牵引变电所采用110 kV和220 kV电压等级供电分析

马志远

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251）

牵引变电所采用110 kV和220 kV电压等级供电分析

马志远

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251）

以青荣城际铁路城阳牵引变电所为基础，从供电臂末端网压、谐波、三相不平衡等技术方面对该牵引变电所采用110 kV和220 kV两个电压等级供电进行分析。

城际铁路；谐波；三相不平衡；电压等级

青荣城际铁路位于胶东半岛中部地带，连接了青岛、烟台、威海地区的主要城市，是半岛城市群的重要联络通道，全长约300 km，动车组运行最高速度为250 km/h。全线新建城阳等6座牵引变电所，根据山东省电力集团公司意见，除城阳牵引变电所外其余5座牵引变电所采用220 kV电压等级供电，而城阳牵引变电所受条件限制，要求该牵引变电所采用110 kV电压等级供电。

本文将从供电臂末端网压、谐波、三相不平衡度等方面详细分析城阳牵引变电所采用110 kV 和220 kV电压供电技术指标差异。

1 计算基础数据

1.1 动车组主要技术参数

我国电气化铁路客运专线及高速铁路主要开行CRH系列动车组，主要型号有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH380A、CRH380B等，本线设计采用CRH2、CRH3型动车组。在不同网压水平下，牵引传动系统发挥的性能不同，以CRH3为例，如图1所示。

图1 CRH3网压与轮轴牵引功率的关系

动车组功率、功率因数、谐波含量等参数见表1。

表1 动车组主要技术参数

1.2 城阳牵引变电所供电方案

城阳牵引变电所位于青岛枢纽内，距城阳车站约5 km，该变电所为青岛枢纽内青荣城际铁路、胶济客专、货单线3条线路供电。青荣城际铁路近期追踪间隔为4 min，远期为3 min，各条线路均采用带回流线的直接供电方式，牵引变压器采用三相VV接线，容量为 2×（31.5+31.5）MVA，青荣城际铁路接触网导线为JTM-120+ CTS-150，牵引网首端设置加强线，导线型号为LBGLJ-240。胶济客专接触网导线为JTM-95+CTA-120。

1.3 电力系统主要技术参数

城阳牵引变电所由山东电网的青岛电网供电，根据电力部门相关报告，110 kV电压等级供电方案由220 kV广源站和220 kV空港站各出1回110 kV线路为城阳牵引变电所供电。220 kV电压等级供电方案由220 kV黄埠岭站和220 kV正阳站各出1回220 kV线路为城阳牵引变电所供电。各个站的短路容量见表2。

表2 各个变电站三相短路容量

2 供电臂末端网压水平

牵引供电系统的电压损失，包括电力系统电压损失、牵引变压器电压损失和牵引网电压损失。由于动车组的工作电压有一定的范围，供电臂的平均电压水平影响列车的运行速度，以至将直接影响区段的通过能力和正常的运输生产。为了确保动车组的正常运行，在牵引供电系统工程设计中，一般只计算严重的运行条件下的最大电压损失，根据动车组的工作特性，在条件允许的情况下，受电弓最低电压最好大于22.5 kV。

式中，ΔUmin为牵引网的电压损失，kV；ΔUTmax为牵引变压器的电压损失，kV；ΔUs为电力系统的电压损失，kV。

采用带回流线的直接供电方式复线牵引网的电压损失计算公式为

式中，Z1＇为计算列车方向牵引网单位等效阻抗，Ω／km；I1i为计算列车方向各区间列车带电平均电流，A；l1i为计算列车方向各带电列车与牵引变电所的距离，km；Z11＇为上、下行牵引网等效互阻抗，Ω／km；I1m为另一方向各区间列车带电平均电流，A；l1m为轻负荷方向各带电列车与牵引变电所的距离，km。

三相V/V接线变压器最大电压损失为

式中 ，Imax为供电臂最大电流；XT为变压器电抗，Ω；φ为功率因数角。

电力系统的电压损失为

式中，Xs为系统归算至27 kV侧系统阻抗，Ω。

根据公式（1）—（4）可以计算出供电臂末端最低网压。本文以荣成方向供电臂为例，其中荣成方向供电臂最大电流为1 726 A，根据牵引能耗计算得出该段列车平均带电电流约400～600 A,功率因数取0.95，110 kV牵引变电器短路阻抗取8.4%，220 kV牵引变电器短路阻抗取10.5%。牵引网单位等效阻抗为0.21Ω/km（带加强线部分为0. 14Ω/km），互阻抗为0.06Ω/km（带加强线部分为0.05Ω/km），分别计算出110 kV和220 kV供电条件下的末端最低网压。

为降低110 kV电力系统电压损失带来的影响，110 kV牵引变压器采用较低的短路阻抗比，使得两个电压等级供电的供电臂末端最低网压均大于22.5 kV，可以较好地保证动车组牵引传动性能的发挥。

3 谐波

根据国家标准GB/T 14549—1993《电能质量－公用电网谐波》，公用电网谐波电压限值110 kV电压总谐波畸变率不超过2%，各奇次谐波电压含有率不超过1.6%，各偶次谐波电压含有率不超过0.8%。结合该标准附录C及各公共连接点母线的最小短路情况等，可得城阳牵引变电所注入系统的谐波电流允许值，见表3。

表3 注入系统的谐波电流允许值 A

a）谐波电压计算。

n次谐波电压含有率近似计算公式为

式中，n为谐波次数，由主变压器原边三相绕组流入电力系统的n次谐波电流，Sk为系统短路容量。

谐波电压总畸变率计算

b）谐波电流计算。

供电臂中有多列列车存在时，谐波量的叠加简化计算方法如下。

式中，m为供电臂中95%概率车数（m＞1）；If为供电臂中列车带电平均电流；K3为动车组3次谐波含量百分值。

式中，Kn为动车组n次谐波含量百分值。

谐波电压总畸变率和注入电网的各次谐波电流计算值见表4。

表4 谐波电压总畸变率和注入电网的各次谐波电流值

牵引负荷引起的电压总畸变率与短路容量成反比，由于220 kV系统短路容量大，且在同样牵引负荷下220 kV电压等级供电的牵引变电所向电网注入各次谐波电流为110 kV供电的1/2，允许注入电网的各次谐波电流值一般也比110 kV大。由上述计算结果也可看出，牵引变电所采用220 kV电压等级供电对电力系统谐波的影响明显小于110 kV电压等级供电。

4 三相不平衡度

相间单相负荷引起负序电压不平衡度为ε=S2/ Sk×100%，S2为牵引负荷最大负序功率（Kl=1），计算结果见表5。

表5 各公共连接点母线三相电压不平衡度

依据GB/T 15543—2008《电能质量三相电压不平衡》中4.2要求：接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%。采用110 kV电压等级供电超过一般允许值，但未超过短时最大值。考虑计算值为最恶劣的工况，即一个供电臂满载，另一供电臂空载，建议电力部门使用短时值进行考核。

5 结论

由上述对比分析可知，从技术指标上看，城阳牵引变电所采用220 kV电压等级供电大大优于110 kV电压等级供电，对电力系统的谐波、负序影响均较小。从供电质量、供电能力及对电力系统影响等考虑高速铁路牵引变电所应采用220 kV电压等级供电。这也验证了国家电网《电气化铁路牵引站接入导则（试行）》5.2供电电压等级规定“重载、客运专线原则采用220 kV供电，个别不具备条件时，可采用110 kV供电”和高速铁路规范TB 10621—2014中规定“供电电源应采用220 kV或以上电压等级，电力系统供电质量应符合国家相关规定”的正确性。

Analysis on the Power Supply Involving the Voltage Level of 110 kV and 220 kV in a Traction Substation

MA Zhiyuan

（The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin 300251,China)

Based on Qingdao-Rongcheng railway Chengyang traction substation,the power supply situations involving the voltage levelsof110 kV and 220 kV areanalyzed from the aspectsof terminalvoltage,harmonic,and three-phaseunbalance.

inter-city railway;harmonic;three-phaseunbalance;voltage level

TM74

B

1671-0320（2016）05-0064-03

2016-07-08，

2016-08-20

马志远（1982），男，天津人，2008年毕业于西南交通大学电力系统及其自动化专业，硕士，高级工程师，从事电气化铁路牵引供电系统设计工作。