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电气化铁路牵引变电所外部供电方案相关问题的讨论

发表时间：2021/6/23 来源：《基层建设》2021年第6期作者：王英禹

[导读] 摘要：本文以浙赣铁路浙江境内运行的牵引变电所为例，针对外部供电方案相关问题，从设计方案入手，结合后期运行情况，重点阐述了对电力设计院文件中负序评价方法的一些看法，最后就相关问题提出了建议。

        中铁二十四局集团上海电务电化有限公司上海市 200071
        摘要：本文以浙赣铁路浙江境内运行的牵引变电所为例，针对外部供电方案相关问题，从设计方案入手，结合后期运行情况，重点阐述了对电力设计院文件中负序评价方法的一些看法，最后就相关问题提出了建议。
        关键词：电气化铁路；供电方案；讨论；建议
        一、工程情况
        浙赣铁路西起杭州，东至株洲，全长942.187km，是我国路网规划“八纵八横”中“沪昆通道"的核心路段，是我国最重要的路网干线之一，完成的客货运量占全国总量的4.9%和3.1%。该铁路按旅客列车时速200km进行电气化改造。浙赣铁路电气化改造工程于2004年3月正式开工建设，2006年7月工程建成。
        浙赣铁路电气化工程浙江境内设乔司、萧山、义乌、金华东、龙游东（十里铺）、衢州、江山8座牵引变电所。
        各牵引站的主要技术数据   表1

        二、牵引供电系统设计情况
        1、牵引变电所进线电压等级

        单从送电容量和送电距离考虑，浙赣线受电电压采用110kV是可以满足供电要求的。但是浙赣线是我国最重要的路网干线之一，由于浙赣线在全国路网中的重要地位，对供电系统的可靠性和安全性均提出了较高的要求。与110kV电压等级相比，牵引变电所受电电压采用220kV，系统的输送功率更大，功率损失及电压损失更小，牵引侧的供电质量和供电可靠性将得到较大提高，通过对110~500kV送电线路的统计，高压线路故障率近似按威布尔分布：其中为运行起始阶段的故障率，为变化速度的参数，t为从投运算起的运行时间，为故障停运次数。不同电压等级的线路故障率曲线如图所示。同时，牵引变压器高压侧采用220kV电压等级供电，将降低牵引负荷对电力系统的负序影响。一方面220kV系统短路容量（一般为2000~4000MVA）较110kV系统短路容量（一般为300~2500MVA）大，系统对负序的承受能力更强；另一方面，对负序最敏感的是小容量发电机和电动机，它们都处于10.5kV以下电网中，牵引供电系统接入220kV系统的负序到达10.5kV所经过的支路较接入110kV系统的负序到达10.5kV所经过的支路多，负序电流分流的次数也多，可有效降低对小容量发电机和电动机的负序影响。牵引变电所高压侧采用220kV电压等级供电，还可改善对系统的谐波影响。因为电力系统中对谐波敏感的支路多在35kV母线，与110kV电压等级相比，采用220kV供电，一方面改善了高次谐波电流的分流支路，降低了对谐波敏感支路的影响；另一方面随着系统短路容量的增加，系统对高次谐波的承受力更强。
        由于牵引变电所高压侧采用220kV电压等级供电具有更高的供电质量、更高的供电可靠性、更强的功率输送能力和负序及高次谐波的承受能力，故在相关电网有条件提供220kV供电的情况下，应采用220kV做为牵引变电所的受电电压。
        从电网情况分析，浙江电网规模较大，大型发电厂、站较多，输电网络已形成500kV主干，220kV环网，电网运行质量较高，220kV电网运行已从单相永久性短路不失去暂态稳定提高到三相短路不失去稳定，全网高峰时段平均功率因数达到0.95，容性无功补偿度达到1.04，电网电压质量较好。浙江省境内浙赣线沿线电网以半山电厂（35万千瓦）、钱清电厂（25万千瓦）、萧山电厂（2×12.5万千瓦）、富春江电站（29.72万千瓦）、新安江电站（66.25万千瓦）等发电厂、站，兰亭、双龙以及投运不久的诸暨500kV变电站为电源支撑，分布有杭州、中埠、富春、双桥、牌头、三都、宾王、金华、黄村、龙游、衢州、航埠、江山等220kV变电站。牵引变电所受电电压采用220kV是有条件的。
        2、变压器接线形式
        电气化铁道牵引变压器接线形式较多，主要有YN d11接线、三相/两相平衡接线（Y/V接线、SCOTT接线、Y/A接线等）、单相接线、Vv接线，各种接线牵引变压器特点如下表所示。
        各种接线牵引变压器的主要特点表2

        单相牵引变压器容量利用率最高，接线形式最简单，高压进线侧仅需引入两相进线，可节约高压进线部分的投资费用，节省变电所的场坪面积。与其它接线形式的牵引变压器相比，采用单相牵引变压器时，正常运行情况下接触网上电分相数目减少一半，列车可在较长的区段范围内保持高速运行。运行速度为200km/h的高速列车采用交流传动、再生制动，在一侧供电臂列车牵引，另一侧供电臂列车制动工况下，单相牵引变压器对电力系统的负序影响将明显改善，而其它接线型式的牵引变压器对电力系统的负序影响明显恶化。为了适应浙赣线机车的特点，提高经济效益，在有条件的情况下，应尽量采用单相牵引变压器。
        图中n值为两侧供电臂负荷电流之比，横坐标表示再生工况与牵引工况相角差（0≤q≤180°），纵坐标表示负序电流与基准电流的比值。
        根据上面的分析，为了充分利用220kV送电的有利条件，浙赣线上海铁路局管内推荐采用单相接线牵引变压器，进线电压等级为220kV。

        不同牵引变压器型式负序仿真图
        三、浙江省境内牵引变电所外部供电方案
        电力设计院研究报告的基本结论为：
        （1）基于“浙赣线用电负荷较高，对供电可靠性要求也较高，220kV电网承受负序分量和谐波的能力要比110kV电网大，浙赣线电化工程时间紧迫”等方面的考虑，建议以220kV电网供电。
        （2）注入系统各变电所的谐波电流和变电所的谐波电压畸变率均在国标允许的范围内。
        （3）在电网全接线方式及电铁95%概率紧密运行方式下，各接入点的不平衡度均符合国标。在电网N-1方式及电铁95%概率紧密运行方式下，闲霞、仙桥、石窟、航埠变电站220kV母线的不平衡度达到或超过1.3%。在电网检修情况N-1方式及电铁95%概率紧密运行方式下，仙霞、航埠、横岭、仙桥、石窟变电站220kV母线的不平衡度达到或超过1.3%。为了解决负序不平衡度问题，要求乔司、金华东、龙游东（十里铺）、衢州、江山牵引变电所采用Vv接线。
        对于结论的第（3）条，铁路方提出了不同的看法，双方经过多次技术协商、对话，最终达成一致：全线8座牵引变电所均采用220kV供电，其中金华东、衢州、江山牵引变压器采用Vv接线，其余所采用单相接线。
        四、对研究报告中相关问题的看法
        笔者认为电力设计院《浙赣铁路电气化浙江境内牵引变电所外部供电方案研究报告》外部供电方案研究深入，对供电电压等级及谐波影响的研究、论证是客观的，但对负序不平衡度的计算和考核存在一些值得进一步讨论的地方：
        1、考核标准的采用存在偏差
        按照电力设计院的计算结果，不平衡度超标均出现在电铁负荷为紧密运行95%概率积分最大值情况，超标与否的标准是1.3%和2%。电铁紧密运行95%概率积分最大值负荷为电铁最大负荷，应采用国标短时4%的标准。根据浙江省电力设计院的计算结果，电网在N-2、N-3甚至N-4条件下，各公共连接点的不平衡度均大大低于4%。
        紧密运行95%最大概率电流是短时负荷的说明：
        1）牵引负荷特点：
        受线路坡度影响很大，变化较为剧烈。
        紧密运行为线路最大行车能力。
        2）浙赣线浙江省境内牵引负荷具有如下特点：
        （1）客车、快货及摘挂所占比重很大，近远期均在73%以上；
        （2）客运、快货及摘挂机车额定功率为4800kW，货运机车额定功率为6400kW，货车电流为客车电流的1.3倍；
        （3）浙赣线限制坡度为7.2‰，牵引变电所供电范围内所有机车同时取电的概率很低。按区间给电概率0.8计，则供电范围内列车同时带电的概率仅10%到20%。
        3、紧密运行95%最大概率电流是以一天紧密运行列车对数（线路最大能力）为基础，按照概率统计的方法计算出95%时间内均不可能出现的列车数，考虑95%概率时间均不可能出现的列车数同时取电，并且电流均为货车电流情况下得出的瞬时电流。其计算条件是非常苛刻的，数值大大超过正常运行电流，为电铁负荷可能出现的最大电流。
        浙赣线近远期列车对数表表3

浙赣线近远期紧密列车对数表表4

正常运行方式下95%概率负荷与紧密列车对数比例表5

        如按电力设计院的电流取值按远期紧密列车对数，则近期正常运行方式下95%概率负荷仅为电力设计院采用负荷的53.84%（杭州~金华）、47.69%（金华~衢州）、47.33%（衢州~新塘边）。
        2、电网考核条件过于苛刻
        正常情况下，电网可靠性和安全性设计原则，西欧采用N-1原则，国内电力系统安全性设计所遵循的《电力系统安全稳定导则》和《电力系统技术导则》也采用N-1原则。对于在正常检修方式下，即受端系统内有任意线路或母线、或变压器检修，而又发生严重单一故障或失去任一元件的情况，一方面，该情况出现的概率很低，另一方面，根据《电力系统技术导则》，电力部门必须采取措施，保住受端系统，防止系统性的大停电事故，而浙江电力部门在不考虑任何措施的情况下，以正常检修情况下N-1，甚至N-2等情况下，对应电铁最大负荷是否超过国标正常值来考核电铁负荷，条件过于苛刻。
        各牵引变电所站采用单相接线就近接入后三相电压不平衡度表6

        以负序不平衡度超标最为严重的仙霞和航埠两220kV变电站为例，两220kV变电站均位于衢州电网。衢州电网系统为受端系统，2003年正常负荷为67万kW，电网内作为电源支撑的乌溪江电厂装机容量27万kW（为有季节调节功能）仅能满足40%负荷，电网通过500kV九龙变电站至500kV双龙变电站的单回500kV线路，衢州220kV变电站至石窟220kV变电站的单回220kV线路、衢州220kV变电站至双龙500kV变电站的单回220kV线路，太真220kV变电站至双龙500kV变电站单回220kV线路与浙江主网联系，大量输入电能。如按表10运行方式，则衢州电网与主网仅剩单回220kV线路联络，根本无法满足衢州电网用电需求，根据《电力系统技术导则》，电力部门必须采取措施，保住受端系统，防止系统性的大停电事故。按照该运行方式，对应电铁远期最大负荷情况下是否三相电压不平衡度是否超过正常限值，条件过于苛刻。
        3、浙江电网情况
        浙江电网作为全国最大以及负荷增长最迅速的省网之一，网络的结构相当完善并处于迅猛发展的阶段，在浙赣沿线每一个供电分区内，均分布有500kV骨干网架，2003年，浙江电网年用电量达到1208.5亿度，浙赣和沪杭近期（2011年）年用电量为6.9973亿度，仅为2003年浙江年用电量的0.5%，远低于全国水平的2%。根据既有电气化铁路运行经验，浙赣线浙江省境内电铁负序应当不会超过国家标准的规定。
        五、有关问题的建议
        浙赣铁路电气化工程目前已经投运十几年，工程的顺利投运，是广大铁路职工共同努力的结果，也与沿线相关部门，特别是电力部门的大力支持和配合密不可分。虽然，在一些问题上铁路部门和地方电力部门双方还有不同看法，但总的还是体现了顾全大局、平等协商、共建和谐的原则。
        我国电气化铁路要大发展离不开电力部门的支持和配合。总结浙赣铁路电气化浙江境内牵引站外部供电方案确定过程中的经验和教训，笔者提出几点建议：（1）铁路、电力部门应当就谐波、负序、电压波动等问题的计算方法、评定标准等达成一致，就不同负荷情况的线路应采用的供电电压等级、变压器接线型式等达成共识；（2）双方总结执行国家标准时遇到的问题，共同推动相关国家标准的修改完善，利于应用国标指导工作；（3）双方应形成一定的协商机制，就一些重大问题共同研究，协商解决。
        参考文献：
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        [4]郭永基.电力系统可靠性分析[M]清华大学出版社，2003年
        [5]邱仕义.电力设备可靠性维修[M]中国电力出版社，2003年
        [6]浙赣线电气化改造工程修改初步设计文件[R]铁道第二勘察设计院，2003年
        [7]浙赣铁路电气化浙江境内牵引站外部供电方案研究文件[R]浙江省电力设计院，2004年