牵引变压器安全经济运行策略与调控方法研究

赖惠鸽

(宁夏大学机械工程学院，宁夏银川750021)

牵引变压器安全经济运行策略与调控方法研究

赖惠鸽

(宁夏大学机械工程学院，宁夏银川750021)

牵引变压器是牵引供电系统的关键组分，其运行状态的健康与否直接决定电气化铁路牵引供电网络的安全可靠性、供电质量和经济效益；同时影响着电力系统的电能质量。基于此，从安全保护、在线监测与故障诊断、经济运行与调控等方面对我国牵引变压器的研发、应用现状及存在的问题进行了综合性的阐述和分析；并指出：深入研究牵引负荷特性与潮流分布，优化运行方式、合理进行保护配置和容量选择，积极探索同相供电策略的可行实施方法，构建智能化监控网络支持下的坚强型牵引供电系统，能够有力促进牵引变压器的安全经济运行，是电气化铁路牵引供电技术的主要发展方向。

牵引变压器；安全保护；在线监测；经济运行，电气化铁路

牵引变压器是电气化铁路牵引供电系统的关键组分，主要用于降压、分相并为牵引负荷供电[1]，其运行状态的健康与否直接决定牵引供电网络的安全可靠性、供电质量和经济效益；同时影响着电力系统的电能质量[2]。随着高速铁路牵引负荷量的迅猛增长，对牵引变压器的设计与应用提出了更高要求，需要我们深入研究牵引负荷特性与潮流分布，优化运行方式、合理进行牵引变压器的保护配置和容量选择，积极推进铁路和电力系统协同解决在管理、技术、运行标准等方面的差异[3]，构建起智能化监控网络支持下的坚强型牵引供电系统，有效提升电能质量。基于此，本文从安全保护、在线监测与故障诊断、经济运行策略与调控方法等方面对我国牵引变压器的研发、应用现状及存在的问题进行了综合性的阐述和分析，总结并提出了电气化铁道牵引供电技术的主要发展方向。

1 牵引变压器的安全保护

为适应电力机车或动车组这一单相负荷的供电需求，常采用V/v、V/x、Scott等特殊接线的牵引变压器完成三相电力系统到两相牵引供电系统的电能变换[4-5]。目前，较为推崇的是自耦变压器(auto-transformer，AT)供电方式[6]。

由于牵引变压器对整个电气化铁路的安全运行起决定性作用，依油箱内、外故障及不正常运行状态的具体内容，通常设置瓦斯、压力、温度、油位等非电量保护和差动、过流、过负荷、备用变自投入等电量保护。这些保护均按阶梯原则进行配合，而瓦斯保护和差动保护为主保护[7-8]。从设计角度而言，短路阻抗计算、绕组热点温度控制、抗短路强度的提升和耐冲击能力是关键[9-10]。

刘淑萍[4]针对传统牵引变压器过流保护灵敏度较低的缺陷以及低压启动过流保护存在拒动的可能，构建了适于Scott变压器后备保护的阻抗继电器。周昌松[7]指出，高速铁路列车运行特点导致主变压器保护动作时限整定较长，而反时限过流保护的自适应性可同时满足灵敏度和动作范围的要求。王思华[8]认为影响三相牵引变压器微机差动保护速动性的根本问题是如何有效识别励磁涌流，引入模糊判据较为有效。汤大海[11]关于V/x接线牵引变压器短路时的测量阻抗分析，对国内220 kV高速铁路牵引线路距离保护的整定有一定指导意义。刘兴学[12]建议在电力系统侧优先配置双套光纤电流差动保护作为全线速动主保护，220 kV牵引变电压器及馈线配置热过负荷保护替代传统定时限过负荷保护。

此外，郭剑[13]、杨天平[14]通过对直流接地及入地电流的分析，认为接地系统设计的关键是确定设计区域的入地电流，牵引变压器的直流偏磁应予以重点关注，而线圈高阻抗和阻抗平衡技术、绕组间全退耦技术以及高温超导材料的应用代表了牵引变压器的技术发展趋势[15]。

2 在线监测与故障诊断

牵引变压器的健康状况直接影响着牵引供电系统的安全稳定运行。电气化铁路负荷的不对称性、移动性、非线性和波动性特征[16]，以及牵引变压器容量配置与接线方式的多样性，决定了牵引变压器运行状态的复杂性和在线监测的必要性。

目前，牵引变压器在线监测的主要状态量包括[17]：绕组输出电压、电流，绕组温度，铁芯温度，油量、油位、油温，内部局部放电等。除油色谱分析、油中溶解气体分析、频谱分析、局部放电法等常用监测方法外，融合了人工智能理论的综合性故障诊断方法成为研究热点。

周利军[18]针对V/x接线牵引变压器，提出一种短路电抗在线监测方法，有助于绕组变形状态的判断。高松[19]则通过实例仿真，验证了基于模型诊断和专家系统的牵引变压器故障诊断方法的有效性。阮羚[20]建议将在线监测数据与状态评估有机结合，并应用人工神经网络和Dempster-Shafer证据理论构建了多信息融合的变压器综合状态评估模型。程宏波[21]提出的基于分层免疫原理的高铁牵引供电系统健康监测与评估模型，有利于系统运行趋势的预测。章健军[22]将故障状态信号与模糊理论相结合，通过比对设备状态历史数据和案例，以最大相似度原则进行故障研判。

在网络化智能监测系统的构建方面，刘新辉[23]提出一种基于混合式无线传感网的变压器实时监测数据采集系统，以期提高系统的可靠性、容错性和鲁棒性。景小兵[24]设计了一种基于ARM的接触网绝缘子泄露电流在线监测装置。牟龙华[25]新建了IEC 61850标准中未定义的铁心接地电流监测逻辑节点。以DWSN(distributed wireless sensor network)为基础的变压器分布式多参数在线监测和故障诊断系统，有可能成为新的技术发展方向[22]，对网络化、智能型牵引变压器运行状态监测系统的建设有积极的借鉴意义。

3 经济运行与调控

3.1 容量与过负荷能力

牵引变压器的容量与过负荷能力直接影响线路运量和运行成本。游广增[26]指出，选配牵引变压器应考虑牵引负荷特性及其对电力系统的影响、牵引变压器容量利用率等因素进行综合技术经济比较后确定。李亚楠[27]通过改变既有牵引变压器绕组的连接方式来提高变压器容量利用率。张芳[28]认为，依据线路负荷特性合理确定牵引变压器过负荷倍数和车流排放方案，可充分发挥牵引变压器的过负荷能力。许冰[29]就京哈铁路北京至秦皇岛段2008—2009年实施的所内变压器更换、牵引网进行相应配套升级的增容改造方案进行实例分析，证明该方案满足运量增大后线路牵引负荷的要求。

3.2 经济运行策略与调控方法

在保证牵引变压器安全、可靠运行的基础上，优化运行方式使之与牵引负荷的分布相匹配[30]，通过改善运行条件延长其使用寿命并降低电能损耗，是牵引变压器经济运行的主要内容。

在降低寿命损失方面，陈民武[31]根据热改性绝缘纸老化率动态评估牵引变压器的寿命损失，提出一主三备的配置优化方案。黄晓峰[32]基于IEEE负载导则提供的等值老化模型，实现了变压器运行年限的预测。栗然[33]建立了包含环境成本和社会责任成本在内的变压器全寿命周期成本模型。姜益民[34]寿命管理思想应用到变压器和其他相关设备中，以提高变压器的可维修性。朱柳慧[35]综合热点温度随环温、负荷的变化规律，用二分搜索法获取最佳运行方式切换时间，有效提高变压器运行的经济性并保证了安全性。

在降低电能损耗方面，蔡超[36]以牵引变压器一次侧母线三相不平衡度满足国家标准为约束，提出一种电磁混合式高铁无功、负序综合补偿系统。朱小军[37]通过调节变压器低压侧的母线电压来调节滤波器无功出力的动态补偿措施，提出了“3次固定滤波器＋3次可调滤波器”的补偿方案。张志文[38]给出了适合高速电气化铁路的负序与谐波统一治理方法及基于变压器感应滤波技术的治理方案，期望以较低的成本提升电能质量。

在调度优化方面，选取最佳运行方式，按经济运行原则进行负荷调整，使变压器损耗得到最大限度的降低则是变压器经济运行的基本含义[39]。调度自动化系统还可对网架的结构和潮流的分布进行优化进而实现电网的经济运营；其中，变压器的经济运行对电网系统的经济运行有着重要作用[40]。

3.3 关于同相供电技术的探讨

近年来，基于平衡变压器和综合潮流控制器(integrated power flow controller,IPFC)的同相供电技术成为研究热点[41]。

同相供电系统将牵引变压器和对称补偿装置相结合，实现三相到单相的对称变换，在解决电气化铁路谐波、无功、负序电流问题的同时，可消除牵引网的电分相问题；采用不同接线方式的牵引变压器可以实现不同结构的同相供电系统；有利于高速、重载牵引时的安全可靠经济运行，是电气化铁路电能质量治理较理想的措施[42]。李群湛[6]建议研究三相接入电力系统的平衡接线变压器,以便今后同相(无分相)改造,另一方面亦能与单相变电所实现同相供电；进而提出最小补偿容量的同相供电方案。

4 结束语

牵引变压器运行状态的健康与否直接决定电气化铁路牵引供电网络的安全可靠性、供电质量和经济效益。本文从安全保护、在线监测与故障诊断、经济运行与调控等方面对我国牵引变压器的研发、应用现状及存在的问题进行了综合性的阐述和分析。

综合而言，深入研究牵引负荷特性与潮流分布，优化运行方式、合理进行保护配置和容量选择，积极探索同相供电策略的可行实施方法，构建智能化监控网络支持下的坚强型牵引供电系统，能够有力促进牵引变压器的安全可靠与经济运行，是电气化铁路牵引供电技术的主要发展方向。

[1]张树兰，曹娜，于群.电铁牵引供电系统的仿真模型分析[J].电力学报，2013,28(4)：294-298.

[2]张鑫，江全元.基于V/V接线变压器的铁路功率调节器容量配置和能量优化补偿策略[J].电力自动化设备，2014，34(1)：102-108.

[3]刘育权，吴国沛，华煌圣，等.高速铁路牵引负荷对电力系统的影响研究[J].电力系统保护与控制，2011,39(18)：150-154.

[4]刘淑萍，高仕斌.Scott接线变压器后备距离保护研究[J].电力系统保护与控制，2014,41(3)：109-114.

[5]杨国清，姚李孝，熊峰.交流传动牵引负荷冲击特性研究[J].西安理工大学学报，2013,29(1)：103-108.

[6]李群湛.我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题[J].铁道学报，2010，32(4)：119-124.

[7]周昌松.反时限过流保护作为高速铁路牵引变压器后备保护的研究[J].电气技术，2013(6)：38-40.

[8]王思华.三相牵引变压器励磁涌流模糊识别的研究[J].自动化与仪器仪表，2013(1)：14-16.

[9]张亚杰，龚永纲，李静.电气化铁路VX接线牵引变压器的设计特点[J].变压器，2012,49(3)：1-4.

[10]田颢亮.220 kV电压等级VX接线单相三绕组牵引变压器的设计[J].变压器，2014，51(1)：9-13.

[11]汤大海，严国平，易新.220 kV线路距离保护在V/X接线牵引变压器短路时的测量阻抗分析[J].电力自动化设备，2013,33(2)：160-165.

[12]刘兴学.高速铁路牵引变电所继电保护方案探讨[J].铁道工程学报，2013(1)：88-91.

[13]郭剑.直流接地极对电气化铁路的电磁影响[J].高电压技术，2013，39(1)：241-250.

[14]杨天平.牵引变电所接地计算探讨[J].电气化铁道，2014(1)：18-20.

[15]罗隆福，娄云鸽，张志文，等.电气化铁道牵引供电变压器的发展历程与展望[J].电气时代，2013(6)：48-61.

[16]计长安，罗亚桥，洪伟，等.电气化铁路监测点电能质量状况综合评价和聚类研究[J].电测与仪表，2014，51(6)：19-23.

[17]曹景雷，孙庆彬，王之猛，等.牵引变电所一次设备状态检修的探讨[J].中国电力教育，2014(3)：256-257.

[18]周利军，黄晓峰，李先浪，等.V/X接线牵引变压器短路电抗在线监测方法[J].西南交通大学学报，2013，48(4)：750-755.

[19]高松，刘志刚，徐建芳，等.基于模型诊断和专家系统的牵引变压器故障诊断研究[J].铁道学报，2013，35(7):42-49.

[20]阮羚，谢齐家，高胜友，等.人工神经网络和信息融合技术在变压器状态评估中的应用[J].高电压技术，2014，40(3)：822-828.

[21]程宏波，何正友，母秀清.基于多层免疫模型的高铁牵引供电系统健康监测与评估[J].电网技术，2012，36(9)：95-101.

[22]章健军，成浩，谢伟红.变电站设备状态在线监测网络的研究[J].低压电器，2013(11)：50-54.

[23]刘新辉，何长铃.基于无线传感网的变压器实时监测数据采集系统设计[J].自动化与仪器仪表，2013(2):89-91.

[24]景小兵，陈唐龙，白杰，等.接触网绝缘子泄漏电流在线监测装置设计[J].传感器与微系统，2014，33(5)：87-90.

[25]牟龙华，石林，许旭锋，等.智能换流变压器在线监测系统的设计与建模[J].电力系统及其自动化学报，2013，25(1)：23-28.

[26]游广增，马斌，朱毅.牵引变压器接线方式对谐波和负序的影响研究[J].电气技术，2014(3)：14-18,40.

[27]李亚楠，黄彦全，李群湛，等.高速铁路Vx牵引变压器供电方式优化研究[J].电力学报，2013，28(3)：181-185.

[28]张芳.重载铁路牵引主变压器过负荷能力浅析[J].电气开关，2014(1)：99-102.

[29]许冰，袁立忠.牵引变电所变压器增容容量的验证分析[J].电气化铁道，2014(2)：13-16.

[30]卢婧婧，宋若晨，胡龙生，等.基于智能电网的电力用户管理对电能损耗的改善[J].华东电力，2014，42(4)：734-737.

[31]陈民武，尚国旭，智慧，等.高速铁路牵引变压器容量与配置方案优化研究[J].中国铁道科学，2013，34(5)：70-75.

[32]黄晓峰，周利军，吴广宁，等.基于等值老化的变压器绝缘寿命损失研究[J].高压电器，2013，49(6)：67-71,77.

[33]栗然，韩彪，卢云，等.基于随机模糊理论的变压器经济寿命评估[J].电力系统保护与控制，2014，42(1)：9-16.

[34]姜益民.浅谈变压器运行寿命[J].变压器，2013，50(12)：34-38.

[35]朱柳慧，盛戈皞，白万建，等.考虑热点温度的并列变压器经济安全优化运行策略[J].电力自动化设备，2013，33(10)：95-100.

[36]蔡超，陈博，袁傲，等.电磁混合式高铁供电系统负序优化补偿方法[J].电工技术学报，2014，28(5)：265-272.

[37]朱小军，张丽艳，徐瑞林，等.某牵引变电所动态无功补偿改造方案[J].电力系统及其自动化学报，2014，26(2)：71-76.

[38]张志文，黄际元，罗隆福，等.高速电气化铁路负序和谐波统一治理方法[J].电机与控制学报，2013，17(8)：22-29.

[39]李爱春，潘非.浅析如何通过优化电力调度实现电网经济运行[J].能源与节能，2013(5)：26-27.

[40]刘博，杜云珍.探讨如何优化电力调度实现电网的经济运行[J].电源技术应用，2013(12)：100.

[41]黄小红，李群湛，杨乃琪，等.同相牵引供电系统控制策略研究及仿真分析[J].电力自动化设备，2014，34(1)：43-47.

[42]张丽艳，李群湛，易东，等.同相供电系统潮流控制器容量的优化配置[J].电力系统自动化，2013，37(8)：59-64.

Safe and economic operation of traction transformer considering control methods

Traction transformer was the key part of the traction power supply system,which running states whether healthy or not would determine the security and reliability,the power quality and economic efficiency of traction power supply,simultaneously affected the power quality of the power system.Then,comprehensive exposition and analysis was given, including our research and development, application status and existing problems of the traction transformer,which from security and protection,online monitoring and fault diagnosis,economic operation and control,etc.Finally,a major development direction of electrified railway traction power supply technology was given that studying the traction load characteristics and power flow distribution thoroughly,optimizing the operation mode, protection configuration and capacity legitimately selecting, exploring the possible implementation methods of co-phase traction power supply strategy,and building a strong traction power supply systems supported by intelligent monitoring network.It could be used to promote safe and economical operation of traction transformer effectively.

traction transformer;security and protection;online monitoring;economic operation;electrified railway

TM 922

A

1002-087 X(2016)03-0746-03

2015-10-30

宁夏自然科学基金资助项目(NZ12139)

赖惠鸽(1971—)，女，浙江省人，教授，主要研究方向为电工技术、铁道电气自动化。