电气化铁路组合式同相供电经济性分析*

王雅婷

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所， 北京 100081)

我国电气化铁路牵引供电系统采用单相工频交流制。牵引负荷为单相负荷，对于三相电力系统来说是不平衡负载。为了减少单相负荷对电力系统三相不平衡的影响，牵引供电系统采用轮换接入电力系统三相的方式，即每个供电臂取用电力系统电压相别是不同的(也称换相连接)，异相分段供电导致了电分相的存在，严重影响了列车运行速度和运输能力。目前解决电分相的方式主要包括自动过分相技术和同相供电技术。自动过分相技术主要包括地面自动过分相和车载自动过分相。自动过分相技术从本质上看是减少了列车通过电分相时的断电时间，未从根本上解决电分相问题。目前国内对同相供电技术研究比较深入，技术方案多样。同相供电不仅能够解决牵引供电系统中电分相问题，而且同时可改善了电能质量问题[1-2]。文中主要针对组合式同相供电的经济性进行研究，说明组合式同相供电对于异相分段牵引供电在经济方面的优势。

1 组合式同相供电技术

同相供电是指在全线上的不同牵引变电所采取相同相位供电的单相供电方式，贯通同相供电可最大程度的消除电分相。同相供电由于全线接触网的供电频率和相位相同，各牵引变电所不再轮换相序。由于单相牵引负荷在电力系统中引起的负序电流将会导致三相不平衡，因此须设置同相补偿装置，以消除负序电流，使三相电压不平衡度满足国标。同相供电的基本构成如图1所示，如采用贯通式同相供电，也可取消牵引变电所之间的电分相。

取消变电所处电分相有多种方案，主要包括基于对称补偿同相供电方案、基于三相-两相变压器的有源补偿方案、组合式同相供电方案、全交直交牵引变电所方案等。其中以组合式同相供电方案在技术和经济方面均具有优势。文中针对组合式同相供电方案进行分析。下面简要介绍组合式同相供电原理。组合式同相供电分为单三相组合式同相供电和单相组合式同相供电。

图1 同相供电系统示意图

1.1 单三相同相供电技术

单三相组合式同相供电以牵引变电所的牵引变压器接线方式中最简捷、最经济的单相牵引变压器为基础，配以适量的同相补偿装置，达到取消牵引变电所出口处电分相以消除供电瓶颈，治理负序以满足三相电压不平衡度(负序)限值的电能质量要求，实现牵引变电所接线方式和供电装置容量的最佳匹配。单三相组合式同相供电原理图如图2所示。

图2中，TT为单相牵引变压器，CPT为YNd11接线方式的补偿变压器，CPD为同相补偿装置。单相牵引变压器TT与YNd11接线补偿变压器等效于一台次边电压相位垂直的平衡变压器。牵引变压器TT和补偿变压器CPT及其同相补偿装置CPD一道给牵引网供电。同相补偿装置中的交直交变流器，即通过直流储能电容连接的背靠背静止无功发生器(SVG)。正常时，牵引变压器和补偿变压器及其同相补偿装置工作；同相补偿装置退出运行时，牵引变压器可以单独工作。当牵引负荷功率小于等于同相补偿装置容量的2倍时，负序电流得以完全补偿，由此引起的三相电压不平衡度为零；当牵引负荷功率大于同相补偿装置容量的2倍时，补偿变压器按同相补偿装置的容量供给，其余部分由牵引变压器供给，同相补偿装置容量设置应使此时剩余负序电流引起的负序电压满足国标要求。同相补偿装置还具有无功补偿的功能，可在牵引供电系统功率因数低时投入使用。

图2 单三相组合式同相供电原理图

1.2 单相组合式同相供电

单相组合式同相供电与单三相组合式同相供电在结构上的区别只在于高压匹配变压器采用了单相接线。高压匹配变压器和牵引变压器的原边构成了Scott接线平衡变压器。单相组合式同相供电的原理图如图3所示。

图3 单相组合式同相供电原理图

图3中TT为牵引变压器， CPD为同相补偿装置，同相补偿装置由高压匹配变压器HMT、交直交变流器ADA、牵引匹配变压器TMT组成。牵引变压器TT计算容量大于同相补偿装置CPD的计算容量。

两种方案各有特点：单三相组合式同相供电方案中高压匹配变压器可提供中性点，可实现大电流接地；YNd11接线可提供三相对称电源；而单相组合式同相供电方案中变压器容量利用率高，并且单相牵引变压器和单相高压匹配变压器具有共箱布置的可能，可减少设备总数和占地等。

1.3 组合式同相供电优势

组合式同相供电的优势包括：

(1) 传统同相供电方案利用平衡变压器的自有平衡变换能力，需要同相补偿装置的容量为牵引负荷容量的一半左右。而对组合式同相供电而言牵引负荷与同相补偿装置容量的关系为：牵引负荷计算容量=牵引变压器TT计算容量+同相补偿装置CPD计算容量。所以组合式同向供电可以最大程度减少价格昂贵的同相补偿装置中交直交变流器的容量及其所占比重，有效减少同相供变电装置的一次性投资。

(2) 牵引变压器和同相补偿装置的新式组合，提高了牵引变电所运行的灵活性。补偿变压器或同相补偿装置退出运行时，牵引变压器可以短时单独工作，备用牵引变压器亦可替代牵引变压器工作，并可以取消牵引变电所出口处的电分相环节。

(3) 补偿变压器采用YNd11标准接线，便于制造，同时原边可以实施大电流接地，次边三相绕组还可提供三相对称电源给所用电。

(4) 各种运行方式下均不影响铁路运输，安全可靠。若单相牵引变压器失效，则投入备用变压器；若同相补偿装置发生故障，单相牵引变压器也能满足短时铁路运输的供电要求。同相补偿装置配备完备的内部保护和系统保护，并能与既有牵引供电设备实现良好配合。

综上所述，组合式同相供电方案摆脱了基于三相两相牵引变压器的同相供电方案在牵引供电需求和电能质量国家标准限制两者间的捆绑式束缚，在取消变电所出口处的电分相的同时优化了系统方案，可以使单相牵引变压器(主变)根据牵引负荷、同相补偿装置根据电压不平衡度的电能质量要求自由发挥，达到牵引变压器容量利用率最大化、同相补偿装置容量最小化等优化指标，适合高速铁路、重载铁路、长大坡道处电分相等情形。

2 经济性分析

2.1 设备投资

传统分段供电的设备投资主要有自动过分相装置和综合补偿装置。组合式同相供电的设备投资主要为同相补偿装置。

(1) 自动过分相装置

现有的自动过分相装置有3种技术方案： ①地面开关自动切换方案；②车上自动控制断电方案；③柱上开关自动断电方案[3-4]。国内主要采用地面自动过分相装置和车载自动过分相装置。目前平均一套地面自动过分相装置的费用约为300万元[5]。在采用车载自动过分相装置的情况下，每辆机车的花费将增加10万元。

(2) 异相分段供电的综合补偿装置

近年来，SVC装置的建造安装等一次性投资约为150元/kVar，假设采用异相分段供电时，需要配备总容量为S1kVar的SVC装置，则在SVC装置上的一次性投资为：

X2=150S1(元)

(1)

(3) 组合式同相供电的同相补偿装置

同相补偿装置是组合式同相供电的主要投资，而交直交变流器是同相补偿装置中最昂贵的部分。同相补偿装置的建造安装等一次性投资约为1 500元/kVar，若采用组合式同相供电，同相补偿装置的总容量为S2Var，则同相补偿装置上的一次性投资为：

X3=1 500S2(元)

(2)

根据上面对采取两种供电方式的分析可知采用组合式同相供电增加的一次性投资为：

X3-X2-X1=1 500S2-150S1-X1(元)

(3)

2.2 组合式同相供电的运营经济效益

(1) 节省固定容量电费

同相供电将异相供电牵引变电所出口处的两侧供电臂合为一个供电臂。所以牵引变电所的母线有效电流将会减小。因此同相供电减小了牵引变电所变压器的容量。每个供电臂负荷一定的情况下牵引变压器的安装容量可适当降低。电力部门对铁路实行两部制电价，分为基本电价和电度电价。基本电价是根据牵引变电所变压器的安装容量确定的，所以安装容量的大小就决定了电费多少。同相供电减少了变压器的安装容量，所以可以减少每年铁路部门上交的基本电费。

采用组合式同相供电牵引变压器的安装容量可减少S3kVA。两部制电价中的基本电价暂按25元/kVA月，则每年节省的固定容量电费为：

X4=12×25S3=300S3(元)

(4)

(2) 再生制动能量利用率

组合式同相供电取消了牵引变电所出口处的电分相，将异相分段供电的两个供电臂合为一个供电臂，延长了供电臂长度，提高了再生制动电力机车和牵引机车在同一供电臂上的概率。大大提高了再生制动能量的利用率。组合式同相供电的再生制动能量利用率可到10%左右。再生制动能量利用率的提高对用电量有了很大的节省，若将组合式同相供电应用于繁忙的大运量线路段，再生制动能量的利用的经济效益相当可观。假设再生制动能量利用率提高产生的经济效益为X5。

(3) 提高运输能力

组合式同相供电取消了不同牵引变电所之间和牵引变电所出口处的电分相，使列车不再断电惰性通过分相区，保证了列车的高速运行。尤其是在大长坡的上行阶段，避免了列车速度和牵引力的损失。有利于机车运行速度的提高和牵引力的发挥。节省了列车的运行时间，增加了列车的运行密度，提高了铁路部门运输线路的经济效益。例如文献[6]针对实例计算得到每年可产生的经济效益为2 585万元。但由于增加列车开行车辆受影响因素较多，文中暂不考虑这部分经济效益。

2.3 回收年计算

每年组合式同相供电产生的经济效益为：

X4+X5+X6=300S3+X5

(5)

则组合式同相供电的回收年为：

(年)

(6)

X1为自动过分相装置的投资。

2.4 实例评估

本部分以实际线路为例，计算分别改造为组合式同相供电后，多出的一次性投资的回收年。由于某些数据无法收集，所以计算回收年时只考虑了同相供电装置成本、自动过分相装置成本、异相分段供电补偿装置成本、固定容量电费、再生能量等几个重要的因素，其余的因素忽略未作考虑。

该线共设3个牵引变电所，原牵引变压器容量和改造为组合式同相供电后的牵引变压器容量见表1。

表1 两种供电方案牵引变电所容量 MVA

根据计算，3个牵引变电所共需设置18 MVA的同相供电装置。对组合式同相供电而言牵引负荷计算容量=牵引变压器TT计算容量+同相补偿装置CPD计算容量。

同相供电装置以1 500元/kVA计算[6]。牵引变电所基本电费以25元/kVA·月计算。

根据表格1可知，同相供电总计节省变压器容量为17 MVA，安装容量为39 MVA。根据式(4)可算出每年节省固定容量电费可达448.8万元。根据式(2)可计算出同相供电装置的一次性投资为2 700万元。异相分段供电方案下自动过分相装置费用总计900万元。异相分段供电补偿装置为SVC，补偿容量为9.2 MVA。

根据经验牵引变电所能量反馈率约2.5%。按改造后总安装容量39 MVA、平均负荷率25%、牵引变电所能量反馈率2.5%、反馈能量回收利用率80%、电度电费0.643元/kWh计，则可使3座变电所共减少电度电费110万元/年。

根据前面的分析可知改造为同相供电后一次性投资增加费用为1 662万元。而每年节省的电费总计为620万元。根据式(6)可算出回收年为2.7年。即接近3年的时间便可收回其多支出的一次性成本。此后每年只在电费方面即可节省620万元。经济效益相当可观。

3 结 论

在讨论组合式同相供电经济性时分为一次性投资和运营经济效益两个方面。组合式同相供电的一次性投资主要为同相供电装置。从固定容量电费、运输能力、再生制动能量利用率几个方面分析了组合式同相供电的运营经济效益：

(1) 组合式同相供电能最大限度减少同相供电装置容量，降低设备一次性投资，缩短回收年。

(2) 通过实例计算结果说明，在不考虑运能增加产生的经济效益情况下，同相供电设备投资回收年约为3年。

[1] 李群湛，贺建闽．牵引供电系统分析[M]．成都：西南交通大学出版社， 2012.

[2] 李群湛，贺建闽，解绍锋．电气化铁路电能质量分析与控制[M]．成都：西南交通大学出版社， 2012.

[3] 谢兴中．电力机车过分相问题的探讨[J]．上海铁道科技，2008 (1)： 1-3.

[4] 马水平，路延安，钮承新，等．电力机车自动过分相装置的研究与应用[J]．电气化铁道，2004 (3)：15-17.

[5] 祁忠永．电气化铁路同相供电方案及经济性分析[J]．电气化铁道，2013 (004)：23-26.

[6] 陈民武，李群湛，魏 光．新型同相牵引供电系统设计与评估[J]．中国铁道科学, 2009，30(5)：76-82.

[7] 郭尽朝．同相供电技术在神朔铁路的应用前景研究[J]．机车电传动，2013 (4)：47-50.

[8] 陈民武．牵引供电系统优化设计与决策评估研究[D]．成都：西南交通大学，2009.

[9] 郭积晶．同相供电系统的损耗测量与分析[D]．成都：西南交通大学，2013.

[10] 方 华．同相牵引供电方案的综合优选[D]．成都：西南交通大学， 2012.

[11] 周福林．同相供电系统结构与控制策略研究[D]．成都：西南交通大学， 2012.