不平衡牽引負荷對電網容量占有的探討

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(西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031)

作為大宗電力用戶的電氣化鐵道牽引負荷，由于其波動性、隨機性、近遠期負荷相差大、負載率低、供電可靠性要求高以及負序、諧波等一系列不良特征[3]，被公認為是一種典型的不平衡負荷。牽引變壓器聯結方式的多樣性使其對電網的影響具備特殊性，文獻[4]和[5]用實測數據充分考慮變壓器的過負載能力對牽引變壓器的合理選擇進行了分析；文獻[6]通過建模仿真分析了牽引變壓器在電鐵牽引供電系統中對公用系統所造成的影響;文獻[7]介紹了幾種電價收費方式；文獻[8]針對客運專線僅提出了基本電費交納方案。下面則針對其對電網容量占有問題進行探討，并理論分析了不平衡負荷功率因數的定義，最后對供電部門關注的電鐵電價收費方式問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從電網所吸取的視在功率，是指輸入容量；輸出容量是指變壓器二次側輸出的視在功率。對一般的變壓器來說，其輸入容量和輸出容量基本相等，結構容量與額定容量相等,但對于牽引變壓器則要特殊對待。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，同時給左右兩側的供電臂供電，其電路原理圖如圖1所示。

圖1 單相接線變壓器

當工作繞組達到額定負荷UN、IN，時，單相接線變壓器的輸出容量為

S1=UNIN

(1)

依據視在功率法，其對電網的占有容量為

SS=Sa+Sb+Sc=UNIN=S1

(2)

則其容量利用率為

在三相電力系統中產生的負序電流最大，不對稱度為100%，但由于主接線簡單、設備少、占地面積小、投資省等優點，在電力網比較發達的地區仍然得到利用[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的兩個線電壓(如AB、BC)，次邊各有一端分別接到牽引側的兩相母線上，公共端子與軌道及接地網連接。由于對地電壓相位不同，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Iab、Ibc達到額定值Ie時，即Iab=Ibc=Ie，則額定輸出容量：S1=IabUe+IbcUe=2UeIe

(4)

對電網的占有容量為：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。在兩臂負荷相同情況下，不對稱度為50%。和純單相接線比，對系統的負序影響減少，設備相對較少但需跨相供電。

1.3 Scott接線牽引變壓器

Scott接線牽引變壓器由兩臺單相變壓器構成。變壓器的原邊繞組聯成倒T形接入三相電力系統，副邊繞組聯成相位差為90°的V形，公共端接地和鋼軌，兩個開口端分別接入接觸網相鄰的兩區段，相鄰兩接觸網對地電壓相位不同，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)

達到額定輸出時，Iα=Iβ=Ie，此時，

(7)

則變壓器額定輸出容量為

S1=UIα+UIβ=2UIe

(8)

對電網的占有容量計算如下。

SS=UCDIC+UADIA+UBDIB

(9)

則其容量利用率為

(10)

所以，當M座和T座兩供電臂負荷電流大小相等，功率因素也相等時，變壓器容量可全部利用，對接觸網也可實現兩邊供電，但其造價高，主接線復雜，對絕緣水平要求高。

1.4 YNd11接線牽引變壓器

高壓側繞組為YN，三個端子(A)、(B)、(C)接電力系統的A、B、C三相(或ACB，BCA…)，中性點通過隔離開關QS接地。中性點何時接地由電力調度決定，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，中性點引出接地方式與高壓電網相適應，且其制造相對簡單，價格相對便宜，運用技術成熟，但其容量不能充分利用，輸出容量只能達到其額定容量的75.6%，引入溫度系數后，也只能達到84%。和單相接線牽引變電所相比，主接線比較復雜，設備多，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下的理論計算值，實際的牽引變壓器利用率非常低，據統計全線牽引變壓器的容量利用率低至15%～20%[3]，因為選擇變壓器容量既要滿足正常運輸, 又要滿足兩小時緊密運行的需要, 同時還要考慮遠期運量的增長,再加上牽引負荷的一系列不良特征，很難保證使其工作在額定負載。另一方面，中國整流型電力機車的功率因數一般為0.8～0.85，由于牽引網阻抗及牽引變壓器阻抗的影響，功率因數平均值在0.75左右，再生工況下會低至0.2～0.4。

2 不平衡三相負荷的功率因數

2.1 不平衡三相負荷功率因數的定義

其實無論負荷是幾相的，也無論其是否對稱，定義公式即：功率因數=(三相有功功率之和)/(三相視在功率之和)是不變的，而視在功率的計算方法有兩種，一種是算術視在功率，另一種是向量視在功率，對于三相不平衡負荷有

P總=UaIacosφa+UbIbcosφb+UcIccosφc

(17)

(18)

采用算術視在功率計算方法，其功率因數可定義為

(19)

采用向量視在功率計算方法，其功率因數可定義為

(20)

2.2 提高功率因數的方法

功率因數低不僅會導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，或者系統容量得不到充分利用，接觸網上的能量損耗和電壓損耗也會增大。從根本上有以下兩種提高功率因數的方法。

(1)提高用電自然功率因數。可提高電力機車的功率因數，改善牽引網的阻抗特性(包括減小牽引網單位阻抗值和阻抗角、限制供電臂的長度等)，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裝設并聯電容補償裝置。它同時還可以減小電壓損失，改善電壓質量，提高牽引側母線電壓，降低系統供電電流及電能損失；并補裝置還可吸收諧波電流，具有濾波作用。電氣 工程學院的分組分級可調并聯電容補償技術[9]對于提高功率因數就直接有效。

3 牽引變壓器三相電壓不平衡度實

例分析

牽引負荷產生的負序電流流過電網阻抗將產生負序電壓，引起三相電壓不平衡，國標給出了電壓不平衡度的近似計算值，并規定電力系統公共連接點處的電壓不平衡度εU的95%概率不得超過2%，短時值不得超過4%。

(21)

式中，UN為線電壓；Sd為短路容量。

當牽引變壓器負荷與變壓器接線方式一定時，變電所高壓三相側電壓不平衡度與進線短路容量成反比，與負序功率成正比。

圖5 兩類牽引變壓器三相電壓不平衡度趨勢圖

以某牽引變電所為例，變壓器為YNd11接線，測得該變電所兩臂負荷的基波電流全天24 h的數據(3 s為一個采樣間隔，共28 800個點)，使用Matlab軟件的計算功能，可得使用YNd11和Scott接線變壓器相應的三相電壓不平衡度曲線如圖5所示。此時系統進線為110 kV，短路容量約為400 MVA，顯然使用平衡變壓器和常規變壓器相比有較好的抑制負序能力，三相電壓不平衡度基本達到國標要求。

選用更高電壓等級的電力系統時，根據實測數據計算，圖6給出YNd11常規變壓器在220 kV進線時(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圖(220 kV)

4 牽引變電所容量電費計費方式

眾所周知，中國供電部門對大工業企業(用電變壓器容量315 kVA及以上)用電實行兩部制電價制度，自1994年開始中國電氣化鐵路就開始執行兩部制電價。基本電價是按照工業企業的變壓器容量或最大需用量(即一月中每15 min或30 min平均負荷的最大值)作為計算電價的依據，由供電部門與用電部門簽訂合同，確定限額，每月固定收取，不以實際耗電數量為轉移；電度電價，是按用電部門實際耗電度數計算的電價[10]。由于電氣化鐵路自身特殊的供電結構造成電力系統側三相電壓嚴重不平衡，同時，也給系統注入了諧波負序等問題，嚴重影響了電網正常運行，對電網中其他用戶的供電電能質量產生了不良的影響。因此單純地按照變壓器的額定容量計算是不合理的。

(1)采用容量繳納基本電費對供電部門來說，比較容易操作。若按固定容量收取基本電費，經前面的容量分析可知，鐵路部門一般會考慮使用容量利用率最高的單相或V/v變壓器，但負序電流大，不平衡度高。所以電網公司應制定允許電鐵投運的技術標準，要求變壓器一次側三相電壓、電流不平衡度必須達到標準，否則予以經濟處罰。

(2)牽引變壓器容量利用率可以作為衡量收費等級的一個標準，即可以根據變電所的日負荷曲線劃分，申請不同的用電負荷下采取不同的電價，當天變電所變壓器利用率達到標準的，可以免收懲罰性費用，否則額外收取一部分懲罰性費用。

(3)鐵路部門選擇合適的基本電費交納方式重點在于找到安裝容量和最大需量法的平衡點，而確定該平衡點的重點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，鐵路部門會把最大需量報低以節約基本電費。所以電網公司要將實際負荷中超出最大需量部分予以高倍罰款來遏止這一現象。

(4)無功計量可采用反送正計，諧波功率也納入計費范圍。因此其基本電價應該在按照牽引變壓器容量或者最大負荷需量的基礎上再加上一定的罰款，以此來督促鐵路部門對電鐵的諧波、無功進行治理。

(5)電力部門必須在電鐵投運前作出充分的實地調研，包括電能質量、繼電保護及自動裝置、電能計量準確性、系統無功補償等，將電鐵產生的危害降到最小，并對已投運電鐵進行實測，對不滿足要求的，盡快提出整改意見。

(6)供電部門可以根據鐵路部門月用電量或年用電量尋求電價計費方式[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備或最大負荷的利用率的基礎上，對牽引變壓器電網容量占有進行合理的收費。

5 結 論

綜上所述，綜合評價技術經濟性，單相接線最好，其次是V/v和平衡接線，YNdll 接線最差。由第3節實測數據分析可知，在兩條供電臂負荷的隨機分布下，不同接線牽引變壓器的負序電流恒有以下結果:平衡接線最小，三相接線次之，單相接線最大。鐵路部門只有根據實際情況合理選擇變電所接入的系統電壓等級和選用合適的牽引變壓器才能夠起到改善變電所系統三相電壓不平衡的作用，采取措施提高容量利用率及系統功率因數，減小負序電流及高次諧波的干擾，在保證正常供電和達到電能質量標準的基礎上，盡量減少變壓器容量才是降低容量電費問題的根本方法，供電公司要根據實際牽引變電所接線方式和負荷狀況制定合理的技術標準，并采取懲罰措施來規范和督促鐵路部門對不平衡牽引負荷的治理。

[1] 譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統(第三版)[M].成都：西南交通大學出版社，2009.

[2] 李群湛，賀建閩.牽引供電系統分析[M].成都：西南交通大學出版社，2010.

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