市域軌道交通牽引變電所負載率低對其經濟運行的影響

曹建設

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)， 710043， 西安∥高級工程師)

我國市域軌道交通發展迅速，對于發揮中心城市輻射帶動作用及推進新型城鎮化發展起到了巨大作用。但由于初期軌道交通線網還不完善，與其他交通方式的接駁情況尚不理想，部分軌道交通線路開通初期客流量較小，行車密度遠低于設計的近、遠期的行車密度，導致部分線路開通初期牽引變電所負載率過低，功率因數遠遠達不到電力部門要求的0.9，地鐵運營部門因此被電力公司罰款嚴重。

本文以某市域軌道交通線路的兩座牽引變電所為例，以現場測試數據為基礎，研究軌道交通負載率低對牽引變電所經濟運行的影響。

1 某市域軌道交通牽引變電所現場測試

1.1 工程概況

某市域軌道交通線路采用單相工頻27.5 kV供電制式，兩座牽引變電所的牽引變壓器均采用一主一備，單臺運行，安裝容量均為2×(20+20) MVA。為節省工程投資，1座牽引變電所解列時，按加大追蹤間隔考慮，主變電所未按照完全備用考慮。同時，為降低報裝容量和固定電費，牽引變壓器容量按近期需要確定。該線路近、遠期的設計列車對數為：近期55對/d，遠期81對/d。

該軌道交通線路開通初期，牽引變電所A和牽引變電所B供電區段每天實際運行列車對數不及設計列車對數的一半。

1.2 牽引變電所現場測試分析

1.2.1 牽引變電所A測試分析

對牽引變電所A的原邊電流進行了實時測量。圖1顯示了牽引變電所A的原邊A相電流。

由圖1可見，牽引變電所A的原邊A相電流大部分時間接近于0。這表明該軌道交通線路開通初期列車開行對數較少，且測試期間牽引變電所A大部分時間處于空載狀態。

圖2為牽引變電所A的次邊a相電流。由圖2可見，牽引變電所A的次邊a相電流值在0附近的居多，表明該線路開通初期列車開行對數過少，且接觸網供電臂長時間處于空載狀態。

圖1 牽引變電所A的原邊A相電流Fig.1 Primary side A-phase current of traction substation A

圖2 牽引變電所A的次邊a相繞組電流Fig.2 Secondary side a-phase current of traction substation A

1.2.2 牽引變電所B測試分析

對牽引變電所B的原邊電流進行了實時測量。圖3顯示了牽引變電所B的原邊A相電流。

圖3 牽引變電所B的原邊A相電流Fig.3 Primary side A-phase current of traction substation B

由圖3可見，牽引變電所B的原邊A相電流大部分時間接近于0，這表明測試期間牽引變電所B大部分時間處于空載狀態。

同理，經測試分析，牽引變電所B的次邊a相繞組電流值在0附近的居多，這表明該軌道交通線路開通初期列車開行對數過少。

2 牽引變電所負載率低對經濟運行的影響

負載率低對牽引變電所的影響主要體現在兩個方面：一方面，由于接觸網分布電容等因素，負載率低使得牽引變電所的功率因數過低，導致電能質量不達標而被罰款嚴重；另一方面，牽引變壓器容量利用率低，采用兩部制電價計費方式時，每年需要交巨額固定電費[1-2]。

2.1 負載率低對牽引變電所功率因數的影響

通過對牽引變電所A的兩個供電臂的測試數據分析，得到牽引變電所A次邊a相繞組功率因數隨時間變化曲線，見圖4。

圖4 牽引變電所A的次邊a相功率因數隨時間變化曲線

由圖4可見，牽引變電所A的次邊a相功率因數變化范圍很大：接觸網有動車組運行時，牽引變電所A的次邊a相功率因數可接近于1；接觸網供電臂空載時，牽引變電所A的次邊a相功率因數非常低；再生制動工況下，牽引變電所A的次邊a相功率因數接近-1。

經測試分析，牽引變電所A 1 d內的平均功率因數為0.66，牽引變電所B 1 d內的平均功率因數為0.57。這將導致電力公司對地鐵運營部門罰款，從而影響軌道交通運營的經濟效益。

2.2 負載率低對牽引變壓器容量利用的影響

考察牽引變壓器容量的利用情況，一般需要考慮過負荷系數、繞組最熱點溫度兩個重要指標。

2.2.1 牽引變電所的負載率

基于負載率為視在功率與安裝容量的比值，根據測試數據先求得視在功率，然后得到牽引變電所的負載率變化曲線。牽引變電所A的次邊a相負載率變化曲線，見圖5。

牽引變壓器設計中一般要求其負載率不能超過3倍過負荷，并持續2 min[3]。由圖5可見，牽引變電所A的次邊a相負載率較低，遠未達到其3倍限值。經統計分析，牽引變電所A的次邊a相空載率為95.11%，b相空載率為89.38%；牽引變電所B的次邊a相空載率為93.16%，b相空載率為96.30%。

圖5 牽引變電所A的次邊a相負載率隨時間變化曲線

2.2.2 牽引變電所穩態和暫態溫升計算[4]

在負載工況下，繞組最熱點溫度的計算公式為：

(1)

式中：

θh——繞組最熱點溫度，℃；

θa——環境溫度，℃；

Δθor——繞組頂部油溫升，K；

R——損耗比；

K——負載系數，為負載電流與額定電流的比值；

x——油的指數；

Hgr——熱點和頂部油溫的差值，K；

y——繞組指數。

頂層油的暫態溫升Δθbt的計算如下：

Δθbt=Δθbi+ (Δθbu-Δθbi)(1-e-t/τ0)

(2)

式中：

Δθbi——底層油的起始溫升；

Δθbu——時間t內所加負載的穩態底部油溫升，K；

τ0——油時間常數。

同樣，隨著負載的增加，繞組和油的溫差將上升到一個新的數值。

繞組對油的暫態平均溫升Δθwt計算如下：

Δθwt=Δθws+ (Δθwf- Δθws)(1- e-t/τ)

(3)

Δθwf=Δθwf0Ky

(4)

式中：

Δθws——繞組對油的起始溫升，K；

Δθwf——時間t內所加負載的穩態繞組對油溫升，K；

τ——繞組時間常數;

Δθwf0——額定負載狀態下，繞組對油溫升，K。

2.2.3 牽引變電所a相繞組溫升計算

牽引變電所A的a相繞組溫升曲線見圖6。

圖6 牽引變電所A的a相繞組溫升曲線Fig.6 Temperature rise curve of a-phase of traction substation A

由圖6可見，牽引變電所A的a相繞組最熱點溫度低于50 ℃。同理，可分析出牽引變電所A的b相繞組最熱點溫度133 ℃，基本接近了140 ℃的限值，但牽引變壓器大部分時間處于空載狀態。

經測試分析，牽引變電所B的兩個供電臂繞組最熱點溫度分別為82 ℃、45 ℃。由此可見，兩座牽引變電所的牽引變壓器容量均遠未得到充分利用。

3 牽引變電所的優化設計

3.1 對負載率過低的牽引變電所設置無功補償

目前，軌道交通普遍采用交直交型電力機車。電力機車滿負荷運行時，功率因數接近于1。因此，牽引變電所設計時一般不考慮設置無功補償裝置。例如，廣佛環線城際鐵路、鄭登洛城際鐵路、西韓城際鐵路、溫州市域鐵路S1線均未設置無功補償裝置。但對于開通初期負載率過低的軌道交通項目，為避免電力公司的電能質量巨額罰款，設置無功補償裝置是非常必要的。

無功補償的容量可根據牽引供電仿真或實測數據，分析牽引變電所平均無功功率后確定。

根據測試數據分析，牽引變電所A的次邊a相繞組無功功率隨時間變化曲線見圖7。

同理，可得出牽引變電所A的次邊b相繞組無功功率隨時間變化曲線。牽引變電所A全天的無功功率平均值為91.5 kVar。同理，牽引變電所B全天的無功功率平均值為110.4 kVar。

軌道交通運營初期，出于成本考慮，牽引變電所的無功補償一般采用TCR(晶閘管控制電抗器)+FC(固定電容器)型靜止無功補償器。隨著SVG(靜止無功發生器)價格的大幅下降，目前城市軌道交通中SVG已經成為無功補償的首選設備。其既可以快速響應供電臂列車負荷變化、解決功率因數問題，亦可降低諧波含量。

圖7 牽引變電所A的次邊a相繞組無功功率隨時間變化曲線

3.2 合理確定牽引變壓器容量，按最大需量法繳納電費

對于采用兩部制電價計費方式的軌道交通，牽引變壓器容量對其運營成本影響較大。相關專業需充分考慮軌道交通運營初期線網還不完善，以及與其他交通方式的接駁尚不理想等因素，準確預測軌道交通開通初期的運量。牽引變電所A的安裝容量若由2×(20+20) MVA降低1個等級至2×(16+16) MVA，按所在省份每月的基本電價27元/kVA，則該市域軌道交通每年將節省固定電費259.2萬元。

電氣化鐵路按照大工業用電兩部制電價計費，其中固定電費和牽引變壓器安裝容量相關，亦取決于所在省份電氣化鐵路的基本電價。為適合牽引負荷波動大的特點，本文采用滑差法計算最大需量[5]。經分析，牽引變電所A的實際最大需量為6 840 kVA，牽引變電所B的實際最大需量為4 500 kVA。由此可見，兩座牽引變電所的實際最大需量均小于其安裝容量的40%。因此，按照電力部門規定，基本電費按牽引變壓器安裝容量的40%計算。該市域軌道交通所在省份的基本電價，按變壓器容量計費時，每月為27元/kVA；按最大需量法計費時，每月為38元/kVA。根據計算，按最大需量法繳納基本電費，牽引變電所A和牽引變電所B每年均可節省基本電費566.4萬元。

4 結論

1) 軌道交通線路開通初期，由于線網不完善，以及與其他交通方式的接駁情況不理想等因素，部分牽引變電所負載率過低，空載率達到90%以上。

2) 負載率低會導致牽引變電所的功率因數過低，甚至會低于0.6，軌道交通運營公司因電能質量不達標而被嚴重罰款。

3) 通過對兩座牽引變電所牽引變壓器的過負荷系數及繞組最熱點溫度計算分析，負載率過低條件下兩座牽引變壓器容量遠未得到充分利用。

4) 對負載率過低的牽引變電所需設置無功補償裝置。該裝置的補償容量可根據牽引供電仿真或實測數據，分析牽引變電所的平均無功功率后確定。

5) 在準確預測軌道交通開通初期運量的基礎上，合理確定牽引變壓器容量，按最大需量法繳納電費以降低運營費用。經計算，本文每座牽引變電所每年可節省基本電費566.4萬元。