同相補償裝置運行方式對牽引變壓器影響分析

王卓，李群湛

(西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031)

同相補償裝置運行方式對牽引變壓器影響分析

王卓，李群湛

(西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031)

摘要:為了探討同相補償裝置運行方式對牽引變壓器溫升及壽命損失影響，對兩既有線牽引變電所進行同相供電系統改造設計，結合變壓器溫升模型對不同運行方式下牽引變壓器繞組溫升、繞組對變壓器油溫升及變壓器油溫升進行了仿真分析，在此基礎上計算牽引變壓器壽命損失。研究結果表明：根據牽引變電所的牽引負荷特性及短路容量，合理選擇同相補償裝置運行方式將有效降低牽引變壓器溫升、充分利用其壽命損失并延長同相補償裝置壽命。

關鍵詞：同相補償裝置；運行方式；牽引變壓器；溫升；壽命

近年來，我國高速鐵路迅速發展，為我國社會與經濟的發展發揮了極大的推動作用[1]。但是單相工頻交流制伴隨的以負序為主的電能質量問題及列車過分相時的速度下降與牽引力嚴重損失問題卻制約著我國高速鐵路的發展[2]。同相供電技術可以取消電分相，提升高速及重載鐵路運行效率[3]并將鐵路牽引負荷對電力系統產生的負序不良影響降為最低[4-5]。同相供電技術的關鍵就是采用同相補償裝置對牽引負荷進行實時檢測，并對造成的負序進行補償，并兼顧補償無功與諧波[6-8]。

目前，實現同相供電系統的新一代技術是組合式同相供電技術[9]。世界首套單三相組合式同相供電裝置在山西中南部鐵路通道重載綜合試驗段沙峪牽引變電所投運成功。組合式同相供電技術中同相補償裝置可以分擔一部分牽引變壓器的負荷，因此在對應用組合式同相供電技術的牽引變電所牽引變壓器容量設計時，應考慮到同相補償裝置的供電能力。同相補償裝置運行方式對應不同牽引變壓器負荷過程，從而會影響到牽引變壓器溫升，牽引變壓器溫升影響到其過負荷能力[10]。李群湛[9]提出了2種最具有代表性同相補償裝置基本運行方式。

本文在上述基礎上根據實測負荷過程研究同相補償裝置運行方式對應的牽引變壓器溫升并計算出其壽命損失，綜合分析同相補償裝置運行方式對牽引變壓器安裝容量的影響，從而為采用組合式同相供電技術的牽引變電所同相補償裝置運行方式的選擇提供參考。

1單三相組合式同相供電

單三相組合式同相供電方案如圖1所示。

圖1　單三相組合式同相供電方案示意圖Fig.1 Connection diagram of a combined co-phase supply system with a single-phase and three-phase modular

單三相組合式同相供電變電所由主變壓器TT和同相補償裝置CPD組成，其中同相補償裝置CPD包括高壓匹配變壓器HMT、交直交變流器ADA、牽引匹配變壓器TMT以及交流電抗器L等[11]。

單三相組合式同相供電技術方案相比較于以前的同相供電裝置，將同相補償裝置與牽引變壓器運行分離，從而使同相補償裝置退出運行時，可以由牽引變壓器利用短期過載供給負荷功率，并且同相補償裝置容量的設計是根據負荷過程及系統短路容量計算。因此組合式同相供電技術提升了同相供電系統可靠性與經濟性。

組合式同相供電方案擁有眾多靈活的運行方式。本文選取其中兩種典型情況來分析同相補償裝置的運行方式對牽引變壓器溫升及壽命損失的影響。同相補償裝置可按2種方式運行[9]：

方式Ⅰ：同相補償裝置使用熱備用的形式，當負荷功率引起的三相不平衡度符合國標要求時，由牽引變壓器承擔全部負荷；負荷功率引起三相不平衡度超標時，同相補償裝置補償負荷功率與負序允許功率差值的1/2，使三相不平衡度滿足國標要求。

方式Ⅱ：同相補償裝置持續運行，當負荷功率小于等于同相補償裝置容量2倍時，同相補償裝置分擔牽引變壓器一半的負荷功率；當負荷功率大于同相補償裝置容量2倍時，同相補償裝置按照額定容量補償，其余負荷功率由牽引變壓器提供。此時會產生剩余負序功率，但符合國標要求。

2種運行方式在滿足負序補償目標上是等效的，然而方式Ⅰ重視的是延長同相補償裝置的使用壽命。因為同相補償裝置中交直交變流器的IGBT器件的老化是與同相補償裝置輸出功率有關的，而且IGBT的價格較為昂貴，在保證負序補償的前提下，延長同相補償裝置的使用壽命可以進一步提升方案的經濟性。方式Ⅱ中同相補償裝置可以更多的進行負序補償，將對電網的負序影響降為最低，并分擔牽引變壓器的負荷，提高牽引變壓器的過負荷能力，減少牽引變壓器的安裝容量從而降低運營成本。

2變壓器溫升計算模型

變壓器運行時，由于鐵耗、銅耗等會產生一定的熱量使繞組溫度升高，繞組通過與變壓器油的熱傳遞將多余熱量傳遞到空氣，將多余熱量散發。在這個過程中會造成變壓器繞組、油溫度升高，過高的溫度會導致變壓器中產生氣泡從而影響到變壓器的絕緣特性。牽引負荷波動劇烈，繞組最熱點限制了牽引變壓器的過負荷能力及容量利用率[10]。

國家對變壓器溫升極限是基于以下條件來規定的：變壓器在環境溫度為20℃下帶額定負荷長期運行，對應的變壓器繞組最熱點溫度約為98 ℃。在正常周期性負載下，允許變壓器繞組的熱點溫度限值為 140 ℃。變壓器油的熱點溫升極限為 105 ℃，變壓器日壽命損失不得超過 24h[12]。設實際負荷與額定負荷之比為K=S/Sn，則油和繞組的溫升的計算公式如下[12]：

任意負荷下，頂層油的溫升(最大值)為

(1)

式中:d為額定負荷下的短路損耗與空載損耗之比，約為2～6；x為計算油溫用的指數，對于自然油循環變壓器，x約為0.8；τy-km頂層油對空氣的允許溫升。

任意負荷下，繞組對油的溫升(最大值)為

(2)

式中：τr-km繞組對空氣的允許溫升；y計算油溫最熱點溫升用的常數，一般可取y=x。

在變壓器實際運行過程中，負荷是不斷變化的，尤其是對于電氣化鐵路牽引負荷，負荷波動劇烈，穩態情況下的變壓器溫升計算公式并不適用。因此將變壓器暫態發熱等效為均勻導體發熱，則任何瞬間t的溫升可用式(3)計算[10]。

(3)

式中：τ變壓器繞組或油對空氣的溫升；τs變壓器繞組或油對空氣的起始溫升；τw變壓器繞組或油的穩定溫升；T發熱時間常數。

實際的負荷曲線各段持續的時間短，變壓器并不能在每段的較短的時間內都達到穩定值。在這種情況下，宜采用下式計算

(4)

所以第段結束時的溫升可用下式計算

(5)

變壓器的老化速度主要由其溫度決定，絕緣溫度越高，化學反應進行越快，變壓器使用年限越短。根據蒙特辛格關系式可以得到與溫度時間相關的變壓器壽命損失如下式。

Z=Ae-ρθ

(6)

式中：A為系數；ρ為常數；θ表示溫度(攝氏度)。

由此，當θc表示實際繞組最熱點溫度，以國標規定的取變壓器繞組最熱點溫度98℃作為變壓器基準壽命損失?？梢缘玫阶儔浩鞯南鄬勖鼡p失率為

V=e0.693(θc-98)/6

(7)

利用上述變壓器溫升模型，可以計算出牽引變壓器隨牽引負荷每一段的溫升曲線，并根據每一段溫升曲線計算出相應的壽命損失。

3同相補償裝置運行方式對牽引變壓器溫升與壽命損失影響分析

某牽引變電所A及B一天的負荷過程數據如圖2所示。

圖2　牽引變電所A與B實際負荷曲線Fig.2 Actual load diagram between A and B traction substation

饋線空載概率可由式(8)計算[2]。

(8)

式中：T全日時長；Tg饋線帶電總時分。iF為饋線電流，帶電平均電流可用式(9)計算

(9)

帶電平均有效電流計算如下式

(10)

帶電有效系數為

(11)

帶電有效系數在一定程度上反映了負荷電流的波動性，帶電有效系數越小，負荷的統計分布越集中；帶電有效系數越大，負荷統計分布越離散。牽引變電所A和B對應的饋線空載概率及帶電有效系數見表1.

表1A和B所空載概率與帶電有效系數

Table1Non-loadprobabilityandelectrificationeffectivecoefficientofAandB

空載概率帶電有效系數A0.40111.400B0.13651.237

由表1牽引變電所A與B相比，A空載概率高且帶電有效系數明顯高于B所，負荷波動程度較B劇烈。

可以按照如下方法設計單三相組合式同相供電牽引變電所[9]。若短路容量為sd，三相電壓不平衡度限值為uε%，通過牽引變壓器的功率為sTMVA，通過同相補償裝置的功率為sCMVA，系統允許的負序功率為sεMVA,負荷過程提取的最大值為sMVA，則

sε=uεsd/100

(12)

(13)

根據牽引變壓器的過負荷倍數確定安裝容量，這里牽引變壓器取過負荷倍數kT=1.75，不考慮同相補償裝置過負荷能力。

由此可以得到兩牽引變電所A和B分別在2種運行方式下，繞組最熱點溫差隨系統負序功率允許值的變化。牽引變電所A取負序功率允許值范圍為0-sA(A負荷過程最大值) ，牽引變電所B取負序功率允許值范圍為0-sB(B負荷過程最大值) ，負序功率允許值步長為5MVA，則運行方式造成的最熱點溫差隨系統允許負序功率的變化如圖3所示。

圖3　牽引變電所A與B溫差曲線Fig.3 Temperature difference diagram between A and B traction substation

由圖3可以得出，在負荷過程確定的情況下，

同相補償裝置運行方式造成的繞組最熱點溫差是隨系統的負序功率允許值變化的，即系統的短路容量與uε%之積。且曲線的變化趨勢類似于拋物線，擁有極大值點。

分別取牽引變電所A和B同相補償裝置運行方式造成溫差最大值點對應的sε。由圖3可以得出當sε A=7 MVA、sε B=7.5 MVA，變壓器繞組溫升受運行方式影響最大。若空氣溫度為20℃，則A在2種運行方式下變壓器油、繞組對油及繞組溫升曲線分別如圖4所示。按照同樣方式對B所進行同相供電改造，則對應的溫升曲線圖5所示。

根據圖4得出：1)牽引變壓器油溫受同相補償裝置運行方式的影響較大，在方式Ⅱ下變壓器油的溫度比方式Ⅰ減少了10.134 5 ℃。2)由繞組對油的溫升曲線可知，繞組對油的溫升最大值主要是受最大負荷影響，不受同相補償裝置運行方式的影響，但是同相補償裝置的運行方式會影響繞組對油的平均溫升。3)由于繞組對油的溫升最大值基本不受運行方式的影響，所以繞組溫度受運行方式影響的主要原因是變壓器油的溫度易受運行方式影響。

根據圖5與圖4對比得出，1)B所油溫受同相補償裝置運行方式影響明顯高于A所，在方式Ⅱ下變壓器油溫比方式Ⅰ減少了14.187 9 ℃。由A和B所實際負荷特性可知，負荷過程相對穩定、空載概率低的牽引變電所油溫受同相補償裝置運行方式影響較大。2)由于同相補償裝置運行方式造成的變壓器油溫差與繞組對油的溫差變化曲線并不是完全同步的，因此繞組最熱點溫差并不一定就是油最大溫差與繞組對油的最大溫差之和。定義同相補償裝置運行方式影響的牽引變壓器繞組溫差占油溫差的比例為溫差利用率。A和B所繞組、油溫受同相補償裝置運行方式影響溫差及利用率見表2。

圖4　變電所A油、繞組對油與繞組溫升曲線Fig.4 Temperature of A traction transformer oil and winding

圖5　牽引變電所B油、繞組對油及繞組溫升曲線Fig.5 Temperature of A traction transformer oil winding to oil and winding

Table2TemperaturedifferenceandutilizationratiobetweenAandB

繞組最熱點溫差/℃油最熱點溫差/℃利用率/%A7.442910.134573.4B13.172414.187992.8

由表2可得牽引變電所A的溫差利用率明顯小于牽引變電所B。因此，空載概率與帶電有效系數較低的相對平穩牽引負荷過程，在方式Ⅱ下變壓器油的溫升比較平穩，繞組可以更好的利用同相補償裝置運行方式對變壓器油產生的溫差來降低最熱點溫度。

利用變壓器壽命損失模型計算得出，對應的牽引負荷A和B的相對壽命損失率見表3。

表3　A與B所的相對壽命損失率

相對壽命損失模型中基準壽命損失是變壓器在98℃下，壽命損失24h，因此變電所實際壽命損失為見表4.

表4　A與B所的實際壽命損失

由實際壽命損失可以發現，牽引變壓器實際的壽命損失是很小的，限制變壓器壽命損失利用的主要因素是牽引變壓器繞組最熱點溫度，通過同相補償裝置運行方式的選擇可以最大程度降低繞組最熱點溫度，從而提高牽引變壓器過負荷能力，充分利用其壽命損失來減少安裝容量。

因此根據系統的短路容量及負荷過程特性，合理選擇同相補償裝置的運行方式，可以最大限度的減少牽引變壓器溫升造成的損失，從而為更好的利用牽引變壓器過負荷能力，提高牽引變壓器容量利用率，降低牽引變壓器的安裝容量，延長同相補償裝置壽命，降低組合式同相供電系統經濟成本。

4結論

1)在給定系統短路容量的情況下，同相補償裝置通過改變運行方式可降低牽引變壓器繞組最熱點溫升。

2)同相補償裝置運行方式的改變影響牽引變壓器油溫、繞組對油的平均溫升及油的最大溫升而繞組對油的最大溫升不受影響，因此繞組最熱點的溫升受同相補償裝置運行方式影響程度主要取決于變壓器油溫對運行方式的敏感程度。

3)同相補償裝置運行方式對繞組最熱點溫升的影響與負荷特性有關，空載概率越低、越平穩的負荷過程，同相補償裝置在持續運行方式下牽引變壓器繞組溫升相對于熱備方式下的繞組溫升將減少的越多。

4)根據牽引變電所負荷特性及系統短路容量，合理選擇同相補償裝置運行方式提升牽引變壓器過負荷能力及延長同相補償裝置壽命，可以進一步提升組合式同相供電經濟性。

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The influence analysis of co-phase supply device operationmode on traction transformer

WANG Zhuo， LI Qunzhan

(SchoolofElectricalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，China)

Abstract:To discuss the influence of the co-phase supply device operation mode on the traction transformer temperature and life, the traction substation project was carried out to study the influence of co-phase supply device operation mode on the traction transformer life and winding, winding-oil and oil temperature rise. The research results show that the traction transformer temperature rise is reduced effectively, and that the life loss of the traction transformer is well used and the life of co-phase supply device is extended by choosing the appropriate co-phase supply device operation mode according to the characteristics of traction load and the short-circuit capacity.

Key words:co-phase supply device; operation mode; traction transformer; temperature rise; life

收稿日期：2015-11-11

基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發計劃資助項目(2014J009-B)；中國鐵路總公司科技研究開發計劃資助項目(ZB08)

通訊作者：李群湛(1957-)，男，河北元氏人，教授，博士，從事電力系統分析，電氣化鐵道供電理論，電能質量與控制的研究；E-mail：lq23431@263.net

中圖分類號：TM711

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)05-0958-06