吉衡線車站信號主備用電源電壓差原因分析及解決方案

羅瑞忠，劉承國

0 引言

2020年3月1日15：43，吉衡線戊站全站停電。檢查發現信號電源開關箱主、備用（Ⅰ、Ⅱ路）電源的空氣開關燒壞，信號主、備用電源同相存在超過200 V的電壓差，嚴重超過TB/T 1528.1—2018《鐵路信號電源系統設備 第1部分：通用要求》中關于“兩路電源電壓差不得超過30 V”的規定[1]。分析認為，由于信號兩路電源同相存在較大電壓差，電務電源屏在切換過程中造成兩路電源并網短路，燒壞了空氣開關，并使0.4 kV電源開關全部跳閘。

本文將對此進行調查分析，找出兩路電源同相電壓差較大問題的根源并進行調整，以解決兩路電源同相電壓差的問題。

1 現狀調查

吉衡線全線設10 kV電力貫通線1條。全線各站均在貫通線上接引10/0.4 kV變壓器，經降壓后向信號設備供電，作為信號主用電源；同時就近接引一路地方10 kV綜合電源，也采用10/0.4 kV變壓器，經降壓后作為信號備用電源；鐵路10 kV配電所所在車站由配電所接引一路綜合電源。供電示意圖如圖1所示。

圖1 吉（安）衡（陽）線供電示意圖

2020年3月1日吉衡線戊站發生停電故障后，供電管理部門對管轄范圍內的吉衡線9個車站主、備用電源電壓情況進行了全面檢測，線電壓測量數 據如表1所示。

表1 貫通和綜合電源線電壓測量記錄 V

由表1可以看出，有4個站的綜合電源與貫通電源同相電壓差小于30 V，有5個站的電壓差超過了200 V。用相位伏安表測量上述5站兩路電源相序一致，同相相位差接近60°。

貫通與綜合10/0.4 kV變壓器聯接組別均為Dyn11，配電所10/10.5 kV貫通調壓變壓器的聯接組別為Yyn0。經了解，自吉衡線開通以來，曾多次發生設備燒損事件。

2 計算校核相位差[2]

三相交流電力系統中的電力變壓器的繞組有星形和三角形兩種聯接方式，由于繞組聯接方式不同而產生不同的聯接組別。一般認為：由于從發電廠到用戶經過了多次的電壓變換，很有可能因變壓器的聯接組別選擇不當造成用戶低壓兩路電源出現相位差，按照變壓器相位變換規則，兩路電源的相位差一般為30°的整數倍。

下文以戊站為例計算兩路電源的相位差。根據線電壓與相電壓的關系，計算各電源的相電壓：

貫通電源低壓側的相電壓Ua=Ub=Uc=Uab/= 378/= 219.4（V）

綜合電源低壓側的相電壓Ual=Ubl=Ucl=Ualbl/= 398/= 229.8（V）

以貫通電源A相初始角為0°，綜合電源A相初始角為ψ，寫出貫通和綜合電源的有效值相量為

繪制貫通電源向量圖（如圖2實線部分），其中o、a兩點之間的距離為219.4；再分別以o、a為原點（不考慮電源中性點o點漂移），以半徑分別為229.8和213作圓，兩圓相交于a1和a2點（以a1為例進行計算），連接oa1即為綜合電源Ual，其與Ua的夾角為ψ。補全綜合電源向量圖，如圖2虛線部分。

圖2 貫通與綜合電源低壓向量圖

已知三角形三邊長，利用余弦定理計算ψ，即

由式（1）可解得ψ= 57°，即綜合電源與貫通電源相位相差57°，綜合電源滯后貫通電源（如以a2進行計算仍相差57°，只是綜合電源超前貫通電源，不影響計算結果）。

同理可計算乙、丙、己、辛站綜合電源與貫通電源相位分別相差59°、55°、60°、57°。

通過上述計算，5站主備用電源相位差約為60°，與測量結果一致。

3 原因分析

吉衡線地處湖南較偏僻地區，地方供電主要有110 kV和35 kV兩種變電站，鐵路10 kV配電所的10 kV電源和甲、戊站的綜合電源均引自地方110 kV變電站，其余3站的綜合電源引自35 kV變電站。地方110 kV變電站主變一般采用三繞組變壓器，電壓比為110/38.5/10.5 kV，聯接組別為Yn0/yn0/d11；35 kV變電站主變為雙繞組變壓器，電壓比為35/10.5 kV，聯接組別為Dyn11，其35 kV電源從110 kV變電站引接。

變壓器聯接組別的表示方法[3]：大寫字母表示一次側（或原邊）的接線方式，小寫字母表示二次側（或副邊）的接線方式。Y（或y）為星形接線，D（或d）為三角形接線。數字采用時鐘表示法，用于表示一、二次側線電壓相位關系，一次側線電壓相量作為分針，固定指在時鐘12點位置，二次側的線電壓相量作為時針。Yy聯接組號有0、2、4、6、8、10共6個，Yd聯接組號有1、3、5、7、9、11共6個。變壓器聯接組別中組號數字“0”表示一、二次側線電壓同相，“11”表示二次側的線電壓相量在時鐘的11點位置，即二次側的線電壓超前一次側線電壓30°（或滯后330°）。從地方變電站的變壓器聯接組別分析得出，110 kV和35 kV同相位，不論是從110 kV變電站還是35 kV變電站引出的10 kV電源均超前110 kV和35 kV電源30°，即地方電力部門提供的各站綜合10 kV電源和配電所電源相位一致。因此，上述5站主備用電源相位差60°不是由于變壓器變換引起，從5個車站的綜合電源分別引自110 kV和35 kV變電站也證明地方供電10 kV電源不存在相位差。

從變壓器的聯接組別分析，10 kV綜合電源應與貫通線相位一致，下文分析兩路低壓電源為何存在60°的相位差。聯接組別為Dyn11和Dyn1的變壓器接于同一10 kV電源時，其低壓側出現60°的相位差。從兩種變壓器的高、低壓線圈的端子連接及向量圖可以看出（如圖3所示），兩種變壓器只是改變了高壓側的線圈連接順序，以對應低壓a相為例，在Dyn11型變壓器中對應的高壓側線圈是AX(B)，而在Dyn1型變壓器中對應高壓側線圈是AX(C)，從向量圖中可以看出兩者低壓相差60°。即對于Dyn11的變壓器，其10 kV側是正相序還是反相序接線將造成低壓側同相相位相差60°。進一步巡查發現，該5站10 kV綜合電源是從附近的地方10 kV供電線架空“T”接至車站附近，再經電纜接入箱變，在接線時將10 kV高壓A、C相接反，形成反相序。

圖3 兩種變壓器接線及向量圖

《鐵路電力管理規則》對用戶受電端電壓波動幅度有±7%的上限要求，但未對雙電源用戶的相序、相位作出規定[4]，鐵路供電工作人員對雙電源電壓差普遍存在認知上的不足，在吉衡線施工時未核對10 kV高壓相序、相位，盲目接線造成綜合電源與貫通電源的高壓側反相序，使信號專業兩路低壓電源出現60°相位差，出現大于200 V的電壓差。

4 解決方案

（1）對相位差通常可采用更換變壓器予以解決，本案可定制聯接組別為Dyn1的變壓器，更換其中1臺即可解決，但存在變壓器一旦出現故障則無備用變壓器可替換等問題。

（2）根據前文原因分析得知，變壓器10 kV反相序接線將造成低壓相位相差60°，因此可以改變變壓器的外部接線來解決60°相位差的問題。將引入綜合電源變壓器的10 kV電纜倒換兩相（如A、C相），高壓倒換后低壓則呈反相序，此時將對應的低壓側兩相倒換，即解決了相位差問題（如圖4所示）。通過對吉衡線5站綜合電源變壓器的高低壓接線進行調整，兩路電源同相電壓差均低于15 V，解決了兩路電源同相存在較大電壓差的問題。

圖4 Dyn11的變壓器改變外部接線及向量圖

5 結語

對于大電網（不含未并網的小水電，存在頻率差）提供的兩路電源，變壓器聯接組別選擇正確，可以將用戶低壓兩路電源的同相電壓差控制在30 V以內。相位相差30°時可將其中一臺變壓器更換為合適聯接組別的變壓器，相位差達60°時可將變壓器高壓側調整兩相接線（改為反相序），對應低壓側兩相同步更改即可。在施工及驗收時，對雙電源用戶應加強電源相序、相位的檢測，兩路電源電壓差較大時應認真分析是變壓器聯接組別問題還是接線問題，對應進行調整，確保設備運行安全。