吉衡线车站信号主备用电源电压差原因分析及解决方案

罗瑞忠，刘承国

0 引言

2020年3月1日15：43，吉衡线戊站全站停电。检查发现信号电源开关箱主、备用（Ⅰ、Ⅱ路）电源的空气开关烧坏，信号主、备用电源同相存在超过200 V的电压差，严重超过TB/T 1528.1—2018《铁路信号电源系统设备 第1部分：通用要求》中关于“两路电源电压差不得超过30 V”的规定[1]。分析认为，由于信号两路电源同相存在较大电压差，电务电源屏在切换过程中造成两路电源并网短路，烧坏了空气开关，并使0.4 kV电源开关全部跳闸。

本文将对此进行调查分析，找出两路电源同相电压差较大问题的根源并进行调整，以解决两路电源同相电压差的问题。

1 现状调查

吉衡线全线设10 kV电力贯通线1条。全线各站均在贯通线上接引10/0.4 kV变压器，经降压后向信号设备供电，作为信号主用电源；同时就近接引一路地方10 kV综合电源，也采用10/0.4 kV变压器，经降压后作为信号备用电源；铁路10 kV配电所所在车站由配电所接引一路综合电源。供电示意图如图1所示。

图1 吉（安）衡（阳）线供电示意图

2020年3月1日吉衡线戊站发生停电故障后，供电管理部门对管辖范围内的吉衡线9个车站主、备用电源电压情况进行了全面检测，线电压测量数 据如表1所示。

表1 贯通和综合电源线电压测量记录 V

由表1可以看出，有4个站的综合电源与贯通电源同相电压差小于30 V，有5个站的电压差超过了200 V。用相位伏安表测量上述5站两路电源相序一致，同相相位差接近60°。

贯通与综合10/0.4 kV变压器联接组别均为Dyn11，配电所10/10.5 kV贯通调压变压器的联接组别为Yyn0。经了解，自吉衡线开通以来，曾多次发生设备烧损事件。

2 计算校核相位差[2]

三相交流电力系统中的电力变压器的绕组有星形和三角形两种联接方式，由于绕组联接方式不同而产生不同的联接组别。一般认为：由于从发电厂到用户经过了多次的电压变换，很有可能因变压器的联接组别选择不当造成用户低压两路电源出现相位差，按照变压器相位变换规则，两路电源的相位差一般为30°的整数倍。

下文以戊站为例计算两路电源的相位差。根据线电压与相电压的关系，计算各电源的相电压：

贯通电源低压侧的相电压Ua=Ub=Uc=Uab/= 378/= 219.4（V）

综合电源低压侧的相电压Ual=Ubl=Ucl=Ualbl/= 398/= 229.8（V）

以贯通电源A相初始角为0°，综合电源A相初始角为ψ，写出贯通和综合电源的有效值相量为

绘制贯通电源向量图（如图2实线部分），其中o、a两点之间的距离为219.4；再分别以o、a为原点（不考虑电源中性点o点漂移），以半径分别为229.8和213作圆，两圆相交于a1和a2点（以a1为例进行计算），连接oa1即为综合电源Ual，其与Ua的夹角为ψ。补全综合电源向量图，如图2虚线部分。

图2 贯通与综合电源低压向量图

已知三角形三边长，利用余弦定理计算ψ，即

由式（1）可解得ψ= 57°，即综合电源与贯通电源相位相差57°，综合电源滞后贯通电源（如以a2进行计算仍相差57°，只是综合电源超前贯通电源，不影响计算结果）。

同理可计算乙、丙、己、辛站综合电源与贯通电源相位分别相差59°、55°、60°、57°。

通过上述计算，5站主备用电源相位差约为60°，与测量结果一致。

3 原因分析

吉衡线地处湖南较偏僻地区，地方供电主要有110 kV和35 kV两种变电站，铁路10 kV配电所的10 kV电源和甲、戊站的综合电源均引自地方110 kV变电站，其余3站的综合电源引自35 kV变电站。地方110 kV变电站主变一般采用三绕组变压器，电压比为110/38.5/10.5 kV，联接组别为Yn0/yn0/d11；35 kV变电站主变为双绕组变压器，电压比为35/10.5 kV，联接组别为Dyn11，其35 kV电源从110 kV变电站引接。

变压器联接组别的表示方法[3]：大写字母表示一次侧（或原边）的接线方式，小写字母表示二次侧（或副边）的接线方式。Y（或y）为星形接线，D（或d）为三角形接线。数字采用时钟表示法，用于表示一、二次侧线电压相位关系，一次侧线电压相量作为分针，固定指在时钟12点位置，二次侧的线电压相量作为时针。Yy联接组号有0、2、4、6、8、10共6个，Yd联接组号有1、3、5、7、9、11共6个。变压器联接组别中组号数字“0”表示一、二次侧线电压同相，“11”表示二次侧的线电压相量在时钟的11点位置，即二次侧的线电压超前一次侧线电压30°（或滞后330°）。从地方变电站的变压器联接组别分析得出，110 kV和35 kV同相位，不论是从110 kV变电站还是35 kV变电站引出的10 kV电源均超前110 kV和35 kV电源30°，即地方电力部门提供的各站综合10 kV电源和配电所电源相位一致。因此，上述5站主备用电源相位差60°不是由于变压器变换引起，从5个车站的综合电源分别引自110 kV和35 kV变电站也证明地方供电10 kV电源不存在相位差。

从变压器的联接组别分析，10 kV综合电源应与贯通线相位一致，下文分析两路低压电源为何存在60°的相位差。联接组别为Dyn11和Dyn1的变压器接于同一10 kV电源时，其低压侧出现60°的相位差。从两种变压器的高、低压线圈的端子连接及向量图可以看出（如图3所示），两种变压器只是改变了高压侧的线圈连接顺序，以对应低压a相为例，在Dyn11型变压器中对应的高压侧线圈是AX(B)，而在Dyn1型变压器中对应高压侧线圈是AX(C)，从向量图中可以看出两者低压相差60°。即对于Dyn11的变压器，其10 kV侧是正相序还是反相序接线将造成低压侧同相相位相差60°。进一步巡查发现，该5站10 kV综合电源是从附近的地方10 kV供电线架空“T”接至车站附近，再经电缆接入箱变，在接线时将10 kV高压A、C相接反，形成反相序。

图3 两种变压器接线及向量图

《铁路电力管理规则》对用户受电端电压波动幅度有±7%的上限要求，但未对双电源用户的相序、相位作出规定[4]，铁路供电工作人员对双电源电压差普遍存在认知上的不足，在吉衡线施工时未核对10 kV高压相序、相位，盲目接线造成综合电源与贯通电源的高压侧反相序，使信号专业两路低压电源出现60°相位差，出现大于200 V的电压差。

4 解决方案

（1）对相位差通常可采用更换变压器予以解决，本案可定制联接组别为Dyn1的变压器，更换其中1台即可解决，但存在变压器一旦出现故障则无备用变压器可替换等问题。

（2）根据前文原因分析得知，变压器10 kV反相序接线将造成低压相位相差60°，因此可以改变变压器的外部接线来解决60°相位差的问题。将引入综合电源变压器的10 kV电缆倒换两相（如A、C相），高压倒换后低压则呈反相序，此时将对应的低压侧两相倒换，即解决了相位差问题（如图4所示）。通过对吉衡线5站综合电源变压器的高低压接线进行调整，两路电源同相电压差均低于15 V，解决了两路电源同相存在较大电压差的问题。

图4 Dyn11的变压器改变外部接线及向量图

5 结语

对于大电网（不含未并网的小水电，存在频率差）提供的两路电源，变压器联接组别选择正确，可以将用户低压两路电源的同相电压差控制在30 V以内。相位相差30°时可将其中一台变压器更换为合适联接组别的变压器，相位差达60°时可将变压器高压侧调整两相接线（改为反相序），对应低压侧两相同步更改即可。在施工及验收时，对双电源用户应加强电源相序、相位的检测，两路电源电压差较大时应认真分析是变压器联接组别问题还是接线问题，对应进行调整，确保设备运行安全。