重載鐵路牽引主變壓器過負荷能力淺析

張芳

(太原鐵路局供電處，山西 太原 030013)

1 引言

太原鐵路局貨運以煤炭運輸為主，擁有大秦、侯月等重載運輸通道。近年來，各條鐵路線運量逐年增加，牽引變電所主變壓器過負荷現象越來越頻繁，部分變電所主變壓器出現過負荷保護動作跳閘，影響鐵路正常行車組織。如何科學的制定措施，充分發揮牽引主變壓器的過載能力，做到既節約投資又保證供電安全，成為急需研究解決的課題。

2 牽引變壓器設計容量情況

鐵路電力牽引供電設計規范中要求牽引變壓器容量應根據交付運營后第3年或第5年需要的通過能力、機車類型、列車牽引重量、追蹤間隔時分等條件計算;按緊密運行時客車和貨車平行圖分別進行校驗，并應符合下列規定:

(1)需要通過能力按運量計算時，應預留一定的儲備能力，單線采用20%，雙線采用15%;近期按調查運量計算時，還應考慮貨運量的波動性;遠期按國家要求的年輸送能力計算時，應僅考慮儲備能力。

(2)需要通過能力小于線路通過能力的50%時，可按1.5～2.0倍的需要通過能力計算，此時不再考慮波動系數和儲備系數。

(3)牽引能耗應按各類電力牽引列車計算，當客車、空車比重較小時，可按滿載貨物列車的牽引能耗計算。

(4)應充分利用牽引變壓器的過負荷能力。每個牽引變電所宜設兩臺牽引變壓器，一臺運行，一臺備用。每臺變壓器容量應能承擔全所最大負荷。

3 Y/△－11主變壓器過負荷案例分析

Y/△－11主變壓器承擔單相牽引負荷時，其設計容量利用率為75.6%。兩個重負荷繞組電流達到額定值時，輕負荷繞組的電流只達到0.378倍的額定電流，變壓器沒有達到額定溫升，考慮到溫度系數后，可在額定容量的基礎上再提高11.1%，即其容量利用率為84%。由此看出Y/△－11型變壓器容量利用率較低，其過負荷能力較弱，一般為額定容量的1.5倍。

3.1 Y/△－11主變壓器過負荷案例

北同蒲線軒崗變電所211饋線供電臂長度19.8km，區間最大坡度12‰，主變壓器為 Y/△－11，容量31.5MVA，主變壓器一次側額定電流為165A，二次側額定電流為661A。2012年1月以來，隨著運量的不斷增加，頻繁出現主變壓器過負荷告警，或211饋線阻抗II段保護動作跳閘。僅2012年2月1日～15日就發生過負荷跳閘34次，2012年2月發生過負荷告警68次。

3.2 數據分析

2.2.1 負荷電流分析

通過對過負荷數據進行分析，發現該變電所過負荷電流有以下特點:

110kV系統最大負荷電流為304A，持續時間為3min，最大過負荷倍數1.84。

過負荷持續時間小于5min。

牽引變電所負荷率小于0.5。

3.2.2 饋線跳閘分析

通過對軒崗變電所211饋線閘數據的分析，發現211饋線跳閘均為阻抗II段動作，且重合成功。主要有以下特點:

跳閘電壓值范圍為20118～22839V，跳閘電流值范圍為813～1155A，電抗值范圍5.06～5.08Ω，阻抗角45°左右。

典型饋線阻抗四邊形特性圖如圖1所示，由圖中看出動作阻抗接近于四邊形的bc邊。

圖1 典型饋線阻抗四邊形特性圖

2.2.3 運行溫度分析

變壓器過負荷運行時，其溫升較高，變壓器繞組的絕緣老化程度與溫度有關，變壓器絕緣材料在80℃ ～140℃范圍內，溫度比98℃每升高6℃ ～8℃，老化速度增加一倍，反之降低一倍。Y/△－11型變壓器過負荷倍數一般不超過1.5倍，牽引變壓器的負荷率一般較低，遠小于1，其過負荷倍數及時間允許增加。三相變壓器過負荷能力曲線如圖2所示，最大負荷持續時間為5min的允許過負荷倍數與負荷率的關系曲線如圖3所示。

圖2 三相變壓器過負荷能力曲線

圖3 最大負荷持續時間為5min的允許過負荷倍數與負荷率的關系曲線

3.3 采取的技術措施

在緊密監測油溫的前提下，將主變過負荷整定值調整到1.9倍，整定時間為90s。

軒崗變電所211饋線保護整定值是牽引變電所開通時設計院給出的定值，由于運量的增加，其最大負荷電流及最低母線電壓都發生了較大變化，通過保護動作時四邊形特性分析，減小R值將ab邊縮短，即可防止饋線保護誤動作。對211饋線阻抗II段整定值進行修正，其中最低電壓按跳閘時記錄的27.5kV最低電壓值，電流按跳閘最大電流值進行整定計算。整定值修改后211饋線四邊形阻抗特性圖如圖4所示，從圖4中可以看出，最大負荷時阻抗矢量在保護范圍外。

圖4 調整整定值后的四邊形阻抗特性圖S

3.4 采取措施后的效果

調整保護定值后，軒崗變電所至今未發生保護誤動作現象，牽引變壓器未發生異常現象，各項試驗數據均正常。

4 V/V主變壓器過負荷案例分析

V/V變壓器設計容量利用率為100%。其過負荷能力較強，一般為額定容量的1.75倍。

4.1 V/V變壓器過負荷案例

寧岢線單線電氣化鐵路于2008年開通運行，設計牽引定數為5000T。莊兒上變電所主變壓器為三相V/V接線，容量為2×(10+10)MVA。2008年開通后，該線路就開行了10000T列車，導致變電所主變壓器頻繁發生過負荷跳閘。

4.2 數據分析

通過對莊兒上牽引變電所過負荷數據進行分析，發現其過負荷電流有以下特點:

110kV系統最大負荷電流為210A，持續時間為4min，最大過負荷倍數2.3。

負荷持續時間小于5min。

牽引變電所負荷率小于0.5。

4.3 寧岢線鐵路線路狀況分析

莊兒上牽引變電所主變壓器為V/V結線形式，主變容量10MVA+10MVA，該牽引變電所有2個供電臂:K18+437～K37+056為神池方向供電臂，向神池(K19+739)～長城梁(K28+600)、長城梁(K28+600)～莊兒上(K37+761)間供電;K37+056～K55+810為五寨方向供電臂，向莊兒上(K37+761)～李家坪(K47+100)、李家坪(K47+100)～五寨(K55+810)間供電。

神池～長城梁間線路長8.861km，全線為重車上坡，線路最大坡道12‰。長城梁～莊兒上間線路長9.161km，其中重車上坡區段為5.95km，線路最大坡道12‰;重車下坡區段為3.211km，線路最大坡道12‰。莊兒上～李家坪間線路長9.339km，全線為重車下坡，線路最大坡道12‰。李家坪～五寨間線路長10.8km，其中重車上坡區段為9.6km，線路最大坡道12.5‰;重車下坡區段為1.2km，線路最大坡道12‰。

4.4 采取的技術措施

4.4.1 牽引主變壓器過負荷能力設定

V/V結線的牽引主變壓器典型負荷曲線如圖5所示。按環境溫度30℃，繞組熱點溫度不超過140℃，頂層油溫不超過105℃。過負荷能力要求24h內出現200%的負荷不超過3個，出現的時間間隔為4h，其他時間按100%的負荷運行。考慮到牽引變壓器的負荷率較低，一般為0.6，設定變壓器后備保護過負荷倍數為2.5，過負荷延時90s。

圖5 V/V結線的牽引主變壓器典型負荷曲線

4.4.2 饋線保護整定值修改

按實際運行的母線最低電壓及最大負荷電流進行整定。

4.4.3 通過牽引計算提出排車的合理方案

通過對線路的牽引計算，計算出各運行區段的最大牽引電流，得出排車原則如下:

(1)神池－長城梁－莊兒上間排車原則

連發重車時，重車上行方向按1個萬噸或2個5000T考慮，應使用HXD1牽引。連發空車時，空車下行方向不受限制。

空重車相向對發時:莊兒上→長城梁方向發重車，神池→長城梁方向發空車，不受限制;長城梁→神池向發重車，長城梁→莊兒上方向發空車時，應重車先發，空車后發，相隔一段時間，避免這一供電臂出現2個列車在同一時間均處在爬坡區段。

(2)莊兒上－李家坪－五寨間排車原則:

連發重車時，重車上行方向按2個萬t考慮。連發空車時，空車下行方向不受限制。

空重車相向對發時:莊兒上→李家坪方向發萬t空車，五寨→李家坪方向只能發5000t重車，2列車型均為HXD1。莊兒上→李家坪方向發5000t空車，五寨→李家坪方向只能發5000t重車，應有1列車型為HXD1。當五寨→李家坪方向發萬t重車時，莊兒上→李家坪方向(下行)不能發車。

4.5 采取措施后的效果

莊兒上牽引變電所保護整定值調整后，主變壓器過負荷現象得到明顯的改善，過負荷跳閘大幅度減小，線路運量較為合理，基本滿足鐵路運輸要求，牽引變壓器未發生異常現象，各項試驗數據均正常。

5 結束語

運行中的牽引變電所主變壓器容量是固定不變的，但是在運行過程中經常出現運量提升或增加專用線的情況，導致牽引主變壓器過負荷。通過上述的分析可以得出，合理確定牽引變壓器過負荷倍數，科學的修定保護定值，同時根據線路情況進行牽引供電能力計算，提出合理的車流排放方案，可以最大限度的發揮牽引主變壓器的過負荷能力，在完成鐵路運輸任務的同時保證牽引供電設備的正常運行。

［1］單圣熊，等.鐵路電力牽引供電設計規范［M］.中華人民共和國鐵道部，2005－04－25.

［2］譚秀炳，劉向陽.交流電氣化鐵道牽引供電系統［M］.西南交大出版社ISBN7－81057－584－8.