电气化铁路牵引变压器调压参数设置研究

刘玉辉

(中国铁路总公司运输局，北京　100844)



电气化铁路牵引变压器调压参数设置研究

刘玉辉

(中国铁路总公司运输局，北京100844)

结合兰新高铁开通后CRH5型动车组列车多次出现电制动失效问题，根据西北地区外部电源电压偏差较大的实际，对牵引供电牵引变压器出口电压进行研究，对电制动失效原因进行系统分析，立足于供电系统对产生故障原因进行综合分析，从适应外部电源偏差，确保电气化铁路动车组、电力机车正常运行角度，提出电气化铁路牵引变压器调压问题和牵引变压器调压参数设置原则。

电气化铁路；变压器；调压参数；偏差

1　高铁动车组电制动失效案例

兰新高铁开通运营以来，CRH5型动车组列车运行期间，在兰新高铁军马场至张掖西间，多次出现电制动失效情况。动车组制动调速过程中，空气制动接替电制动施加，长大坡道区段长时间使用空气制动进行调速，反复高热荷载引起动车组轮动闸片摩擦材料性能衰退，出现损伤掉块现象。

CRH5型动车组电制动失效区段主要集中在兰新高铁K1986-K2121范围，按照供电臂区分，涉及干柴滩变电所、军马场变电所及观花台变电所有关接触网供电臂。见表1。

2　电制动失效原因系统分析

2.1动车组电制动失效原理

按照CRH5型动车组逻辑控制设置，电制动失效条件如下：

(1)动车组在电制动状态时逆变器关闭；

(2)动车组在电制动状态，输出功率小于预设电制动功率50%；

(3)制动变阻器温度超过600 ℃；

(4)互锁阀故障；

(5)牵引辅助变流器冷却液超过70 ℃。

检查故障动车组电制动切除按钮线路供电状态及相关控制板卡，未发现异常情况；车辆互锁阀均能正常动作；动车组牵引变流器控制单元(TCU)记录的冷却液温度均在正常值范围内(低于70 ℃)；变阻器未见异常。

表1　部分CRH5型动车组电制动失效情况统计

通过下载动车组牵引变流器控制单元(TCU)记录数据进行分析，故障发生时段，接触网电压数据存在大于29 kV现象。而CRH5型动车组技术条件要求：接触网电压在29～31.5 kV，动车组输出功率线性下降至零，CRH5型动车组在TCU软件中设定了接触网电压与动车组输出功率的关系曲线[1]，如图1所示。

根据CRH5型动车组电制动失效条件，当动车组在电制动状态，列车的输出功率小于预设电制动功率50%时，动车组列车延时3 s电制动失效。动车组电制动失效原理如图2所示。

图1　接触网电压与动车组输出功率关系曲线

图2　动车组电制动失效原理

2.2故障区段牵引供电设备情况

兰新高铁牵引供电采用AT供电方式，牵引变电所外部电源进线电压等级采用330 kV，牵引供电系统按照动车组列车近期4 min追踪，远期3 min追踪能力进行设计。兰新高铁军马场至张掖西间线路最大坡度20‰，其中干柴滩至观花台区段为连续下坡段，根据设计仿真，按照动车组4 min追踪运行时，牵引变电所最低工作电压为23 kV。

通过对故障时段军马场、观花台两个牵引变电所相关参数进行测试，变电所进线侧最高电压基本在10%的正偏差范围并略有超出，牵引变电所馈线侧电压短时最高为29.5 kV。故障区段牵引变电所电压参数检测数据见表2。

2.3兰新高铁外部电源设计方案

兰新高铁牵引变电所由两路独立的330 kV电源供电。根据电力部门提供的《兰新二线电气化铁路外部电源接入系统设计方案》，干柴滩、军马场、观花台3座牵引变电所外部电源供电方案如下：

表2　故障区段牵引变电所电压参数检测数据

注：日期均为2015年

干柴滩牵引变电所双回330 kV线路接入达坂变电所，线路长度49 km，导线规格为LGJ-2×300型；

军马场牵引变电所1回330 kV线路接入山丹变电所，线路长度66 km，导线规格为LGJ-2×300型；1回330 kV线路接入民乐开关站，线路长度77 km，导线规格为LGJ-2×300型；

观花台牵引变电所双回330 kV线路接入顺化变电所，线路长度22 km，导线规格为LGJ-2×300型。

2015年1月1日至1月7日，对动车组电制动失效区段的军马场、观花台牵引变电所外部电源进线电压进行持续监测：军马场牵引变电所最高进线电压的周平均值为367.0 kV，最低进线电压的周平均值为357.8 kV；观花台牵引变电所最高进线电压的周平均值为367.8 kV，最低进线电压的周平均值为363.0 kV。

2.4故障综合原因分析

兰新高铁牵引变电所全部采用330 kV系统供电，地方变电站与牵引变电所距离较远，电能传输距离长、容抗大，线路末端电压抬升较高。由于电力系统外部电源电压偏高(正向偏差达10%)，造成兰新高铁牵引变电所母线馈出电压(接触网电压)相应升高。

加之兰新高铁运营初期实际开行列车对数较少，线路负荷轻，干柴滩、军马场、观花台3座牵引变电所供电范围均处于线路长大坡道区段，动车组下坡运行再生制动时，向接触网线路反馈电能，进一步抬升接触网电压，当接触网电压在一定时间内持续大于29 kV时，动车组列车输出功率线性下降，导致电制动失效，空气制动接替电制动进行调速。

3　牵引变压器调压问题思考

《铁路技术管理规程(高速部分)》第177条规定：接触网标称电压值为25 kV，最高工作电压为27.5 kV，短时(5 min)最高工作电压为29 kV，最低工作电压为20 kV[2]。《电能质量 供电电压偏差》(GB/T 12325—2008)规定：35 kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%[3]。对330 kV等级而言，最高电压应为363 kV，最低电压为297 kV。

但随着铁路建设范围的扩大，电气化铁路覆盖地区越来越广，部分地区外部电网系统脆弱，因电网自身需求，特殊地段牵引变电所外部电源进线电压经常达到《电能质量 供电电压偏差》(GB/T 12325—2008)规定的“供电电压正、负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%”的极限值，造成接触网馈出电压接近《铁路技术管理规程(高速铁路部分)》规定的短时最高工作电压29 kV，在线路容性空载和动车组再生制动对接触网电压抬升的共同作用下，极易出现动车组列车电制动功率下降或电制动失效问题。新建铁路线路开通初期，列车对数或密度较小，此类问题将尤为突出。

目前，电气化铁路牵引变压器高压侧调压范围通常为±2×2.5%，每降低一档理论上可实现27.5 kV侧电压下降687.5 V。在外部电源进线电压偏差较大区段，牵引变电所主变压器调压分接开关档位调至最低档(1档)运行后，仍不能满足动车组及电力机车运行要求。如何适应外部电源薄弱的特殊地区电压偏差，确保电气化铁路动车组及电力机车正常运行，需要对牵引变压器调压分接开关参数设置方案进行针对性的优化研究。

4　牵引变压器调压参数设置原则

4.1主要规程规范

(1)《电力变压器选用导则》(GB/T 17468—2008)分接位置选择规定： “分接头一般按以下原则布置：a)在高压绕组上而不是在低压绕组上，电压比大时更应如此。”

分接位置一般原则规定：“在满足使用要求的前提下，能用无调压的尽量不用无励磁调压；能用无励磁调压的尽量不采用有载调压；无励磁分接开关应尽量减少分接数目，可根据电压变化范围只设最大、最小和额定分接。”

分接范围规定：“应尽量按实际需要设置分接范围，一般按GB/T 6451—2008……选择[4]。”

4.2牵引变压器调压参数设置

(1)牵引变压器调压方式应根据《电力变压器选用导则》(GB/T 17468—2008)要求，优先采用高压侧无励磁调压方式。

(2)对外部电源供电电压偏差较大地区，在《电力变压器》(GB 1094.1—2013)[6]规范下，110、220、330 kV电压等级牵引变压器调压范围应不限于额定电压±2×2.5%，调压范围可根据外部电源情况在±2×2.5%、±3×2.5%、±4×2.5%内选择。

(3)分接范围可根据具体情况，按照《三相油浸式电力变压器技术参数和要求》(GB/T 6451—1999)[7]、《分接开关 第1部分：性能要求和实验要求》(GB/T 10230.1—2007)[8]、《分接开关 第2部分：应用导则》(GB/T 10230.2—2007)[9]规定，在分接级数和级电压不变的情况下，允许增加负分接级数，减少正分接级数，或增加正分接级数，减少负分接级数。

5　结语

随着社会经济发展和铁路网建设不断完善，电气化铁路覆盖地区越来越广，各设计院要加强新线建设和电气化改造工程外部电源情况调查相关工作，保证外部电源电压等级满足《电能质量 供电电压偏差》(GB/T 12325+2008)规定。对部分外部电源电压偏差较大地区，可按照以上牵引变压器调压分接开关参数设置原则进行牵引变压器选型，对目前新造尚未出厂的牵引变压器，应根据前期外部电源调查情况按照以上分接开关参数设置原则进行核对、调整，确保电气化铁路牵引变压器调压范围满足列车运行需求。

[1]中国铁路总公司.铁总运[2014]237号CRH5型动车组途中应急处理手册 [S].北京：中国铁道出版社，2014.

[2]中国铁路总公司.TG/01—2014铁路技术管理规程[S].北京：中国铁道出版社，2014.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 12325—2008电能质量 供电电压偏差[S].北京：中国标准出版社，2008.

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 17468—2008电力变压器选用导则[S].北京：中国标准出版社，2008.

[5]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 6451—2008油浸式电力变压器技术参数和要求[S].北京：中国标准出版社，2008.

[6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB 1094.1—2013电力变压器[S].北京：中国标准出版社，2013.

[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 6451—1999三相油浸式电力变压器技术参数和要求[S].北京：中国标准出版社，1999.

[8]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 10230.1—2007分接开关 第1部分：性能要求和实验要求[S].北京：中国标准出版社，2007.

[9]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 10230.2—2007分接开关 第2部分：应用导则[S].北京：中国标准出版社，2007.

[10]中华人民共和国铁道部.TB 10009—2005铁路电力牵引供电设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[11]高宏，邓云川.220 kV三相V/V接线牵引变压器的研制和应用[J].铁道标准设计，2006(2):96-100.

[12]杨云锦.论降压变压器容量的最优选择[J].铁道标准设计，1985(9):44-48.

[13]王公社.平衡变压器配套工程设计[J].铁道标准设计，1998(10):40-42.

[14]张文仁.铁路牵引动力平衡变压器的差动保护[J].铁道标准设计，1997(10):35-38.

[15]温美杰.谈提高变压器效率问题[J].铁道标准设计，2001(7):47.

Study on Parameter Setting for Voltage Regulation of Electrified Railway Traction Transformer

LIU Yu-hui

(Transport Bureau of China Railway Corporation， Beijing 100844， China)

In view of the electric braking failure CRH5 motor train unit running on Lanzhou Xinjiang high speed railway and with reference to the excessive external power supply voltage deviation in the northwest part of China， this paper studies the outlet voltage of the traction transformer and analyzes the failure cause of the electric braking system. The principle of parameter setting for voltage regulation of traction transformer of electrified railway is proposed based on the comprehensive analysis of the failure causes in perspective of the adaptation to the external power supply deviation and the normal operation of motor train unit and electric locomotive．

Electrified railway; Transformer; Voltage regulation parameter; Deviation

2016-01-21；

2016-02-03

刘玉辉(1983—)，男，工程师，2006年毕业于西南交通大学电气工程及其自动化专业，工学学士，E-mail：8030778@qq.com。

1004-2954(2016)08-0118-04

U224

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.025