使用。

（2）電容器電壓等級的選擇。目前國內(nèi)可用于牽引供電系統(tǒng)的集合式并聯(lián)電容器主要有33.6 kV、42 kV 2種電壓等級。高鐵牽引變壓器普遍采用VX接線形式、220 kV/（2×27.5 kV）變壓器組，負荷試驗時電容器接于牽引變壓器低壓出線側T線或F線和N線之間，工作電壓為27.5 kV。根據(jù)絕緣配合原則，電容器接入電網(wǎng)后，運行中承受的長期工頻過電壓不大于額定值的1.1倍[1]，且無串聯(lián)電抗器，因此可選擇33.6 kV及以上電壓等級的集合式并聯(lián)電容器作為移動電容器。

（3）容量的選擇。高速鐵路牽引變壓器容量通常在31.5，40，50 MV·A，對應低壓側2個繞組的容量為20，25，31.5 MV·A，阻抗電壓10.5%（標么值）。現(xiàn)行國家標準規(guī)定，當不具備設計計算條件時，電容器的安裝容量可按變壓器容量的10%～30%確定[2]，負荷試驗時電容器容量范圍在3 000～5 000 kvar較為適宜，相應的電容量在12～21 μF，因此選擇容量為4 000 kvar、電容量15 μF左右的電容器較為可行。

2.2 負荷試驗計算

為核算負荷試驗時220 kV變電站饋出線電流的大小，以220 kV變電站饋出線電流互感器變比K= 1 600/5、牽引變電所電流互感器變比K2=800/1、牽引變壓器40 MV·A，220 kV/（2×27.5 kV）和電容器電容量15 μF的主要參數(shù)為例，可按下述方法進行相關負荷計算（中間計算時不標出量綱）。

折算變壓器低壓側短路阻抗

電容器阻抗

由計算可知，ZC遠遠大于Zdl%，在負荷試驗簡單計算時，變壓器低壓側短路阻抗可忽略不計。

27.5 kV側一次電流I2=U/ZC= 129.53 A

220 kV側一次電流I1=I2/(n1/n2) =16.19 A

220 kV側二次電流i1=I1/K2= 20.23 mA

經(jīng)計算可知變電站負荷試驗電流滿足現(xiàn)有儀表測試范圍，可以進行相應的保護校驗。

2.3 試驗方法和接線

在二回220 kV線路經(jīng)3次沖擊，2組牽引變壓器經(jīng)5次沖擊，一二次設備運行均正常，即可按下述方法和步驟進行負荷試驗，具體接線如圖1所示。

（1）牽引變壓器組退出運行。

（2）同組其中 1臺牽引變壓器B3低壓側加掛地線，電容器、放電線圈殼體及其二次回路地端接地。

（3）27.5 kV電纜一端連接至牽引變壓器低壓出線側T2線或F2線，另一端連接至電容器A1端，27.5 kV電纜屏蔽鎧裝層單端接地。

（4）低壓電纜一端連接至牽引變壓器低壓出線側N線，另一端連接至電容器X端。

本研究經(jīng)沈陽醫(yī)學院附屬中心醫(yī)院倫理委員會審批，設計隨機對照試驗，分為試驗組(ERAS加ECTR組)和對照組(OTCR組)。所有患者都進行術前DASH評分[14]、肌電圖檢查及超聲剪切波彈性成像[12]。患者術前的一般資料及統(tǒng)計差異見表1。

（5）檢查接線連接及接地應正確可靠。

（6）牽引變壓器投入。

（7）變電站和牽引變電所測量高低壓側電流和二次回路電流，校核母線和線路保護。

（8）重復上述步驟，進行同組另一臺變壓器和另一組變壓器的負荷試驗。

圖1 負荷試驗接線示意圖

3 牽引變環(huán)流法負荷試驗

該方法關鍵在于2組變壓器并聯(lián)供電時，選擇合適的電壓差、短路阻抗及環(huán)流的計算。

3.1 基本原理

2組牽引變壓器并聯(lián)運行時， 2組變壓器存在電壓比誤差和短路阻抗差產(chǎn)生一定的環(huán)流。利用這一原理，當環(huán)流很小時，可以將其中一組變壓器的分接開關位置調(diào)低一個檔位（牽引變壓器一般每檔位調(diào)整變比為2.5%），可產(chǎn)生較大的環(huán)流，實現(xiàn)負荷試驗的目的。

3.2 試驗方法和接線

在二回220 kV線路經(jīng)3次沖擊，2組牽引變壓器經(jīng)5次沖擊，一二次設備運行均正常，即可按下述方法和步驟進行負荷試驗，具體接線如圖2所示。

（1）牽引變壓器組退出運行，同相牽引變壓器B3、B4低壓側加掛地線。

（2）1根27.5 kV電纜連接牽引變壓器B3、B4的T2線，另1根27.5 kV電纜連接至牽引變壓器B3、B4的F2線，電纜屏蔽鎧裝層單端接地。

（3）將B3的分接開關切換至4檔，B4的分接開關切換至3檔。

（4）檢查接線連接及接地應正確可靠。

（5）解除2臺牽引變壓器閉鎖，合閘投入。

（6）變電站和牽引變電所測量高低壓側電流和二次回路電流，校核母線和線路保護。

（7）重復上述步驟，進行另一相變壓器的負荷試驗。

3.3 環(huán)流計算

為核算負荷試驗時220 kV變電站饋出線電流的大小，以220 kV變電站饋出線電流互感器變比K= 1 600/5、牽引變電所電流互感器變比K2=800/1、牽引變壓器 40 MV·A（25 + 25MV·A），220 kV/（2×27.5 kV）和阻抗電壓10.5%（標么值）為例，忽略 2臺變壓器的變比誤差和短路阻抗誤差，B3分接開關4檔，B4變壓器分接開關在3檔，可按下述方法進行相關負荷計算（中間計算時不標出量綱）。

折算變壓器低壓側短路阻抗

低壓側電壓差

則27.5 kV一次側環(huán)流電流

220 kV側一次電流I1=I2/(n1/n2) = 13.35 A

220 kV側二次電流i1=I1/K2= 16.68 mA

220 kV變電站饋出線二次電流（不考慮線路電流）i=I1/K= 41.7 mA

值得注意的是1號系統(tǒng)電流與2號系統(tǒng)電流方向相反，變電站核對極性時要正確判斷。如果認為電流偏小，測量不便，可以再調(diào)低變壓器一個檔位，理論上電流將增加1倍。

圖2 牽引變環(huán)流負荷試驗接線示意圖

4 結束語

通過上述對4種牽引變電所負荷試驗的闡述，可以得出以下結論：

（1）移動電容器負荷試驗法，方法簡單，關鍵在于選擇合適的電容器，該方法在類似工程已有實踐，宜于實現(xiàn)。

（2）牽引變壓器環(huán)流負荷試驗法，方法較為簡單，關鍵在于選擇合適的變壓器分接開關檔位，該方法有待于在工程中實踐。

（3）其他2種方法，由于現(xiàn)場條件所限，實施困難，但可以借鑒。

（4）進行負荷試驗時，應注意試驗時機和試驗前的檢查，一般應在大線路沖擊和牽引變壓器5次沖擊后進行，試驗前應保證二次回路和試驗接線、接地應正確，安全作業(yè)。另外在選擇大容量電容器或計算電流較大時，應校核差動保護，必要時可臨時退出差動保護。

隨著高速鐵路建設的不斷發(fā)展，對高可靠電源的要求更加嚴格，負荷試驗已經(jīng)成為牽引變電所受電啟動的一個必試項目，應結合實際情況，選擇合理的方法并實施，達到試驗的目的。

[1]GB50227-95 并聯(lián)電容器設計規(guī)范[S].

[2]SD-325-1989 電力系統(tǒng)電壓和無功技術導則[S].

[3]王月德.變壓器并聯(lián)運行的分析[J].華北電力技術，1990，（1）.