高速铁路牵引变电所负荷试验方法探讨

李建儒，夏文忠

0 前言

高速铁路（以下简称高铁）高速度、大功率牵引动车组需要电网公司220 kV变电站为牵引变电所提供2回路高可靠电源，以确保对220 kV变电站高铁专用馈线的控制、保护和输电线路安全无误。为此，在牵引变电所启动受电时，电网公司要求牵引供电系统提供一定的负荷，用以校验220 kV变电站高铁专用馈线保护回路的极性和相位，即牵引变电所负荷试验。本文将针对高铁牵引供电的特点就牵引变电所负荷试验的几种主要方法与同仁探讨。

1 负荷试验方法

1.1 常速铁路牵引变电所负荷试验方法

目前常速铁路牵引变电所进线电源电压主要为110 kV，个别地区为220 kV，开行客车和货车主要为交-直牵引电力机车，牵引变电所低压侧设置并联电容补偿装置，用于提高系统的功率因数，满足电力系统功率因数不低于0.85的要求。因此，在进行牵引变电所启动时，变压器5次冲击后，并联电容补偿装置试验时产生的容性电流足以满足电力公司负荷试验的要求，这里不再赘述。

1.2 高速铁路牵引变电所负荷试验方法

高速铁路客运专线牵引变电所进线电源电压主要为220 kV，个别地区为330 kV，开行交-直-交牵引动车组，功率因数高达 0.95以上，满足电力系统功率因数不低于 0.85的要求，牵引变电所低压侧不再设置并联电容补偿装置。

结合国内外类似试验，牵引变电所负荷试验主要有4种方法：牵引变低压侧移动电容器法、牵引变环流法、电力系统调度负荷法和牵引负荷法。

（1）牵引变低压侧移动电容器法（简称移动电容器法）是借鉴常速铁路利用并联电容补偿装置进行的负荷试验，施工单位配置1台移动电容器和相应的高压电缆及连接金具，接于牵引变压器27.5 kV侧，产生一定的电流。该方法在类似工程中已有实践，较为简单，切实可行。

（2）2组牵引变压器并联环流法（简称牵引变环流法）是将牵引变电所高压进线分别引自同一变电站220 kV的不同母线上，牵引变电所设置2组变压器，固定备用，可以采用将2组牵引变压器低压侧同相并联，解除固定备用闭锁，同时投入，由于 2组变压器存在电压比误差和短路阻抗差而产生一定的环流。

（3）电力系统调度负荷法：电力系统为校验其变电站馈出线的保护，在类似工程中，多采用调度用户负荷的方法，即把同一回线路的已有负荷或相邻回线路已有负荷临时调至本回线路，校验母线及线路保护。该方法在变电站采用室外分散布置安装方式时易于实现。现今变电站普遍采用GIS组合电器、电缆进出线方式，造成临时倒接工作量大，实施困难。

（4）牵引负荷法是在现场不具备某些条件的情况下，在变电所启动并向接触网送电后，利用牵引机车进行负荷试验。该试验与实际工况相同，但是因牵引机车的动态、恒定电流持续时间短的负荷特点，在送电初期，保持一定时间的持续电流用于负荷试验不易实现。

2 移动电容器法负荷试验

2.1 移动电容器的选择

该方法的关键是将移动电容器接于牵引变压器低压出线侧，因而其结构型式、电压等级和容量的选择极为重要。

（1）电容器结构型式。为便于不同变电所间移动使用，选择集合式并联电容器并附带放电线圈较为可行。集合式电容器由若干个电容器单元集中在一个壳体内，具有体积小、重量轻、外部接线简单的特点，便于运输和使用。

（2）电容器电压等级的选择。目前国内可用于牵引供电系统的集合式并联电容器主要有33.6 kV、42 kV 2种电压等级。高铁牵引变压器普遍采用VX接线形式、220 kV/（2×27.5 kV）变压器组，负荷试验时电容器接于牵引变压器低压出线侧T线或F线和N线之间，工作电压为27.5 kV。根据绝缘配合原则，电容器接入电网后，运行中承受的长期工频过电压不大于额定值的1.1倍[1]，且无串联电抗器，因此可选择33.6 kV及以上电压等级的集合式并联电容器作为移动电容器。

（3）容量的选择。高速铁路牵引变压器容量通常在31.5，40，50 MV·A，对应低压侧2个绕组的容量为20，25，31.5 MV·A，阻抗电压10.5%（标么值）。现行国家标准规定，当不具备设计计算条件时，电容器的安装容量可按变压器容量的10%～30%确定[2]，负荷试验时电容器容量范围在3 000～5 000 kvar较为适宜，相应的电容量在12～21 µF，因此选择容量为4 000 kvar、电容量15 µF左右的电容器较为可行。

2.2 负荷试验计算

为核算负荷试验时220 kV变电站馈出线电流的大小，以220 kV变电站馈出线电流互感器变比K= 1 600/5、牵引变电所电流互感器变比K2=800/1、牵引变压器40 MV·A，220 kV/（2×27.5 kV）和电容器电容量15 µF的主要参数为例，可按下述方法进行相关负荷计算（中间计算时不标出量纲）。

折算变压器低压侧短路阻抗

电容器阻抗

由计算可知，ZC远远大于Zdl%，在负荷试验简单计算时，变压器低压侧短路阻抗可忽略不计。

27.5 kV侧一次电流I2=U/ZC= 129.53 A

220 kV侧一次电流I1=I2/(n1/n2) =16.19 A

220 kV侧二次电流i1=I1/K2= 20.23 mA

经计算可知变电站负荷试验电流满足现有仪表测试范围，可以进行相应的保护校验。

2.3 试验方法和接线

在二回220 kV线路经3次冲击，2组牵引变压器经5次冲击，一二次设备运行均正常，即可按下述方法和步骤进行负荷试验，具体接线如图1所示。

（1）牵引变压器组退出运行。

（2）同组其中 1台牵引变压器B3低压侧加挂地线，电容器、放电线圈壳体及其二次回路地端接地。

（3）27.5 kV电缆一端连接至牵引变压器低压出线侧T2线或F2线，另一端连接至电容器A1端，27.5 kV电缆屏蔽铠装层单端接地。

（4）低压电缆一端连接至牵引变压器低压出线侧N线，另一端连接至电容器X端。

本研究经沈阳医学院附属中心医院伦理委员会审批，设计随机对照试验，分为试验组(ERAS加ECTR组)和对照组(OTCR组)。所有患者都进行术前DASH评分[14]、肌电图检查及超声剪切波弹性成像[12]。患者术前的一般资料及统计差异见表1。

（5）检查接线连接及接地应正确可靠。

（6）牵引变压器投入。

（7）变电站和牵引变电所测量高低压侧电流和二次回路电流，校核母线和线路保护。

（8）重复上述步骤，进行同组另一台变压器和另一组变压器的负荷试验。

图1 负荷试验接线示意图

3 牵引变环流法负荷试验

该方法关键在于2组变压器并联供电时，选择合适的电压差、短路阻抗及环流的计算。

3.1 基本原理

2组牵引变压器并联运行时， 2组变压器存在电压比误差和短路阻抗差产生一定的环流。利用这一原理，当环流很小时，可以将其中一组变压器的分接开关位置调低一个档位（牵引变压器一般每档位调整变比为2.5%），可产生较大的环流，实现负荷试验的目的。

3.2 试验方法和接线

在二回220 kV线路经3次冲击，2组牵引变压器经5次冲击，一二次设备运行均正常，即可按下述方法和步骤进行负荷试验，具体接线如图2所示。

（1）牵引变压器组退出运行，同相牵引变压器B3、B4低压侧加挂地线。

（2）1根27.5 kV电缆连接牵引变压器B3、B4的T2线，另1根27.5 kV电缆连接至牵引变压器B3、B4的F2线，电缆屏蔽铠装层单端接地。

（3）将B3的分接开关切换至4档，B4的分接开关切换至3档。

（4）检查接线连接及接地应正确可靠。

（5）解除2台牵引变压器闭锁，合闸投入。

（6）变电站和牵引变电所测量高低压侧电流和二次回路电流，校核母线和线路保护。

（7）重复上述步骤，进行另一相变压器的负荷试验。

3.3 环流计算

为核算负荷试验时220 kV变电站馈出线电流的大小，以220 kV变电站馈出线电流互感器变比K= 1 600/5、牵引变电所电流互感器变比K2=800/1、牵引变压器 40 MV·A（25 + 25MV·A），220 kV/（2×27.5 kV）和阻抗电压10.5%（标么值）为例，忽略 2台变压器的变比误差和短路阻抗误差，B3分接开关4档，B4变压器分接开关在3档，可按下述方法进行相关负荷计算（中间计算时不标出量纲）。

折算变压器低压侧短路阻抗

低压侧电压差

则27.5 kV一次侧环流电流

220 kV侧一次电流I1=I2/(n1/n2) = 13.35 A

220 kV侧二次电流i1=I1/K2= 16.68 mA

220 kV变电站馈出线二次电流（不考虑线路电流）i=I1/K= 41.7 mA

值得注意的是1号系统电流与2号系统电流方向相反，变电站核对极性时要正确判断。如果认为电流偏小，测量不便，可以再调低变压器一个档位，理论上电流将增加1倍。

图2 牵引变环流负荷试验接线示意图

4 结束语

通过上述对4种牵引变电所负荷试验的阐述，可以得出以下结论：

（1）移动电容器负荷试验法，方法简单，关键在于选择合适的电容器，该方法在类似工程已有实践，宜于实现。

（2）牵引变压器环流负荷试验法，方法较为简单，关键在于选择合适的变压器分接开关档位，该方法有待于在工程中实践。

（3）其他2种方法，由于现场条件所限，实施困难，但可以借鉴。

（4）进行负荷试验时，应注意试验时机和试验前的检查，一般应在大线路冲击和牵引变压器5次冲击后进行，试验前应保证二次回路和试验接线、接地应正确，安全作业。另外在选择大容量电容器或计算电流较大时，应校核差动保护，必要时可临时退出差动保护。

随着高速铁路建设的不断发展，对高可靠电源的要求更加严格，负荷试验已经成为牵引变电所受电启动的一个必试项目，应结合实际情况，选择合理的方法并实施，达到试验的目的。

[1]GB50227-95 并联电容器设计规范[S].

[2]SD-325-1989 电力系统电压和无功技术导则[S].

[3]王月德.变压器并联运行的分析[J].华北电力技术，1990，（1）.