鐵路電力與牽引變電所共用電源的設計方案探討

許 紅

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司電化電信處,天津 300251)

1 概述

通常位于車站的電力變配電所,由于負擔著大量的要求持續(xù)供電的一級負荷,為滿足切換時間需要,應采用雙電源同時運行的方式。在某一路電源失電時,另一路電源要保證對其兩段母線上的所有負荷進行供電。向供電部門申請報裝的變壓器容量亦應按照兩段母線上所帶的總容量計算,而在正常運行時每一路電源只帶大約一半的負荷運行。

目前,在一些電氣化鐵路項目中,為了節(jié)省投資或滿足集約化設計的要求,有的項目將電力變配電所與牽引變電所合建或共用外部電源；另外有些電力變配電所無法就近獲取10 kV或35 kV電源時,利用牽引電源也是一個很好的解決途徑。

牽引變電所的電壓等級一般為220/27.5 kV或110/27.5 kV,由于不像電力負荷那樣要求極快的切換時間,為了節(jié)省基本電費,降低損耗,兩臺變壓器通常采用主備運行方式。這樣,若電力直接由備用的牽引變壓器二次側取得電源時,運行方式往往不能滿足需要。

因此,如果電力變配電所與牽引變電所合建,存在兩個技術問題需要研究解決。

一是電力如何獲取可以同時運行的雙電源,而不導致因備用牽引變壓器長期投入,致使基本電費大幅增加。

二是電力設備與牽引變配電設備之間如何協調,確保設備的生產、保護、安裝是可行的。

以下就此進行幾個典型情況的分析。

2 幾種由牽引變電所獲取電力電源的基本設計方案及分析

2.1 將電力專用動力變壓器接于牽引變電所220(110)kV電源側(圖1)(方案1)

圖1 電力專用變壓器接于牽引變電所220(110)kV側示意

在圖1中,Qb是牽引變壓器,Db是動力變壓器。專用動力變壓器均接在牽引變壓器220(110)kV側的斷路器之前,因此不受牽引變壓器運行方式的影響。

這種接線方案供電可靠,而且電源質量好,電力機車反饋到一次系統母線的電壓波動影響甚微。從理論上講,這是最為理想的方案,但在工程實際中卻存在如下問題。

(1)除了個別的樞紐級的中心電力變電所,多數鐵路電力變電所的安裝容量不超過10 000 kVA。而標準制造系列的變壓器,110 kV的最小容量為8 000～10 000 kVA,220 kV的最小容量為20 000～31 500 kVA。這意味著多數合建變電所的電力專用變壓器只能采用非標產品,價格相對較高,可靠性也不如標準系列的變壓器。

(2)當變壓器容量相對于220 kV(110 kV)系統過小時,其一次電流可能會小至只有幾安培,影響測量和保護精度,甚至達不到靈敏度的要求,相應的一次支撐和絕緣器件也可能在尺寸和強度上不匹配。

2.2 電力專用動力變壓器接于牽引變電所27.5 kV母線上(方案2)

采用27.5(35)/10 kV的電力專用變壓器,直接接于牽引變電所27.5 kV母線,能夠解決220 kV(110 kV)/10 kV變壓器容量過小時帶來的問題,還能節(jié)省投資,但需要犧牲電能質量,承受較大的電壓波動和諧波,而且也不能實現雙電源同時運行。

在此,以客運專線采用的220 kV供電系統為例,做個簡要計算和分析,見圖2。

其中：Zs=U2/Sd；Zb=U2/Sb×Ud%。對于220 kV系統,Sd一般為3 000～12 000 MVA,取3 000 MVA。Sb一般為40 MVA,Ud%=10.5%。

注:Zs為系統阻抗；Zb為變壓器阻抗；Zl為線路阻抗(暫且忽略不計)。

代入后：Zs=27.52/3 000=0.252 1，

Zb=27.52/40×10.5%=1.985。

變壓器額定電流Ie=Sb/Ue=40 000/27.5=1 455 A

過載倍數取1.3,I=1 455×1.3=1 892 A

電壓偏差ΔU=I×(Zs+Zb)=4.3 kV

電壓偏差與標稱電壓之比ΔU%=4.3/27.5×100%=15.6%

在《電能質量 供電電壓偏差》(GB/T12325—2008)中對供電電壓偏差限值的規(guī)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%；20 kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7%。

由以上簡要計算可知,當電力機車通過時,27.5 kV母線上的電壓波動或電壓偏差已超出國家標準的規(guī)定。不過,盡管其電能質量不好,但對絕大多數電力負荷而言,還不至于引起設備誤動作或者損壞(但會降低設備壽命),因此作為一個不得已的電源解決途徑尚可接受。

2.3 從三繞組牽引變壓器接引電力電源(方案3)

選用三繞組的牽引變壓器,將其中的一個繞組做成220(110)/10 kV,電力電源由該繞組獲取。這能使設備結構緊湊,節(jié)省房屋和占地，但存在以下問題。

由于磁耦合作用,27.5 kV副邊的電壓波動或電壓偏差也會間接影響10 kV副邊的電能質量,但沒有2.2方案明顯；另外該方案使電力變壓器的運行方式與牽引變壓器完全一致,不能實現雙電源同時運行；電力與牽引在設備檢修時也會互相影響。

2.4 幾種方案的技術經濟比較

上述幾種設計方案,不僅基本建設投資不同,電價政策也會影響運營成本,需要進行綜合技術經濟分析,合理確定實施方案。

當存在其他可選電源時,由于電價的不同(通常220(110) kV較10 kV的要低),會影響供需雙方的運營經濟指標,電力與牽引共用電源的方案也有可能被電力公司否決。這個問題情況比較復雜,本文不做贅論。

具體工程應針對具體數據進行技術經濟比較。本文僅假定以下條件做一分析。

(1)除了牽引電源,沒有其他電源可以利用,僅在共用電源的不同方案之間進行比較。

(2)大部分地區(qū)的供電公司實行兩部式電價,其基本管理辦法是：電價=基本電價+電度電價,取基本電價為25元/月 kVA。只考慮電力引起的基本電費增量。

(3)電力變壓器需要的安裝容量分別取1 000 kVA和10 000 kVA,當由牽引變壓器副邊獲取電力電源時,認為1 000 kVA的電力容量不導致牽引變壓器容量升級；10 000 kVA的電力容量導致牽引變壓器容量同等升級。

(4)因各方案均取220(110) kV公網電源,電度電費相同,不比較這個不變的部分。

(5)以解決一路電源為例。

表1、表2分別為電力變壓器需要的安裝容量在1 000 kVA和10 000 kVA時的技術經濟分析。

通過比較可以看出,當外部電源為220 kV,并且電力需求容量不大、牽引變不需為電力負荷增大安裝容量時,采用220/10 kV變壓器方案與三繞組方案相比,基本建設費用差別不大。但運營年限越長,越不具有經濟優(yōu)勢,需要根據工程具體需求取舍。而采用27.5/10 kV變壓器具有明顯的經濟優(yōu)勢,雖需要犧牲一定的電能質量,在供電對象單一,且對電能質量要求不高的情況下,也是一個可以考慮的選擇。

表1 電力變壓器需要的安裝容量為1 000 kVA的技術經濟比較 萬元

表2 電力變壓器需要的安裝容量為10 000 kVA的技術經濟比較 萬元

當外部電源為220 kV,并且電力需求容量較大時,采用220/10 kV變壓器方案與三繞組方案相比,經濟指標相當,應優(yōu)選電能質量好的220/10 kV變壓器方案,其可行性亦較高；而采用27.5/10 kV變壓器雖然具有較大的經濟優(yōu)勢,但由于需要犧牲一定的電能質量,除非投資緊張,負荷重要程度不高,或用于階段性過渡,原則上不宜采用。

當外部電源為110 kV時,110/10 kV變壓器方案的經濟指標比較適中,較三繞組方案有經濟優(yōu)勢,宜優(yōu)選之,但對于電力容量需求小的情況,需考慮運營費用問題綜合確定；盡管27.5/10 kV變壓器方案也是節(jié)省的,但相對110/10 kV變壓器和三繞組變壓器的投資節(jié)省有限,一般宜僅用于對電能質量要求不高的單一類別負荷的情況。

3 鐵路電力需求及電源狀況

鐵路電力配電所大多位于大、中型車站,比較典型的安裝容量通常在1 000～8 000 kVA,其中只為區(qū)間供電的配電所基本都在1 000 kVA上下；一些大型樞紐級的中心變電站、整備基地、特大站房的變配電所可超過10 000 kVA；個別為特大站房和整備基地同時供電的甚至可能達到40 000～60 000 kVA。

位于大型樞紐、大型車站的電力變配電所,供有大量的一級負荷,通常都需要采用雙電源同時運行方式,一般也容易取得外部電源,或容易取得其中的一路電源。在這種情況下,電力與牽引共用電源主要是為了節(jié)省投資或運營費用,以及獲得集約化的總體效果。

而一些邊遠地區(qū)的中間站,則有可能在幾十千米,甚至上百千米范圍無法取得地方配網系統的電源,這時非常有必要研究利用牽引電源的問題。這類變配電所的車站負荷不大,主要供電對象是區(qū)間,在多數情況下,采用單電源或雙電源一主一備運行也能滿足要求。

4 電力與電牽共用電源的典型工況基本設計策略分析

4.1 樞紐級的鐵路中心電力變配電所

這類變配電所的安裝容量低的能達到10 000 kVA,高的能達到幾萬千伏安,具有在牽引變電所設置220(110)/10 kV變壓器的先天有利條件,從而也就容易實現兩路電源同時運行。而且其一般位于發(fā)達區(qū)域,專門引取兩路外部電源大多是容易做到的。因此,方案設計的出發(fā)點不是解決電源匱乏問題,只要投資合理,利于運營,原則上就可采用共用電源方案。具體工程根據實際情況分析,既可以利用其中的一路,也可全部利用。

利用牽引變一路電源時,采用圖1(a)的結線形式；利用兩路電源時,采用圖1(b)的結線形式。

4.2 一般的地區(qū)性鐵路電力變配電所

這類配電所安裝容量多為幾千千伏安,通常處于當地供電公司允許的10 kV接入容量之內,且容易取得外部電源,同時又在220(110)/10 kV變壓器的不合理容量區(qū)間內。因此,當牽引變一次側為220 kV電源時,原則上不宜將電力和電牽共用電源；當牽引變一次側為110 kV時,需要分析工程實際,做好技術經濟比較，確定是否共用電源。如果共用電源,亦可采用圖1(a)或圖1(b)的結線形式。

地區(qū)性配電所必然存在大量的對供電要求高的負荷,所以除非萬不得已,一般不應利用27.5 kV母線作為電力電源。

4.3 鐵路區(qū)間電力變配電所

這類配電所的安裝容量通常不超過1 000 kVA,最有可能處于偏僻地區(qū),從而無法取得外部電源,因此最需要研究利用牽引電源的問題。

區(qū)間配電所利用牽引電源有利的一面是，如果當地一級負荷的量不大,可以只引入一路電源,或兩路電源主備運行,其與牽引變的運行方式沒有矛盾；而不利的一面就是容量太小,設220(110)/10 kV電力變壓器的可行性很差。

綜合以上分析,筆者建議：

(1)有條件獲得外部電源時,不利用牽引電源；

(2)不得不利用牽引電源時,優(yōu)先選用三繞組方案；

(3)電力配電所采用雙電源一主一備運行方式時,主電源采用三繞組方案,備用電源可考慮采用27.5/10 kV變壓器方案,以求節(jié)省投資。

典型結線關系見圖3。

圖3 區(qū)間配電所電力與電牽共用電源典型結線示意

5 結語

當電力負荷很大時,易于實現電力與電牽的電源共用；電力負荷很小且位置偏僻時,往往最需要電源共用,但同時難于解決的技術問題也最多。因此,電力變配電所與牽引變電所共用電源是個綜合性的問題,必須建立在系統的技術經濟分析基礎上才能成立。設計前期必須結合工程實際,綜合研究包括電能質量、運行方式、保護、設備供貨和安裝、經濟合理性等多方面的因素,進行充實的論證。否則,如果貿然確定共用電源方案,將給下一階段的實施帶來困難,引起不必要的變更設計。

需要特別指出的是：原則上不建議利用牽引變電所的27.5 kV電源,只能在別無選擇的情況下,考慮列車追蹤間隔水平謹慎利用,而且其用電負荷必須是比較單一,并且對電壓波動不敏感的設備。

[1]GB/T12325—2008,電能質量供電電壓偏差[S].

[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,2007.

[3]TB10008—2006,鐵路電力設計規(guī)范[S].

[4]TB10009—2005,鐵路電力牽引供電設計規(guī)范[S].