貫通式同相供電方案優化設計

蔣 俊，解紹鋒，李銷鍵，周彤昕

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貫通式同相供電方案優化設計

蔣 俊，解紹鋒，李銷鍵，周彤昕

貫通式同相供電采用單相供電，變電所內采用的結構為牽引變壓器+同相供電補償裝置，取消了牽引變電所出口處和牽引網上的電分相。貫通供電時，相鄰變電所可以同時向牽引網內的機車供電。本文分析了牽引變電所近期和遠期的可靠性，比較了備用度不同時牽引供電系統在可靠性方面的差異。進一步分析滿足雙邊供電時，2個和3個變電所上分流系數和牽引網上的功率損耗變化情況，最后得出貫通式同相供電補償裝置的控制策略。

同相供電；可靠性分析；雙邊供電；貫通式同相供電

0 引言

目前，我國電氣化鐵路采用單相工頻交流制式，牽引負荷的非線性特性導致變電所需要采用換相連接來降低三相不平衡度。同時牽引變電所出口和分區所處設置了電分相，列車經過電分相時造成列車速度和牽引力損失，這不僅不利于司機的操作，也嚴重影響和制約我國鐵路行業的發展。本文主要研究優化牽引變電所組合式同相供電方案，取消變電所出口處的電分相，減少負序。采用貫通式同相供電方案能最大限度地減小牽引變壓器容量，提高牽引供電系統可靠性，節約供電系統的投入資金。

1 牽引變電所同相供電技術綜述

1.1 既有同相供電方案

我國電氣化鐵路從三相電力系統取電輸送到牽引變電所，采用50 Hz單相交流電供電。分區所的設置目的是使機車在牽引網中更加靈活可靠的運行，電分相一般設置在變電所出口處和牽引網上。圖1為既有供電系統結構示意圖。

圖1 既有供電系統結構

1.2 組合式同相供電方案

組合式同相供電是在變電所內采用單相牽引變壓器+交直交變流器組合的一種供電方式。

單相組合式同相供電系統主要由單相變壓器和同相供電補償裝置構成，如圖2、圖3所示。其中，同相供電補償裝置CPD由高壓匹配變壓器HMT、交直交變流器ADA和牽引匹配變壓器TMT三部分組成。其供電原理為：牽引變壓器TT和高壓匹配變壓器HMT構成了一個不等邊的Scott變壓器，相當于是一種2端口供電容量電壓幅值不相等，但電壓相位相互垂直的特殊接線形式的平衡變壓器。

圖2 單三相組合式同相供電系統結構

圖3 單相組合式同相供電系統結構

2 同相供電補償裝置容量的優化配置策略

/()系統含有個元件，當個元件有不少于個元件正常工作時，默認此時系統能正常工作。當出現故障元件數≤-時，系統能正常工作，當系統中故障元件數＞-時，系統不能正常工作，可以等效為/()模型。其中，一個元件正常工作的概率為，不能正常工作的概率為，設故障率為，可得= e-和= 1-e-。由/()可靠性模型分析法可以得到系統的可靠度為

2.1 未加同相供電補償裝置的變電所可靠性分析

本文研究采用/可靠性模型分析法。在變流器單元采用15級聯的變流器模塊級聯的前提下，只要正常工作的變流器模塊數量≥13個，則默認該變流器單元能正常工作（即13/15系統），進而可以得到整個變流器單元的可靠度1，可以繪制出相應的單個變流器單元可靠性曲線圖，且可以看出不同年限可靠性的變化，如圖4。其中，單個變流器單元的可靠度參數如表1所示。

表1 單個變流器單元的可靠度

2.2 牽引變電所近期和遠期的可靠性分析

通過對實測統計數據計算，得到牽引變電所總容量為37 MV·A，其中牽引變壓器的設計容量為25 MV·A，補償裝置的容量設為12 MV·A。在牽引變電所正常工作時，需要保證至少有2個變流器單元可正常工作。以下分別對2+2、3+1的變流器單元進行可靠性分析。

平均無故障工作時間為

（2）遠期可靠性分析：同相供電補償裝置采用3個變流器單元工作，1個備用，即3/4系統，并且4個變流器至少要有3個能正常工作。其可靠度為

平均無故障工作時間為

由上述分析可知：在同等條件下，含同相供電補償裝置的供電系統可靠度更高，平均正常工作的概率更大。綜合考慮供電系統的可靠性和經濟性2個因素，在變電所中加裝同相供電補償裝置更適合電氣化鐵路的長遠發展。

3 貫通式同相供電系統補償裝置控制策略

本文研究的貫通式同相供電系統是由組合式同相供電技術結合新型雙邊供電技術構成。雙邊供電技術的運用使整條牽引網上電壓相同，實現了整條線路上的貫通供電。圖5為基于單三相貫通式同相供電系統結構圖。

圖5 基于單三相貫通式同相供電系統結構

圖6 2個變電所分流系數變化曲線

運用Matlab計算分流系數以及列車與所離開的牽引變電所之間距離的關系。牽引變電所和分區所分別設置于= 0 km，= 25 km和= 50 km處（圖7），可以得到3個變電所上的分流系數變化曲線（圖8），且當串聯不同的電抗器時，變電所上對應的分流系數變化也不同。

圖7 3個變電所采用雙邊供電方案示意圖

圖7左邊是3個變電所采用雙邊供電時的供電方案示意圖，右邊是其等效電路圖。列車從第一個變電所行駛到第三個變電所，3個變電所上的電流分別為1、2和3，3個變電所上的分流系數分別為1p、2p和3p。

圖8 3個變電所分流系數變化曲線

由圖8的曲線可以看出，牽引變電所1的分流系數和變電所3的分流系數是關于50 km對稱的，即列車運行到km處（0＜＜50）與列車運動到（100-）km處時，牽引變電所1和3的分流系數大小相同，且牽引變電所2的分流系數也是關于50 km對稱的。

圖9為變電所的功率損耗變化曲線圖。由圖9可知，牽引網上的功率損耗是一個從最大到最小再到最大的變化過程，機車在距變電所0 km和50 km處，功率損耗最大，為2.2 MV·A；當列車運行到分區所處，即25 km處時，牽引網上的功率損耗最小，為0.28 MV·A。

圖9 變電所的功率損耗變化曲線

4 結論

（1）貫通式同相供電系統比異相供電牽引系統需要的變壓器容量更小。

（2）對于異相供電而言，正常運行時，列車從距離最近的牽引變電所取電，當供電的變電所出現故障退出運行時，則距離較近的另一個變電所與出現故障的變電所之間的分區所連通為列車供電，從而保證列車的運行；貫通式同相供電時，牽引網上的列車從所有牽引變電所取電，并且保持“近者多分，遠者少分”的原則，由于全線貫通供電，若靠近列車運行的變電所出現故障，則相當于為列車供電的最近2個變電所之間的牽引網變長，且鄰近的牽引變電所提供更多的負荷功率，可見貫通式同相供電時容量分配更均勻。

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Single phase power supply is adopted for through co-phase power supply, the structure of traction transformer plus co-phase power supply compensation devices is adopted in substation, and phase breaks on exit of traction substation and on traction network are able to be cancelled. During through power supplying, the neighboring substations can feed power simultaneously to locomotives inside traction network. The paper analyzes short-term and long-term reliabilities of traction substation, compares differences on reliabilities of traction power supply systems for which different types of standby redundancy are provided. Further analyzing is made for current division factors of 2 or 3 substations and variations of power loss of traction network when requirements for bilateral power supply are met. The control strategies for through co-phase power supply compensation devices are obtained finally.

Co-phase power supply; reliability analysis; bilateral power supply; through co-phase power supply

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.008

U223.5+1

A

1007-936X(2017)05-0031-04

蔣 俊.西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生，研究方向：牽引供電系統供電理論、電能質量與控制。解紹鋒.西南交通大學電氣工程學院，教授；李銷鍵，周彤昕.西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生。

2016-11-28