铁路电力与牵引变电所共用电源的设计方案探讨

许 红

(铁道第三勘察设计院集团有限公司电化电信处,天津 300251)

1 概述

通常位于车站的电力变配电所,由于负担着大量的要求持续供电的一级负荷,为满足切换时间需要,应采用双电源同时运行的方式。在某一路电源失电时,另一路电源要保证对其两段母线上的所有负荷进行供电。向供电部门申请报装的变压器容量亦应按照两段母线上所带的总容量计算,而在正常运行时每一路电源只带大约一半的负荷运行。

目前,在一些电气化铁路项目中,为了节省投资或满足集约化设计的要求,有的项目将电力变配电所与牵引变电所合建或共用外部电源；另外有些电力变配电所无法就近获取10 kV或35 kV电源时,利用牵引电源也是一个很好的解决途径。

牵引变电所的电压等级一般为220/27.5 kV或110/27.5 kV,由于不像电力负荷那样要求极快的切换时间,为了节省基本电费,降低损耗,两台变压器通常采用主备运行方式。这样,若电力直接由备用的牵引变压器二次侧取得电源时,运行方式往往不能满足需要。

因此,如果电力变配电所与牵引变电所合建,存在两个技术问题需要研究解决。

一是电力如何获取可以同时运行的双电源,而不导致因备用牵引变压器长期投入,致使基本电费大幅增加。

二是电力设备与牵引变配电设备之间如何协调,确保设备的生产、保护、安装是可行的。

以下就此进行几个典型情况的分析。

2 几种由牵引变电所获取电力电源的基本设计方案及分析

2.1 将电力专用动力变压器接于牵引变电所220(110)kV电源侧(图1)(方案1)

图1 电力专用变压器接于牵引变电所220(110)kV侧示意

在图1中,Qb是牵引变压器,Db是动力变压器。专用动力变压器均接在牵引变压器220(110)kV侧的断路器之前,因此不受牵引变压器运行方式的影响。

这种接线方案供电可靠,而且电源质量好,电力机车反馈到一次系统母线的电压波动影响甚微。从理论上讲,这是最为理想的方案,但在工程实际中却存在如下问题。

(1)除了个别的枢纽级的中心电力变电所,多数铁路电力变电所的安装容量不超过10 000 kVA。而标准制造系列的变压器,110 kV的最小容量为8 000～10 000 kVA,220 kV的最小容量为20 000～31 500 kVA。这意味着多数合建变电所的电力专用变压器只能采用非标产品,价格相对较高,可靠性也不如标准系列的变压器。

(2)当变压器容量相对于220 kV(110 kV)系统过小时,其一次电流可能会小至只有几安培,影响测量和保护精度,甚至达不到灵敏度的要求,相应的一次支撑和绝缘器件也可能在尺寸和强度上不匹配。

2.2 电力专用动力变压器接于牵引变电所27.5 kV母线上(方案2)

采用27.5(35)/10 kV的电力专用变压器,直接接于牵引变电所27.5 kV母线,能够解决220 kV(110 kV)/10 kV变压器容量过小时带来的问题,还能节省投资,但需要牺牲电能质量,承受较大的电压波动和谐波,而且也不能实现双电源同时运行。

在此,以客运专线采用的220 kV供电系统为例,做个简要计算和分析,见图2。

其中：Zs=U2/Sd；Zb=U2/Sb×Ud%。对于220 kV系统,Sd一般为3 000～12 000 MVA,取3 000 MVA。Sb一般为40 MVA,Ud%=10.5%。

注:Zs为系统阻抗；Zb为变压器阻抗；Zl为线路阻抗(暂且忽略不计)。

代入后：Zs=27.52/3 000=0.252 1，

Zb=27.52/40×10.5%=1.985。

变压器额定电流Ie=Sb/Ue=40 000/27.5=1 455 A

过载倍数取1.3,I=1 455×1.3=1 892 A

电压偏差ΔU=I×(Zs+Zb)=4.3 kV

电压偏差与标称电压之比ΔU%=4.3/27.5×100%=15.6%

在《电能质量 供电电压偏差》(GB/T12325—2008)中对供电电压偏差限值的规定：35 kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%；20 kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%。

由以上简要计算可知,当电力机车通过时,27.5 kV母线上的电压波动或电压偏差已超出国家标准的规定。不过,尽管其电能质量不好,但对绝大多数电力负荷而言,还不至于引起设备误动作或者损坏(但会降低设备寿命),因此作为一个不得已的电源解决途径尚可接受。

2.3 从三绕组牵引变压器接引电力电源(方案3)

选用三绕组的牵引变压器,将其中的一个绕组做成220(110)/10 kV,电力电源由该绕组获取。这能使设备结构紧凑,节省房屋和占地，但存在以下问题。

由于磁耦合作用,27.5 kV副边的电压波动或电压偏差也会间接影响10 kV副边的电能质量,但没有2.2方案明显；另外该方案使电力变压器的运行方式与牵引变压器完全一致,不能实现双电源同时运行；电力与牵引在设备检修时也会互相影响。

2.4 几种方案的技术经济比较

上述几种设计方案,不仅基本建设投资不同,电价政策也会影响运营成本,需要进行综合技术经济分析,合理确定实施方案。

当存在其他可选电源时,由于电价的不同(通常220(110) kV较10 kV的要低),会影响供需双方的运营经济指标,电力与牵引共用电源的方案也有可能被电力公司否决。这个问题情况比较复杂,本文不做赘论。

具体工程应针对具体数据进行技术经济比较。本文仅假定以下条件做一分析。

(1)除了牵引电源,没有其他电源可以利用,仅在共用电源的不同方案之间进行比较。

(2)大部分地区的供电公司实行两部式电价,其基本管理办法是：电价=基本电价+电度电价,取基本电价为25元/月 kVA。只考虑电力引起的基本电费增量。

(3)电力变压器需要的安装容量分别取1 000 kVA和10 000 kVA,当由牵引变压器副边获取电力电源时,认为1 000 kVA的电力容量不导致牵引变压器容量升级；10 000 kVA的电力容量导致牵引变压器容量同等升级。

(4)因各方案均取220(110) kV公网电源,电度电费相同,不比较这个不变的部分。

(5)以解决一路电源为例。

表1、表2分别为电力变压器需要的安装容量在1 000 kVA和10 000 kVA时的技术经济分析。

通过比较可以看出,当外部电源为220 kV,并且电力需求容量不大、牵引变不需为电力负荷增大安装容量时,采用220/10 kV变压器方案与三绕组方案相比,基本建设费用差别不大。但运营年限越长,越不具有经济优势,需要根据工程具体需求取舍。而采用27.5/10 kV变压器具有明显的经济优势,虽需要牺牲一定的电能质量,在供电对象单一,且对电能质量要求不高的情况下,也是一个可以考虑的选择。

表1 电力变压器需要的安装容量为1 000 kVA的技术经济比较 万元

表2 电力变压器需要的安装容量为10 000 kVA的技术经济比较 万元

当外部电源为220 kV,并且电力需求容量较大时,采用220/10 kV变压器方案与三绕组方案相比,经济指标相当,应优选电能质量好的220/10 kV变压器方案,其可行性亦较高；而采用27.5/10 kV变压器虽然具有较大的经济优势,但由于需要牺牲一定的电能质量,除非投资紧张,负荷重要程度不高,或用于阶段性过渡,原则上不宜采用。

当外部电源为110 kV时,110/10 kV变压器方案的经济指标比较适中,较三绕组方案有经济优势,宜优选之,但对于电力容量需求小的情况,需考虑运营费用问题综合确定；尽管27.5/10 kV变压器方案也是节省的,但相对110/10 kV变压器和三绕组变压器的投资节省有限,一般宜仅用于对电能质量要求不高的单一类别负荷的情况。

3 铁路电力需求及电源状况

铁路电力配电所大多位于大、中型车站,比较典型的安装容量通常在1 000～8 000 kVA,其中只为区间供电的配电所基本都在1 000 kVA上下；一些大型枢纽级的中心变电站、整备基地、特大站房的变配电所可超过10 000 kVA；个别为特大站房和整备基地同时供电的甚至可能达到40 000～60 000 kVA。

位于大型枢纽、大型车站的电力变配电所,供有大量的一级负荷,通常都需要采用双电源同时运行方式,一般也容易取得外部电源,或容易取得其中的一路电源。在这种情况下,电力与牵引共用电源主要是为了节省投资或运营费用,以及获得集约化的总体效果。

而一些边远地区的中间站,则有可能在几十千米,甚至上百千米范围无法取得地方配网系统的电源,这时非常有必要研究利用牵引电源的问题。这类变配电所的车站负荷不大,主要供电对象是区间,在多数情况下,采用单电源或双电源一主一备运行也能满足要求。

4 电力与电牵共用电源的典型工况基本设计策略分析

4.1 枢纽级的铁路中心电力变配电所

这类变配电所的安装容量低的能达到10 000 kVA,高的能达到几万千伏安,具有在牵引变电所设置220(110)/10 kV变压器的先天有利条件,从而也就容易实现两路电源同时运行。而且其一般位于发达区域,专门引取两路外部电源大多是容易做到的。因此,方案设计的出发点不是解决电源匮乏问题,只要投资合理,利于运营,原则上就可采用共用电源方案。具体工程根据实际情况分析,既可以利用其中的一路,也可全部利用。

利用牵引变一路电源时,采用图1(a)的结线形式；利用两路电源时,采用图1(b)的结线形式。

4.2 一般的地区性铁路电力变配电所

这类配电所安装容量多为几千千伏安,通常处于当地供电公司允许的10 kV接入容量之内,且容易取得外部电源,同时又在220(110)/10 kV变压器的不合理容量区间内。因此,当牵引变一次侧为220 kV电源时,原则上不宜将电力和电牵共用电源；当牵引变一次侧为110 kV时,需要分析工程实际,做好技术经济比较，确定是否共用电源。如果共用电源,亦可采用图1(a)或图1(b)的结线形式。

地区性配电所必然存在大量的对供电要求高的负荷,所以除非万不得已,一般不应利用27.5 kV母线作为电力电源。

4.3 铁路区间电力变配电所

这类配电所的安装容量通常不超过1 000 kVA,最有可能处于偏僻地区,从而无法取得外部电源,因此最需要研究利用牵引电源的问题。

区间配电所利用牵引电源有利的一面是，如果当地一级负荷的量不大,可以只引入一路电源,或两路电源主备运行,其与牵引变的运行方式没有矛盾；而不利的一面就是容量太小,设220(110)/10 kV电力变压器的可行性很差。

综合以上分析,笔者建议：

(1)有条件获得外部电源时,不利用牵引电源；

(2)不得不利用牵引电源时,优先选用三绕组方案；

(3)电力配电所采用双电源一主一备运行方式时,主电源采用三绕组方案,备用电源可考虑采用27.5/10 kV变压器方案,以求节省投资。

典型结线关系见图3。

图3 区间配电所电力与电牵共用电源典型结线示意

5 结语

当电力负荷很大时,易于实现电力与电牵的电源共用；电力负荷很小且位置偏僻时,往往最需要电源共用,但同时难于解决的技术问题也最多。因此,电力变配电所与牵引变电所共用电源是个综合性的问题,必须建立在系统的技术经济分析基础上才能成立。设计前期必须结合工程实际,综合研究包括电能质量、运行方式、保护、设备供货和安装、经济合理性等多方面的因素,进行充实的论证。否则,如果贸然确定共用电源方案,将给下一阶段的实施带来困难,引起不必要的变更设计。

需要特别指出的是：原则上不建议利用牵引变电所的27.5 kV电源,只能在别无选择的情况下,考虑列车追踪间隔水平谨慎利用,而且其用电负荷必须是比较单一,并且对电压波动不敏感的设备。

[1]GB/T12325—2008,电能质量供电电压偏差[S].

[2]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,2007.

[3]TB10008—2006,铁路电力设计规范[S].

[4]TB10009—2005,铁路电力牵引供电设计规范[S].