電氣化鐵路牽引變壓器調壓參數設置研究

劉玉輝

(中國鐵路總公司運輸局，北京　100844)

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電氣化鐵路牽引變壓器調壓參數設置研究

劉玉輝

(中國鐵路總公司運輸局，北京100844)

結合蘭新高鐵開通后CRH5型動車組列車多次出現電制動失效問題，根據西北地區外部電源電壓偏差較大的實際，對牽引供電牽引變壓器出口電壓進行研究，對電制動失效原因進行系統分析，立足于供電系統對產生故障原因進行綜合分析，從適應外部電源偏差，確保電氣化鐵路動車組、電力機車正常運行角度，提出電氣化鐵路牽引變壓器調壓問題和牽引變壓器調壓參數設置原則。

電氣化鐵路；變壓器；調壓參數；偏差

1　高鐵動車組電制動失效案例

蘭新高鐵開通運營以來，CRH5型動車組列車運行期間，在蘭新高鐵軍馬場至張掖西間，多次出現電制動失效情況。動車組制動調速過程中，空氣制動接替電制動施加，長大坡道區段長時間使用空氣制動進行調速，反復高熱荷載引起動車組輪動閘片摩擦材料性能衰退，出現損傷掉塊現象。

CRH5型動車組電制動失效區段主要集中在蘭新高鐵K1986-K2121范圍，按照供電臂區分，涉及干柴灘變電所、軍馬場變電所及觀花臺變電所有關接觸網供電臂。見表1。

2　電制動失效原因系統分析

2.1動車組電制動失效原理

按照CRH5型動車組邏輯控制設置，電制動失效條件如下：

(1)動車組在電制動狀態時逆變器關閉；

(2)動車組在電制動狀態，輸出功率小于預設電制動功率50%；

(3)制動變阻器溫度超過600 ℃；

(4)互鎖閥故障；

(5)牽引輔助變流器冷卻液超過70 ℃。

檢查故障動車組電制動切除按鈕線路供電狀態及相關控制板卡，未發現異常情況；車輛互鎖閥均能正常動作；動車組牽引變流器控制單元(TCU)記錄的冷卻液溫度均在正常值范圍內(低于70 ℃)；變阻器未見異常。

表1　部分CRH5型動車組電制動失效情況統計

通過下載動車組牽引變流器控制單元(TCU)記錄數據進行分析，故障發生時段，接觸網電壓數據存在大于29 kV現象。而CRH5型動車組技術條件要求：接觸網電壓在29～31.5 kV，動車組輸出功率線性下降至零，CRH5型動車組在TCU軟件中設定了接觸網電壓與動車組輸出功率的關系曲線[1]，如圖1所示。

根據CRH5型動車組電制動失效條件，當動車組在電制動狀態，列車的輸出功率小于預設電制動功率50%時，動車組列車延時3 s電制動失效。動車組電制動失效原理如圖2所示。

圖1　接觸網電壓與動車組輸出功率關系曲線

圖2　動車組電制動失效原理

2.2故障區段牽引供電設備情況

蘭新高鐵牽引供電采用AT供電方式，牽引變電所外部電源進線電壓等級采用330 kV，牽引供電系統按照動車組列車近期4 min追蹤，遠期3 min追蹤能力進行設計。蘭新高鐵軍馬場至張掖西間線路最大坡度20‰，其中干柴灘至觀花臺區段為連續下坡段，根據設計仿真，按照動車組4 min追蹤運行時，牽引變電所最低工作電壓為23 kV。

通過對故障時段軍馬場、觀花臺兩個牽引變電所相關參數進行測試，變電所進線側最高電壓基本在10%的正偏差范圍并略有超出，牽引變電所饋線側電壓短時最高為29.5 kV。故障區段牽引變電所電壓參數檢測數據見表2。

2.3蘭新高鐵外部電源設計方案

蘭新高鐵牽引變電所由兩路獨立的330 kV電源供電。根據電力部門提供的《蘭新二線電氣化鐵路外部電源接入系統設計方案》，干柴灘、軍馬場、觀花臺3座牽引變電所外部電源供電方案如下：

表2　故障區段牽引變電所電壓參數檢測數據

注：日期均為2015年

干柴灘牽引變電所雙回330 kV線路接入達坂變電所，線路長度49 km，導線規格為LGJ-2×300型；

軍馬場牽引變電所1回330 kV線路接入山丹變電所，線路長度66 km，導線規格為LGJ-2×300型；1回330 kV線路接入民樂開關站，線路長度77 km，導線規格為LGJ-2×300型；

觀花臺牽引變電所雙回330 kV線路接入順化變電所，線路長度22 km，導線規格為LGJ-2×300型。

2015年1月1日至1月7日，對動車組電制動失效區段的軍馬場、觀花臺牽引變電所外部電源進線電壓進行持續監測：軍馬場牽引變電所最高進線電壓的周平均值為367.0 kV，最低進線電壓的周平均值為357.8 kV；觀花臺牽引變電所最高進線電壓的周平均值為367.8 kV，最低進線電壓的周平均值為363.0 kV。

2.4故障綜合原因分析

蘭新高鐵牽引變電所全部采用330 kV系統供電，地方變電站與牽引變電所距離較遠，電能傳輸距離長、容抗大，線路末端電壓抬升較高。由于電力系統外部電源電壓偏高(正向偏差達10%)，造成蘭新高鐵牽引變電所母線饋出電壓(接觸網電壓)相應升高。

加之蘭新高鐵運營初期實際開行列車對數較少，線路負荷輕，干柴灘、軍馬場、觀花臺3座牽引變電所供電范圍均處于線路長大坡道區段，動車組下坡運行再生制動時，向接觸網線路反饋電能，進一步抬升接觸網電壓，當接觸網電壓在一定時間內持續大于29 kV時，動車組列車輸出功率線性下降，導致電制動失效，空氣制動接替電制動進行調速。

3　牽引變壓器調壓問題思考

《鐵路技術管理規程(高速部分)》第177條規定：接觸網標稱電壓值為25 kV，最高工作電壓為27.5 kV，短時(5 min)最高工作電壓為29 kV，最低工作電壓為20 kV[2]。《電能質量 供電電壓偏差》(GB/T 12325—2008)規定：35 kV及以上供電電壓正、負偏差絕對值之和不超過標稱電壓的10%[3]。對330 kV等級而言，最高電壓應為363 kV，最低電壓為297 kV。

但隨著鐵路建設范圍的擴大，電氣化鐵路覆蓋地區越來越廣，部分地區外部電網系統脆弱，因電網自身需求，特殊地段牽引變電所外部電源進線電壓經常達到《電能質量 供電電壓偏差》(GB/T 12325—2008)規定的“供電電壓正、負偏差絕對值之和不超過標稱電壓的10%”的極限值，造成接觸網饋出電壓接近《鐵路技術管理規程(高速鐵路部分)》規定的短時最高工作電壓29 kV，在線路容性空載和動車組再生制動對接觸網電壓抬升的共同作用下，極易出現動車組列車電制動功率下降或電制動失效問題。新建鐵路線路開通初期，列車對數或密度較小，此類問題將尤為突出。

目前，電氣化鐵路牽引變壓器高壓側調壓范圍通常為±2×2.5%，每降低一檔理論上可實現27.5 kV側電壓下降687.5 V。在外部電源進線電壓偏差較大區段，牽引變電所主變壓器調壓分接開關檔位調至最低檔(1檔)運行后，仍不能滿足動車組及電力機車運行要求。如何適應外部電源薄弱的特殊地區電壓偏差，確保電氣化鐵路動車組及電力機車正常運行，需要對牽引變壓器調壓分接開關參數設置方案進行針對性的優化研究。

4　牽引變壓器調壓參數設置原則

4.1主要規程規范

(1)《電力變壓器選用導則》(GB/T 17468—2008)分接位置選擇規定： “分接頭一般按以下原則布置：a)在高壓繞組上而不是在低壓繞組上，電壓比大時更應如此。”

分接位置一般原則規定：“在滿足使用要求的前提下，能用無調壓的盡量不用無勵磁調壓；能用無勵磁調壓的盡量不采用有載調壓；無勵磁分接開關應盡量減少分接數目，可根據電壓變化范圍只設最大、最小和額定分接。”

分接范圍規定：“應盡量按實際需要設置分接范圍，一般按GB/T 6451—2008……選擇[4]。”

4.2牽引變壓器調壓參數設置

(1)牽引變壓器調壓方式應根據《電力變壓器選用導則》(GB/T 17468—2008)要求，優先采用高壓側無勵磁調壓方式。

(2)對外部電源供電電壓偏差較大地區，在《電力變壓器》(GB 1094.1—2013)[6]規范下，110、220、330 kV電壓等級牽引變壓器調壓范圍應不限于額定電壓±2×2.5%，調壓范圍可根據外部電源情況在±2×2.5%、±3×2.5%、±4×2.5%內選擇。

(3)分接范圍可根據具體情況，按照《三相油浸式電力變壓器技術參數和要求》(GB/T 6451—1999)[7]、《分接開關 第1部分：性能要求和實驗要求》(GB/T 10230.1—2007)[8]、《分接開關 第2部分：應用導則》(GB/T 10230.2—2007)[9]規定，在分接級數和級電壓不變的情況下，允許增加負分接級數，減少正分接級數，或增加正分接級數，減少負分接級數。

5　結語

隨著社會經濟發展和鐵路網建設不斷完善，電氣化鐵路覆蓋地區越來越廣，各設計院要加強新線建設和電氣化改造工程外部電源情況調查相關工作，保證外部電源電壓等級滿足《電能質量 供電電壓偏差》(GB/T 12325+2008)規定。對部分外部電源電壓偏差較大地區，可按照以上牽引變壓器調壓分接開關參數設置原則進行牽引變壓器選型，對目前新造尚未出廠的牽引變壓器，應根據前期外部電源調查情況按照以上分接開關參數設置原則進行核對、調整，確保電氣化鐵路牽引變壓器調壓范圍滿足列車運行需求。

[1]中國鐵路總公司.鐵總運[2014]237號CRH5型動車組途中應急處理手冊 [S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[2]中國鐵路總公司.TG/01—2014鐵路技術管理規程[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[3]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 12325—2008電能質量 供電電壓偏差[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 17468—2008電力變壓器選用導則[S].北京：中國標準出版社，2008.

[5]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 6451—2008油浸式電力變壓器技術參數和要求[S].北京：中國標準出版社，2008.

[6]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB 1094.1—2013電力變壓器[S].北京：中國標準出版社，2013.

[7]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 6451—1999三相油浸式電力變壓器技術參數和要求[S].北京：中國標準出版社，1999.

[8]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 10230.1—2007分接開關 第1部分：性能要求和實驗要求[S].北京：中國標準出版社，2007.

[9]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 10230.2—2007分接開關 第2部分：應用導則[S].北京：中國標準出版社，2007.

[10]中華人民共和國鐵道部.TB 10009—2005鐵路電力牽引供電設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[11]高宏，鄧云川.220 kV三相V/V接線牽引變壓器的研制和應用[J].鐵道標準設計，2006(2):96-100.

[12]楊云錦.論降壓變壓器容量的最優選擇[J].鐵道標準設計，1985(9):44-48.

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[15]溫美杰.談提高變壓器效率問題[J].鐵道標準設計，2001(7):47.

Study on Parameter Setting for Voltage Regulation of Electrified Railway Traction Transformer

LIU Yu-hui

(Transport Bureau of China Railway Corporation， Beijing 100844， China)

In view of the electric braking failure CRH5 motor train unit running on Lanzhou Xinjiang high speed railway and with reference to the excessive external power supply voltage deviation in the northwest part of China， this paper studies the outlet voltage of the traction transformer and analyzes the failure cause of the electric braking system. The principle of parameter setting for voltage regulation of traction transformer of electrified railway is proposed based on the comprehensive analysis of the failure causes in perspective of the adaptation to the external power supply deviation and the normal operation of motor train unit and electric locomotive．

Electrified railway; Transformer; Voltage regulation parameter; Deviation

2016-01-21；

2016-02-03

劉玉輝(1983—)，男，工程師，2006年畢業于西南交通大學電氣工程及其自動化專業，工學學士，E-mail：8030778@qq.com。

1004-2954(2016)08-0118-04

U224

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.025