同相供電裝置及現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試研究

全國(guó)軍

（中鐵十一局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，湖北 武漢 430074）

1 工程概況

溫州市域鐵路S1線是國(guó)內(nèi)交流供電制式同相供電技術(shù)在市域鐵路中的首次應(yīng)用，克服了前期同相供電方案的局限性，有效解決了現(xiàn)有的電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)以負(fù)序?yàn)橹麟娔苜|(zhì)量問(wèn)題，以及電分相引起的列車(chē)速度和牽引力損失等問(wèn)題。本項(xiàng)目主要基于溫州市域組合式同相供電方案的創(chuàng)新性，把牽引變壓器和負(fù)序補(bǔ)償裝置在結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立，在功能上相互組合，根據(jù)外部電源和牽引負(fù)荷實(shí)際，在相關(guān)電能質(zhì)量指標(biāo)（主要是負(fù)序指標(biāo)）滿足國(guó)標(biāo)要求的約束條件下，能實(shí)現(xiàn)同相補(bǔ)償裝置容量最小化，從而達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)兼優(yōu)的目標(biāo)。

2 同相供電系統(tǒng)研究

2.1 單相組合式供電方案

電力機(jī)車(chē)為單相負(fù)荷，對(duì)電力系統(tǒng)造成不平衡。若單相牽引負(fù)荷引起的三相不平衡超過(guò)了國(guó)標(biāo)規(guī)定限值，可采用組合式同相供電技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，使三相不平衡達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。組合式同相供電技術(shù)具備控制、保護(hù)、監(jiān)測(cè)等功能，有效保證鐵路供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。組合式同相供電裝置通過(guò)高壓匹配變壓器，與單相牽引變壓器進(jìn)行組合，可分別形成單三相組合式同相供電和單相組合式同相供電兩種系統(tǒng)應(yīng)用方案。經(jīng)過(guò)仿真模擬、數(shù)據(jù)分析，牽引變電標(biāo)準(zhǔn)、在經(jīng)濟(jì)上也是最合理的，因此，組合式同相供電方案在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上均是最優(yōu)的。如圖1所示。

2.2 同相供電系統(tǒng)保護(hù)裝置

利用MATLAB/SMULINK平臺(tái)完成組合式同相供電系統(tǒng)建模，分析了同相補(bǔ)償支路的并聯(lián)接入對(duì)原有系統(tǒng)各部分的保護(hù)配置的影響，通過(guò)設(shè)置交流過(guò)流保護(hù)、交流過(guò)壓/欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、直流過(guò)壓/欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、模塊失電（模塊通信故障）保護(hù)單元，完成同相所采用單相牽引變壓器就是組合式同相供電的最簡(jiǎn)方式，組合式同相供電方案在技術(shù)上滿足供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性驗(yàn)證。同相項(xiàng)目供電裝置電力電子控制原理圖如圖1所示，同相補(bǔ)償裝置投入前后效果對(duì)比如圖2所示。

圖1 同相項(xiàng)目供電裝置電力電子控制原理圖

圖2 同相補(bǔ)償裝置投入前后效果對(duì)比

2.3 同相供電系統(tǒng)補(bǔ)償裝置

為了保證同相供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性運(yùn)行，有效解決電能質(zhì)量的問(wèn)題，在同相供電系統(tǒng)中加入了同相補(bǔ)償裝置，基于k/n(G)系統(tǒng)對(duì)同相補(bǔ)償裝置不同備用方式可靠性進(jìn)行了研究，分析了同相補(bǔ)償裝置備用數(shù)量與可靠性關(guān)系，對(duì)在1/2備用方式下?tīng)恳冸娝鶅?nèi)同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式進(jìn)行了分析，如圖5所示，基于實(shí)測(cè)負(fù)荷結(jié)合變壓器溫升模型對(duì)同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式進(jìn)行了分析，基于牽引負(fù)荷特性進(jìn)行組合式同相供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行與備用方式進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，如圖3所示，最終采用裝置級(jí)備用的方案能有效提高同相供電裝置的整體可靠性。

圖3 備用容量比例不同時(shí)同相補(bǔ)償裝置可靠度曲線

3 市域鐵路單相組合式同相供電系統(tǒng)調(diào)試

溫州市域同相供電系統(tǒng)提出分步安裝，單體調(diào)試和組合調(diào)試相結(jié)合的方式。通過(guò)設(shè)置不同類型的模擬信號(hào)，完成裝置的模塊化和系統(tǒng)的單體調(diào)試。利用在線監(jiān)測(cè)的方式，實(shí)時(shí)判定同相供電系統(tǒng)輸入和輸出的有功功率。通過(guò)實(shí)施監(jiān)控，可有效保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，確保同相供電補(bǔ)償裝置的功能。

4 市域鐵路單相組合式同相供電系統(tǒng)實(shí)施效果分析

溫州市域鐵路S1線成功投運(yùn)后，委托北京交通大學(xué)對(duì)同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行效果進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，單相組合式同相供電技術(shù)能夠取消電分相，消除無(wú)電區(qū)，消除電力機(jī)車(chē)(或電動(dòng)車(chē)組)過(guò)電分相時(shí)失電(暫態(tài)過(guò)電壓和過(guò)電流)、失速等對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響，改善列車(chē)運(yùn)行條件，保障行車(chē)安全，年均減少列車(chē)失電現(xiàn)象12萬(wàn)次，運(yùn)輸提速節(jié)約市民出行時(shí)間8.3萬(wàn)小時(shí)；能夠綜合治理負(fù)序、無(wú)功等對(duì)電力系統(tǒng)的影響；在兩部電價(jià)制條件下，降低牽引變壓器安裝容量，提高牽引變壓器容量利用率，節(jié)省了基本容量電費(fèi)；擴(kuò)大機(jī)車(chē)再生能量的吸收范圍，提高牽引供電系統(tǒng)對(duì)再生能量利用率，降低電度電費(fèi)。經(jīng)分析，同相供電系統(tǒng)的成功應(yīng)用，取得了良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

（1）能夠解決電鐵對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響，電能質(zhì)量綜合治理或同相供電技術(shù)能夠解決電鐵諧波、負(fù)序、無(wú)功等對(duì)電力系統(tǒng)的影響，能夠提高電力系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)的供電可靠性。（2）能夠解決牽引變電所出口電分相對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響。同相供電技術(shù)能夠解決電力機(jī)車(chē)（或電動(dòng)車(chē)組）過(guò)電分相時(shí)失電（暫態(tài)過(guò)電壓和過(guò)電流）、失速等對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響。（3）能夠擴(kuò)大機(jī)車(chē)再生能量的吸收范圍。不采用同相供電技術(shù)時(shí)，只能是一個(gè)供電臂范圍內(nèi)的機(jī)車(chē)相互吸收再生能量，吸收不了的電能無(wú)償反饋至電力系統(tǒng)；采用同相供電技術(shù)后，可使整個(gè)變電所供電范圍內(nèi)的機(jī)車(chē)能夠相互吸收再生能量，相當(dāng)于吸收再生能量的級(jí)車(chē)數(shù)量擴(kuò)大了2倍。（4）減少電能再分配過(guò)程意味著減少電能線路損耗，實(shí)現(xiàn)全局節(jié)能和減排的環(huán)保功能。（5）由于兩部電價(jià)制的基本容量減少，節(jié)省了基本容量電費(fèi)。（6）電分相數(shù)量減少后，機(jī)車(chē)過(guò)分相次數(shù)也相應(yīng)減少，能夠延長(zhǎng)車(chē)載斷路器壽命和車(chē)載斷路器的檢修頻率，從而可節(jié)省費(fèi)用。

5 結(jié)語(yǔ)

溫州市域鐵路率先采用組合式同相供電技術(shù)，從根本上解決單相工頻交流制供電方式帶來(lái)的不利因素，提高了電力系統(tǒng)電能質(zhì)量，減少了牽引變電所出口電分相對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響，擴(kuò)大了機(jī)車(chē)再生能量的吸收范圍，延長(zhǎng)了動(dòng)車(chē)組車(chē)載斷路器壽命，降低了車(chē)載斷路器的檢修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；組合式同相供電技術(shù)最大程度上取消或避免電分相，避免列車(chē)過(guò)分相而造成的弓網(wǎng)事故、坡停事故、列車(chē)電氣暫態(tài)過(guò)程、列車(chē)速度和牽引力損失問(wèn)題，優(yōu)化列車(chē)運(yùn)行條件，改善旅客乘車(chē)體驗(yàn)，有利于市域鐵路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。避免牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生電能質(zhì)量方面的不良影響，有助于鐵路和電力事業(yè)和諧共同發(fā)展，實(shí)現(xiàn)雙贏。顯著提升我國(guó)軌道交通牽引供電技術(shù)水平和裝備水平，促進(jìn)我國(guó)同相供電及電力電子等配套行業(yè)生產(chǎn)制造與應(yīng)用技術(shù)的整體進(jìn)步。