曹建設(shè)

(軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)， 710043， 西安∥高級工程師)

我國市域軌道交通發(fā)展迅速，對于發(fā)揮中心城市輻射帶動(dòng)作用及推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化發(fā)展起到了巨大作用。但由于初期軌道交通線網(wǎng)還不完善，與其他交通方式的接駁情況尚不理想，部分軌道交通線路開通初期客流量較小，行車密度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)的近、遠(yuǎn)期的行車密度，導(dǎo)致部分線路開通初期牽引變電所負(fù)載率過低，功率因數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到電力部門要求的0.9，地鐵運(yùn)營部門因此被電力公司罰款嚴(yán)重。

本文以某市域軌道交通線路的兩座牽引變電所為例，以現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究軌道交通負(fù)載率低對牽引變電所經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響。

1 某市域軌道交通牽引變電所現(xiàn)場測試

1.1 工程概況

某市域軌道交通線路采用單相工頻27.5 kV供電制式，兩座牽引變電所的牽引變壓器均采用一主一備，單臺運(yùn)行，安裝容量均為2×(20+20) MVA。為節(jié)省工程投資，1座牽引變電所解列時(shí)，按加大追蹤間隔考慮，主變電所未按照完全備用考慮。同時(shí)，為降低報(bào)裝容量和固定電費(fèi)，牽引變壓器容量按近期需要確定。該線路近、遠(yuǎn)期的設(shè)計(jì)列車對數(shù)為：近期55對/d，遠(yuǎn)期81對/d。

該軌道交通線路開通初期，牽引變電所A和牽引變電所B供電區(qū)段每天實(shí)際運(yùn)行列車對數(shù)不及設(shè)計(jì)列車對數(shù)的一半。

1.2 牽引變電所現(xiàn)場測試分析

1.2.1 牽引變電所A測試分析

對牽引變電所A的原邊電流進(jìn)行了實(shí)時(shí)測量。圖1顯示了牽引變電所A的原邊A相電流。

由圖1可見，牽引變電所A的原邊A相電流大部分時(shí)間接近于0。這表明該軌道交通線路開通初期列車開行對數(shù)較少，且測試期間牽引變電所A大部分時(shí)間處于空載狀態(tài)。

圖2為牽引變電所A的次邊a相電流。由圖2可見，牽引變電所A的次邊a相電流值在0附近的居多，表明該線路開通初期列車開行對數(shù)過少，且接觸網(wǎng)供電臂長時(shí)間處于空載狀態(tài)。

圖1 牽引變電所A的原邊A相電流Fig.1 Primary side A-phase current of traction substation A

圖2 牽引變電所A的次邊a相繞組電流Fig.2 Secondary side a-phase current of traction substation A

1.2.2 牽引變電所B測試分析

對牽引變電所B的原邊電流進(jìn)行了實(shí)時(shí)測量。圖3顯示了牽引變電所B的原邊A相電流。

圖3 牽引變電所B的原邊A相電流Fig.3 Primary side A-phase current of traction substation B

由圖3可見，牽引變電所B的原邊A相電流大部分時(shí)間接近于0，這表明測試期間牽引變電所B大部分時(shí)間處于空載狀態(tài)。

同理，經(jīng)測試分析，牽引變電所B的次邊a相繞組電流值在0附近的居多，這表明該軌道交通線路開通初期列車開行對數(shù)過少。

2 牽引變電所負(fù)載率低對經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響

負(fù)載率低對牽引變電所的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，由于接觸網(wǎng)分布電容等因素，負(fù)載率低使得牽引變電所的功率因數(shù)過低，導(dǎo)致電能質(zhì)量不達(dá)標(biāo)而被罰款嚴(yán)重；另一方面，牽引變壓器容量利用率低，采用兩部制電價(jià)計(jì)費(fèi)方式時(shí)，每年需要交巨額固定電費(fèi)[1-2]。

2.1 負(fù)載率低對牽引變電所功率因數(shù)的影響

通過對牽引變電所A的兩個(gè)供電臂的測試數(shù)據(jù)分析，得到牽引變電所A次邊a相繞組功率因數(shù)隨時(shí)間變化曲線，見圖4。

圖4 牽引變電所A的次邊a相功率因數(shù)隨時(shí)間變化曲線

由圖4可見，牽引變電所A的次邊a相功率因數(shù)變化范圍很大：接觸網(wǎng)有動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)，牽引變電所A的次邊a相功率因數(shù)可接近于1；接觸網(wǎng)供電臂空載時(shí)，牽引變電所A的次邊a相功率因數(shù)非常低；再生制動(dòng)工況下，牽引變電所A的次邊a相功率因數(shù)接近-1。

經(jīng)測試分析，牽引變電所A 1 d內(nèi)的平均功率因數(shù)為0.66，牽引變電所B 1 d內(nèi)的平均功率因數(shù)為0.57。這將導(dǎo)致電力公司對地鐵運(yùn)營部門罰款，從而影響軌道交通運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 負(fù)載率低對牽引變壓器容量利用的影響

考察牽引變壓器容量的利用情況，一般需要考慮過負(fù)荷系數(shù)、繞組最熱點(diǎn)溫度兩個(gè)重要指標(biāo)。

2.2.1 牽引變電所的負(fù)載率

基于負(fù)載率為視在功率與安裝容量的比值，根據(jù)測試數(shù)據(jù)先求得視在功率，然后得到牽引變電所的負(fù)載率變化曲線。牽引變電所A的次邊a相負(fù)載率變化曲線，見圖5。

牽引變壓器設(shè)計(jì)中一般要求其負(fù)載率不能超過3倍過負(fù)荷，并持續(xù)2 min[3]。由圖5可見，牽引變電所A的次邊a相負(fù)載率較低，遠(yuǎn)未達(dá)到其3倍限值。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，牽引變電所A的次邊a相空載率為95.11%，b相空載率為89.38%；牽引變電所B的次邊a相空載率為93.16%，b相空載率為96.30%。

圖5 牽引變電所A的次邊a相負(fù)載率隨時(shí)間變化曲線

2.2.2 牽引變電所穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)溫升計(jì)算[4]

在負(fù)載工況下，繞組最熱點(diǎn)溫度的計(jì)算公式為：

(1)

式中：

θh——繞組最熱點(diǎn)溫度，℃；

θa——環(huán)境溫度，℃；

Δθor——繞組頂部油溫升，K；

R——損耗比；

K——負(fù)載系數(shù)，為負(fù)載電流與額定電流的比值；

x——油的指數(shù)；

Hgr——熱點(diǎn)和頂部油溫的差值，K；

y——繞組指數(shù)。

頂層油的暫態(tài)溫升Δθbt的計(jì)算如下：

Δθbt=Δθbi+ (Δθbu-Δθbi)(1-e-t/τ0)

(2)

式中：

Δθbi——底層油的起始溫升；

Δθbu——時(shí)間t內(nèi)所加負(fù)載的穩(wěn)態(tài)底部油溫升，K；

τ0——油時(shí)間常數(shù)。

同樣，隨著負(fù)載的增加，繞組和油的溫差將上升到一個(gè)新的數(shù)值。

繞組對油的暫態(tài)平均溫升Δθwt計(jì)算如下：

Δθwt=Δθws+ (Δθwf- Δθws)(1- e-t/τ)

(3)

Δθwf=Δθwf0Ky

(4)

式中：

Δθws——繞組對油的起始溫升，K；

Δθwf——時(shí)間t內(nèi)所加負(fù)載的穩(wěn)態(tài)繞組對油溫升，K；

τ——繞組時(shí)間常數(shù);

Δθwf0——額定負(fù)載狀態(tài)下，繞組對油溫升，K。

2.2.3 牽引變電所a相繞組溫升計(jì)算

牽引變電所A的a相繞組溫升曲線見圖6。

圖6 牽引變電所A的a相繞組溫升曲線Fig.6 Temperature rise curve of a-phase of traction substation A

由圖6可見，牽引變電所A的a相繞組最熱點(diǎn)溫度低于50 ℃。同理，可分析出牽引變電所A的b相繞組最熱點(diǎn)溫度133 ℃，基本接近了140 ℃的限值，但牽引變壓器大部分時(shí)間處于空載狀態(tài)。

經(jīng)測試分析，牽引變電所B的兩個(gè)供電臂繞組最熱點(diǎn)溫度分別為82 ℃、45 ℃。由此可見，兩座牽引變電所的牽引變壓器容量均遠(yuǎn)未得到充分利用。

3 牽引變電所的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 對負(fù)載率過低的牽引變電所設(shè)置無功補(bǔ)償

目前，軌道交通普遍采用交直交型電力機(jī)車。電力機(jī)車滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)接近于1。因此，牽引變電所設(shè)計(jì)時(shí)一般不考慮設(shè)置無功補(bǔ)償裝置。例如，廣佛環(huán)線城際鐵路、鄭登洛城際鐵路、西韓城際鐵路、溫州市域鐵路S1線均未設(shè)置無功補(bǔ)償裝置。但對于開通初期負(fù)載率過低的軌道交通項(xiàng)目，為避免電力公司的電能質(zhì)量巨額罰款，設(shè)置無功補(bǔ)償裝置是非常必要的。

無功補(bǔ)償?shù)娜萘靠筛鶕?jù)牽引供電仿真或?qū)崪y數(shù)據(jù)，分析牽引變電所平均無功功率后確定。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析，牽引變電所A的次邊a相繞組無功功率隨時(shí)間變化曲線見圖7。

同理，可得出牽引變電所A的次邊b相繞組無功功率隨時(shí)間變化曲線。牽引變電所A全天的無功功率平均值為91.5 kVar。同理，牽引變電所B全天的無功功率平均值為110.4 kVar。

軌道交通運(yùn)營初期，出于成本考慮，牽引變電所的無功補(bǔ)償一般采用TCR(晶閘管控制電抗器)+FC(固定電容器)型靜止無功補(bǔ)償器。隨著SVG(靜止無功發(fā)生器)價(jià)格的大幅下降，目前城市軌道交通中SVG已經(jīng)成為無功補(bǔ)償?shù)氖走x設(shè)備。其既可以快速響應(yīng)供電臂列車負(fù)荷變化、解決功率因數(shù)問題，亦可降低諧波含量。

圖7 牽引變電所A的次邊a相繞組無功功率隨時(shí)間變化曲線

3.2 合理確定牽引變壓器容量，按最大需量法繳納電費(fèi)

對于采用兩部制電價(jià)計(jì)費(fèi)方式的軌道交通，牽引變壓器容量對其運(yùn)營成本影響較大。相關(guān)專業(yè)需充分考慮軌道交通運(yùn)營初期線網(wǎng)還不完善，以及與其他交通方式的接駁尚不理想等因素，準(zhǔn)確預(yù)測軌道交通開通初期的運(yùn)量。牽引變電所A的安裝容量若由2×(20+20) MVA降低1個(gè)等級至2×(16+16) MVA，按所在省份每月的基本電價(jià)27元/kVA，則該市域軌道交通每年將節(jié)省固定電費(fèi)259.2萬元。

電氣化鐵路按照大工業(yè)用電兩部制電價(jià)計(jì)費(fèi)，其中固定電費(fèi)和牽引變壓器安裝容量相關(guān)，亦取決于所在省份電氣化鐵路的基本電價(jià)。為適合牽引負(fù)荷波動(dòng)大的特點(diǎn)，本文采用滑差法計(jì)算最大需量[5]。經(jīng)分析，牽引變電所A的實(shí)際最大需量為6 840 kVA，牽引變電所B的實(shí)際最大需量為4 500 kVA。由此可見，兩座牽引變電所的實(shí)際最大需量均小于其安裝容量的40%。因此，按照電力部門規(guī)定，基本電費(fèi)按牽引變壓器安裝容量的40%計(jì)算。該市域軌道交通所在省份的基本電價(jià)，按變壓器容量計(jì)費(fèi)時(shí)，每月為27元/kVA；按最大需量法計(jì)費(fèi)時(shí)，每月為38元/kVA。根據(jù)計(jì)算，按最大需量法繳納基本電費(fèi)，牽引變電所A和牽引變電所B每年均可節(jié)省基本電費(fèi)566.4萬元。

4 結(jié)論

1) 軌道交通線路開通初期，由于線網(wǎng)不完善，以及與其他交通方式的接駁情況不理想等因素，部分牽引變電所負(fù)載率過低，空載率達(dá)到90%以上。

2) 負(fù)載率低會(huì)導(dǎo)致牽引變電所的功率因數(shù)過低，甚至?xí)陀?.6，軌道交通運(yùn)營公司因電能質(zhì)量不達(dá)標(biāo)而被嚴(yán)重罰款。

3) 通過對兩座牽引變電所牽引變壓器的過負(fù)荷系數(shù)及繞組最熱點(diǎn)溫度計(jì)算分析，負(fù)載率過低條件下兩座牽引變壓器容量遠(yuǎn)未得到充分利用。

4) 對負(fù)載率過低的牽引變電所需設(shè)置無功補(bǔ)償裝置。該裝置的補(bǔ)償容量可根據(jù)牽引供電仿真或?qū)崪y數(shù)據(jù)，分析牽引變電所的平均無功功率后確定。

5) 在準(zhǔn)確預(yù)測軌道交通開通初期運(yùn)量的基礎(chǔ)上，合理確定牽引變壓器容量，按最大需量法繳納電費(fèi)以降低運(yùn)營費(fèi)用。經(jīng)計(jì)算，本文每座牽引變電所每年可節(jié)省基本電費(fèi)566.4萬元。