城市軌道交通供電系統(tǒng)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析

李建民，董奇志，張志軍，張?zhí)焱?/p>

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052)

道交通的初期、近期、遠(yuǎn)期電力負(fù)荷及容量，根據(jù)這三個(gè)表，分別計(jì)算出了其負(fù)荷率。由表1、2可以看出，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，每個(gè)變壓器的負(fù)荷率都達(dá)不到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的條件，因此它們的功率因數(shù)都比較低，容量沒(méi)有得到充分的發(fā)揮，這也是符合設(shè)計(jì)的規(guī)律和要求的，即要滿(mǎn)足未來(lái)發(fā)展的需要。但是針對(duì)這種情況，運(yùn)營(yíng)部門(mén)就必須進(jìn)行科學(xué)的管理和調(diào)度，彌補(bǔ)這種不足。

主變電所

0 概況

城市軌道交通供電系統(tǒng)主變電所的作用是將城市電網(wǎng)的高壓(110kV或220kV)電能降壓后以相應(yīng)的電壓等級(jí)(35kV或10kV)分別供給牽引變電所和降壓變電所。為保證供電的可靠性，一般設(shè)置兩座或兩座以上主變電所。主變電所由兩路獨(dú)立的電源進(jìn)線(xiàn)供電，內(nèi)部設(shè)置兩臺(tái)相同的主變壓器。根據(jù)牽引負(fù)荷容量和動(dòng)力負(fù)荷容量的大小情況不同，主變壓器可采用三相三繞組的有載調(diào)壓變壓器，也可用雙繞組的變壓器。

由于城市軌道交通供電系統(tǒng)的特殊性，一般根據(jù)初期、近期、遠(yuǎn)期規(guī)劃，根據(jù)負(fù)荷的大小進(jìn)行計(jì)算得到的容量，都有一定的裕量。運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行部門(mén)也很少考慮變壓器的損耗，僅根據(jù)變壓器的承載能力來(lái)決定變壓器的運(yùn)行方式，這就造成相當(dāng)大的損耗。根據(jù)對(duì)主變電所變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件的分析，提出主變電所經(jīng)濟(jì)和牽引變電所運(yùn)行方案，能夠降低損耗，以最小的電能消耗取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件

所謂的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行就是在滿(mǎn)足負(fù)荷要求的情況下，盡量減少系統(tǒng)的各種損耗。因此，要找出變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件，就必須從分析變壓器的功率損耗入手。當(dāng)然，由于變電站所供電負(fù)荷的性質(zhì)不同，其負(fù)荷率變動(dòng)情況亦不同，尋求變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式即是尋求在同一負(fù)荷情況下，損耗最小、綜合經(jīng)濟(jì)效益最佳的運(yùn)行方式。同時(shí)還要確保變壓器的安全運(yùn)行，避免變壓器的頻繁倒閘操作，而且也不能單以降低變壓器的有功損耗或者無(wú)功損耗為目的，而應(yīng)以降低系統(tǒng)的整體損耗為目的。盡管如此，變壓器功率損耗畢竟是分析經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件的基礎(chǔ)。

根據(jù)變壓器功率損耗，得到:

單臺(tái)變壓器運(yùn)行:

兩臺(tái)變壓器并列運(yùn)行(設(shè)兩臺(tái)變壓器運(yùn)行負(fù)荷隨容量的大小正比分配):

式中:P01和P02分別為變壓器空載損耗，均為P0;

SSJ為變壓器的實(shí)際負(fù)荷;

SN為變壓器額定容量;

Pd1和Pd2為變壓器短路損耗，均為Pd。

對(duì)于城市軌道交通供電系統(tǒng)，因?yàn)橐话氵x擇的變壓器的容量大小和基本參數(shù)都一樣，因此兩臺(tái)變壓器并列運(yùn)行的功率損耗為:

其中:

SSJ為實(shí)際全負(fù)荷，kVA;SN為一臺(tái)變壓器的額定容量，kVA;ΔP0為變壓器空載時(shí)的總損耗。P0為變壓器空載時(shí)有功損耗，近似為鐵損kW;Q0為變壓器空載時(shí)無(wú)功損耗kVar;I0%為變壓器空載電流;ΔPd為變壓器一定負(fù)載下的總損耗;Pd為變壓器短路有功損耗，也稱(chēng)銅損 kW;Qd變壓器短路無(wú)功損耗kVar;Ud%為變壓器阻抗電壓;K為無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，按變壓器在電網(wǎng)中的位置取值，一般可取 K=0.1kW/kVar。

空載損耗是只與變壓器鐵芯相關(guān)的常數(shù)，它不隨變壓器負(fù)載的變化而變化。而負(fù)載損耗則為變壓器繞組中的銅線(xiàn)圈電流損耗，根據(jù)P=I2R，與負(fù)載電流的平方成正比。I0%、Ud%為變壓器一個(gè)固定參數(shù)，它們由變壓器銘牌或變壓器技術(shù)參數(shù)說(shuō)明書(shū)提供，故變壓器損耗主要受負(fù)荷變化影響的銅耗決定。

根據(jù)分析:從(1)式可以看出，變壓器功率損耗ΔP是一個(gè)以實(shí)際負(fù)荷SSJ為參數(shù)的二次函數(shù)，該函數(shù)是一個(gè)開(kāi)口向上的拋物線(xiàn)，且SN越小，開(kāi)口越小，ΔP0越大，也就是損耗越高。因此容量的選擇，對(duì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著非常重大的影響。對(duì)于同樣的實(shí)際負(fù)荷，所選擇的變壓器容量越高，它的損耗就越高。所以在今后的容量選擇時(shí)，還必須考慮容量對(duì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響。

2 運(yùn)行方式的選擇和分析

城市軌道交通供電系統(tǒng)主變電所并列運(yùn)行的兩臺(tái)變壓器型式和容量相同，不同負(fù)荷時(shí)，投入變壓器的臺(tái)數(shù)是不一樣的。特別是在初期、近期、遠(yuǎn)期時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇不同的運(yùn)行方式。

對(duì)于兩臺(tái)變壓器并列運(yùn)行，只要同一負(fù)荷下，計(jì)算出兩臺(tái)變壓器在單獨(dú)和并列運(yùn)行時(shí)的損耗的差異，就可以推算出在各種負(fù)荷時(shí)最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式，就可以決定是單獨(dú)運(yùn)行，還是并列運(yùn)行。那么以它們兩個(gè)具有相同的損耗為分析的臨界點(diǎn)。

對(duì)于主變電所，已知條件如下:SN=31.5MVA，負(fù)載損耗不大于130kW，空載損耗不大于21kW，因此按要求可以得到如下的實(shí)際SSJ的范圍:

也就是說(shuō)當(dāng)負(fù)荷大概大于0.568Se應(yīng)兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行，這一數(shù)據(jù)應(yīng)根據(jù)具體所選擇變壓器的負(fù)載損耗和空載損耗數(shù)值代入進(jìn)行計(jì)算，上述結(jié)果僅是一個(gè)基本要求下的結(jié)果。

下面是一個(gè)實(shí)例分析。表1、2、3列出了這段軌A B C

道交通的初期、近期、遠(yuǎn)期電力負(fù)荷及容量，根據(jù)這三個(gè)表，分別計(jì)算出了其負(fù)荷率。由表1、2可以看出，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，每個(gè)變壓器的負(fù)荷率都達(dá)不到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的條件，因此它們的功率因數(shù)都比較低，容量沒(méi)有得到充分的發(fā)揮，這也是符合設(shè)計(jì)的規(guī)律和要求的，即要滿(mǎn)足未來(lái)發(fā)展的需要。但是針對(duì)這種情況，運(yùn)營(yíng)部門(mén)就必須進(jìn)行科學(xué)的管理和調(diào)度，彌補(bǔ)這種不足。

主變電所

表1 初期高峰小時(shí)主變電所負(fù)荷

表2 近期高峰小時(shí)主變電所負(fù)荷

表3 遠(yuǎn)期高峰小時(shí)主變電所負(fù)荷

根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，當(dāng)負(fù)荷率小于56.8%，應(yīng)該一臺(tái)運(yùn)行，而另一臺(tái)備用較為經(jīng)濟(jì)。為達(dá)到合理使用設(shè)備的目的，要采用交替運(yùn)行，定期切換的形式。不是到故障的時(shí)候才采取這種運(yùn)行方式，而是主動(dòng)通過(guò)電力調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)管理，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。對(duì)于遠(yuǎn)期、近期負(fù)荷，采用并聯(lián)運(yùn)行，比單機(jī)運(yùn)行要經(jīng)濟(jì)得多。

同樣可以分析近期負(fù)荷和遠(yuǎn)期負(fù)荷。

3 經(jīng)濟(jì)分析

表4 初期不同運(yùn)行方式下的功率損耗對(duì)比

一年三個(gè)主變電所共節(jié)省745.27×365=272023.55kW·h。如果按每度0.56元計(jì)算，可減少電費(fèi)支出:272023.55kW·h×0.56=152333元。也就是說(shuō)一年可以減少15萬(wàn)多元的電費(fèi)支出。這對(duì)城市軌道交通來(lái)說(shuō)，是十分可觀(guān)的。因?yàn)槌鞘熊壍澜煌ū旧砭褪且粋€(gè)帶有公益性質(zhì)的低效益、高社會(huì)影響度的企業(yè)，能夠挖掘出其潛在的效益，對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著極其重要的意義。

同樣可以分析近期和遠(yuǎn)期不同運(yùn)行方式下的功率損耗對(duì)比，而且其節(jié)能效果更為明顯。

4 運(yùn)行方式的實(shí)現(xiàn)

由上述綜合分析，對(duì)于主變電所初期、近期和遠(yuǎn)期運(yùn)行模式的選擇一般依據(jù)以下原則:初期采用一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用的模式。而近期和遠(yuǎn)期采用并聯(lián)運(yùn)行模式。也就是說(shuō)在變壓器正常的情況下，兩臺(tái)都投入工作。只有在故障的時(shí)候，也就是說(shuō)一臺(tái)變壓器解列的時(shí)候，才采取單機(jī)運(yùn)行模式。此時(shí)為保證正常供電，需要切除故障設(shè)備和三級(jí)負(fù)荷，確保牽引負(fù)荷的需求。

此外，從表中還可以看出:A所初期的牽引負(fù)荷8215kVA，近期牽引負(fù)荷16431kVA，遠(yuǎn)期牽引負(fù)荷22406kVA，相差很大，初期A所的牽引負(fù)荷僅是遠(yuǎn)期牽引負(fù)荷的36.66%。因此對(duì)于牽引變電所的整流變壓器而言，其運(yùn)行模式的選擇對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響就更大。同樣依據(jù)上述的分析方法，可以進(jìn)行定量的分析。

整流變壓器的損耗由空載損耗和短路損耗構(gòu)成。在初期，牽引負(fù)荷較小，單臺(tái)整流機(jī)組即可滿(mǎn)足運(yùn)行要求，雖然單臺(tái)整流機(jī)組運(yùn)行時(shí)，諧波含量增大，但由于負(fù)荷小，產(chǎn)生的諧波也較小，仍能滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)的要求。由于初期負(fù)荷較小，如采用整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行方式，整流機(jī)組的負(fù)荷大部分時(shí)間都將低于30%(高峰小時(shí)僅占36.66%)，整流器基本工作在推挽狀態(tài)，初期采用單臺(tái)整流機(jī)組運(yùn)行，整流機(jī)組的負(fù)荷將遠(yuǎn)高于30%，不會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象;在經(jīng)濟(jì)上，由于整流變壓器負(fù)荷小，空載損耗占較大比重，單臺(tái)整流機(jī)組運(yùn)行將比兩臺(tái)整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)。根據(jù)初步計(jì)算，單臺(tái)整流機(jī)組運(yùn)行時(shí)的損耗只是兩臺(tái)整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行損耗的60%。按此推算，初期如采用單臺(tái)整流機(jī)組運(yùn)行，將比采用兩臺(tái)整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行節(jié)省可觀(guān)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。運(yùn)營(yíng)管理部門(mén)必須對(duì)此引起足夠的重視。

通過(guò)上述分析，可以知道:對(duì)于城市軌道交通，由于其一旦建成，更改的可能性和費(fèi)用很高，因此需充分考慮未來(lái)的需求，也就是長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃的目標(biāo)。而這樣做，對(duì)于其供電系統(tǒng)，往往造成近期發(fā)揮不了其設(shè)計(jì)能力的問(wèn)題，會(huì)造成一定的浪費(fèi)。因此運(yùn)營(yíng)部門(mén)就必須采取措施，加以改善。而采取科學(xué)合理的變壓器運(yùn)行模式，可以大大解決這一問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)初期、近期和遠(yuǎn)期的協(xié)調(diào)一致。

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