贯通式同相供电方案优化设计

蒋 俊，解绍锋，李销键，周彤昕



贯通式同相供电方案优化设计

蒋 俊，解绍锋，李销键，周彤昕

贯通式同相供电采用单相供电，变电所内采用的结构为牵引变压器+同相供电补偿装置，取消了牵引变电所出口处和牵引网上的电分相。贯通供电时，相邻变电所可以同时向牵引网内的机车供电。本文分析了牵引变电所近期和远期的可靠性，比较了备用度不同时牵引供电系统在可靠性方面的差异。进一步分析满足双边供电时，2个和3个变电所上分流系数和牵引网上的功率损耗变化情况，最后得出贯通式同相供电补偿装置的控制策略。

同相供电；可靠性分析；双边供电；贯通式同相供电

0 引言

目前，我国电气化铁路采用单相工频交流制式，牵引负荷的非线性特性导致变电所需要采用换相连接来降低三相不平衡度。同时牵引变电所出口和分区所处设置了电分相，列车经过电分相时造成列车速度和牵引力损失，这不仅不利于司机的操作，也严重影响和制约我国铁路行业的发展。本文主要研究优化牵引变电所组合式同相供电方案，取消变电所出口处的电分相，减少负序。采用贯通式同相供电方案能最大限度地减小牵引变压器容量，提高牵引供电系统可靠性，节约供电系统的投入资金。

1 牵引变电所同相供电技术综述

1.1 既有同相供电方案

我国电气化铁路从三相电力系统取电输送到牵引变电所，采用50 Hz单相交流电供电。分区所的设置目的是使机车在牵引网中更加灵活可靠的运行，电分相一般设置在变电所出口处和牵引网上。图1为既有供电系统结构示意图。

图1 既有供电系统结构

1.2 组合式同相供电方案

组合式同相供电是在变电所内采用单相牵引变压器+交直交变流器组合的一种供电方式。

单相组合式同相供电系统主要由单相变压器和同相供电补偿装置构成，如图2、图3所示。其中，同相供电补偿装置CPD由高压匹配变压器HMT、交直交变流器ADA和牵引匹配变压器TMT三部分组成。其供电原理为：牵引变压器TT和高压匹配变压器HMT构成了一个不等边的Scott变压器，相当于是一种2端口供电容量电压幅值不相等，但电压相位相互垂直的特殊接线形式的平衡变压器。

图2 单三相组合式同相供电系统结构

图3 单相组合式同相供电系统结构

2 同相供电补偿装置容量的优化配置策略

/()系统含有个元件，当个元件有不少于个元件正常工作时，默认此时系统能正常工作。当出现故障元件数≤-时，系统能正常工作，当系统中故障元件数＞-时，系统不能正常工作，可以等效为/()模型。其中，一个元件正常工作的概率为，不能正常工作的概率为，设故障率为，可得= e-和= 1-e-。由/()可靠性模型分析法可以得到系统的可靠度为

2.1 未加同相供电补偿装置的变电所可靠性分析

本文研究采用/可靠性模型分析法。在变流器单元采用15级联的变流器模块级联的前提下，只要正常工作的变流器模块数量≥13个，则默认该变流器单元能正常工作（即13/15系统），进而可以得到整个变流器单元的可靠度1，可以绘制出相应的单个变流器单元可靠性曲线图，且可以看出不同年限可靠性的变化，如图4。其中，单个变流器单元的可靠度参数如表1所示。

表1 单个变流器单元的可靠度

2.2 牵引变电所近期和远期的可靠性分析

通过对实测统计数据计算，得到牵引变电所总容量为37 MV·A，其中牵引变压器的设计容量为25 MV·A，补偿装置的容量设为12 MV·A。在牵引变电所正常工作时，需要保证至少有2个变流器单元可正常工作。以下分别对2+2、3+1的变流器单元进行可靠性分析。

平均无故障工作时间为

（2）远期可靠性分析：同相供电补偿装置采用3个变流器单元工作，1个备用，即3/4系统，并且4个变流器至少要有3个能正常工作。其可靠度为

平均无故障工作时间为

由上述分析可知：在同等条件下，含同相供电补偿装置的供电系统可靠度更高，平均正常工作的概率更大。综合考虑供电系统的可靠性和经济性2个因素，在变电所中加装同相供电补偿装置更适合电气化铁路的长远发展。

3 贯通式同相供电系统补偿装置控制策略

本文研究的贯通式同相供电系统是由组合式同相供电技术结合新型双边供电技术构成。双边供电技术的运用使整条牵引网上电压相同，实现了整条线路上的贯通供电。图5为基于单三相贯通式同相供电系统结构图。

图5 基于单三相贯通式同相供电系统结构

图6 2个变电所分流系数变化曲线

运用Matlab计算分流系数以及列车与所离开的牵引变电所之间距离的关系。牵引变电所和分区所分别设置于= 0 km，= 25 km和= 50 km处（图7），可以得到3个变电所上的分流系数变化曲线（图8），且当串联不同的电抗器时，变电所上对应的分流系数变化也不同。

图7 3个变电所采用双边供电方案示意图

图7左边是3个变电所采用双边供电时的供电方案示意图，右边是其等效电路图。列车从第一个变电所行驶到第三个变电所，3个变电所上的电流分别为1、2和3，3个变电所上的分流系数分别为1p、2p和3p。

图8 3个变电所分流系数变化曲线

由图8的曲线可以看出，牵引变电所1的分流系数和变电所3的分流系数是关于50 km对称的，即列车运行到km处（0＜＜50）与列车运动到（100-）km处时，牵引变电所1和3的分流系数大小相同，且牵引变电所2的分流系数也是关于50 km对称的。

图9为变电所的功率损耗变化曲线图。由图9可知，牵引网上的功率损耗是一个从最大到最小再到最大的变化过程，机车在距变电所0 km和50 km处，功率损耗最大，为2.2 MV·A；当列车运行到分区所处，即25 km处时，牵引网上的功率损耗最小，为0.28 MV·A。

图9 变电所的功率损耗变化曲线

4 结论

（1）贯通式同相供电系统比异相供电牵引系统需要的变压器容量更小。

（2）对于异相供电而言，正常运行时，列车从距离最近的牵引变电所取电，当供电的变电所出现故障退出运行时，则距离较近的另一个变电所与出现故障的变电所之间的分区所连通为列车供电，从而保证列车的运行；贯通式同相供电时，牵引网上的列车从所有牵引变电所取电，并且保持“近者多分，远者少分”的原则，由于全线贯通供电，若靠近列车运行的变电所出现故障，则相当于为列车供电的最近2个变电所之间的牵引网变长，且邻近的牵引变电所提供更多的负荷功率，可见贯通式同相供电时容量分配更均匀。

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Single phase power supply is adopted for through co-phase power supply, the structure of traction transformer plus co-phase power supply compensation devices is adopted in substation, and phase breaks on exit of traction substation and on traction network are able to be cancelled. During through power supplying, the neighboring substations can feed power simultaneously to locomotives inside traction network. The paper analyzes short-term and long-term reliabilities of traction substation, compares differences on reliabilities of traction power supply systems for which different types of standby redundancy are provided. Further analyzing is made for current division factors of 2 or 3 substations and variations of power loss of traction network when requirements for bilateral power supply are met. The control strategies for through co-phase power supply compensation devices are obtained finally.

Co-phase power supply; reliability analysis; bilateral power supply; through co-phase power supply

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.008

U223.5+1

A

1007-936X(2017)05-0031-04

蒋 俊.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生，研究方向：牵引供电系统供电理论、电能质量与控制。解绍锋.西南交通大学电气工程学院，教授；李销键，周彤昕.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生。

2016-11-28