电气化铁路同相供电技术工程应用方案研究

楚振宇，魏宏伟，周 娟

电气化铁路同相供电技术工程应用方案研究

楚振宇，魏宏伟，周 娟

基于山西中南部通道铁路重载试验段沙峪牵引变电所，对同相供电技术的工程应用方案进行了深入研究，从主接线方案、运行方式、设备选型及总平面布置、保护配置等方面进行了技术、经济比较，结合工程实际确定了单三相组合接线同相供电技术的工程应用方案，为同相供电技术进入工程应用领域奠定了基础。

同相供电；主接线；辅助供电；保护

0 引言

电气化铁路同相供电技术是新一代牵引供电系统的核心技术[1]，该技术可避免机车在过电分相时因开关切换引起的暂态过电压和过电流等对车载设备和供电设备造成不良影响，提高高速、重载列车运行的安全性和可靠性，改善交直交型列车再生制动电能的利用效果，在高速、重载和市域铁路等领域具有较大发展潜力[2～4]。笔者团队继在眉山牵引变电所成功进行了该技术的验证性试验后，依托我国第一条30 t轴重重载铁路——山西中南部通道铁路沙峪牵引变电所，继续深入开展了同相供电技术的工程应用方案研究，为同相供电技术真正进入工程应用领域奠定基础。

1 电气原理接线方案研究

同相供电装置的原理接线方案研究包括高压电气主接线、变流系统接线和辅助用电系统接线3大部分。

1.1 高压电气主接线方案

电气化铁路列车的移动特性决定了牵引负荷具有三相不平衡（负序）的固有特征。为彻底改善牵引负荷的负序影响，同相供电系统高压侧主接线采用组合式三相/二相平衡接线[5、6]方案。结合目前电气设备的成熟度，本次研究针对单三相组合式平衡接线和组合斯科特平衡接线2种方案进行比较。2种方案的电气主接线分别见图1和图2。

由图1可见，单三相组合式接线方案高压侧由单相Ii接线牵引变压器和YNd11接线高压匹配变压器组合而成，其中单相Ii接线跨接在电力系统B、C两相之间取得BC相电压，低压侧输出电压2×27.5 kV，构成牵引供电的主供支路；YNd11接线高压匹配变压器低压侧输出电压为10 kV，取系统A相电压连接变流系统并输出电压2×27.5 kV，构成牵引供电的同相补偿支路；主供支路的BC相和同相供电支路的A相构成二相平衡系统。同相供电支路的设备容量视负序补偿目标而定。

由图2可见，组合斯科特接线方案由2台单相接线变压器组合而成，其中1台高低压侧均带中间抽头，为斯科特接线中的T座变压器，低压侧输出电压为2×27.5 kV，构成主供支路；另1台单相变压器高压侧连接系统A相和T座变压器高压侧中间抽头，构成M座变压器，低压侧输出电压为10 kV，经变流器输出电压2×27.5 kV，构成同相供电支路；高压侧构成斯科特接线平衡系统。M座变压器安装容量可视补偿需要选定。

图1 单三相组合式电气主接线

图2 组合斯科特电气主接线

2种方案相比，单三相组合方案中所有设备均为成熟设备，但由于高压匹配变压器采用YNd11接线且低压侧为单相负荷，容量利用率较低，变压器安装容量总体较大；组合斯科特接线方案变压器安装容量较小，容量利用率高，但T座变压器需要重新研制，2台变压器不能独立运行；同时单三相组合方案自带三相10 kV供电系统，在辅助用电功能设计中优势明显。

综合技术成熟度、辅助用电等各方面因素，工程应用优先选用单三相组合式接线方案。

1.2 变流同相系统设计

沙峪牵引变电所总牵引负荷为50 MV·A。根据沙峪牵引变电所外部电源条件和同相供电设备投资情况，确定负序补偿度为40%，则其同相供电设备容量确定为10 MV·A。

电气化铁路牵引变电所高压侧通常采用固定备用方式，因此在沙峪牵引变电所设计中，同相供电支路亦采用固定备用方式，与主供支路同步投切。

同相供电变流器采用由IGBT构成的，可四象限运行的单相交直交变流器，其中一侧保持各模块间直流电压稳定，另一侧实现一定流向和大小的功率传输，完成有功功率的双向传输及单侧的无功、谐波补偿等功能。虽然电力电子器件和模块的成本大幅下降，但由于工作电压较低，大容量变流器依然价格不菲；同时电力电子装置长时间空闲容易引发故障，因此有必要延长变流器的工作时间，充分发挥变流器功能，从而最大限度地利用工程投资。

沙峪牵引变电所同时具有220 kV、27.5 kV、10 kV三级母线，运行方式较为复杂，在变流系统设计中，2个同相支路之间设置了10 kV母线，2组同相变流装置既能同时并列运行，亦能形成固定备用方式，灵活性大大增强。

1.3 辅助系统设计

同相供电变流器采用强制风冷方式，风冷系统主要包括功率模块散热器、柜体散热风机、CPD室内散热系统，辅助用电负荷较大，每组同相变流装置的辅助用电约为160 kV·A，总负荷大大超过了常规变电所日常交流负荷100 kV·A。

常规牵引变电所从电力贯通线获取10 kV所用电源，累计同相供电装置用电后，负荷需求超过400 kV·A，超过了电力贯通线的单点供电能力。为保证整座变电所的所用电，必须从沿线单独引接10 kV电源，投资高达300万元，同时存在征地拆迁等一系列施工难题。

而采用单三相组合式接线使变电所自带10 kV电压，几百kV·A的用电负荷对于安装容量上万的高压匹配变压器而言微不足道。因此在10 kV母线上设置配电变压器，专门向同相变流装置供电，大大节约了工程投资，且降低了实施难度。

2 设备选型与总平面布置

图1中，沙峪牵引变电所包含220 kV、2×27.5 kV、10 kV三种电压等级设备及其控制保护装置，其中220 kV设备包含6个间隔，2×27.5 kV设备包含4进6馈共10个间隔，10 kV设备包含2进4馈共6个间隔。沙峪牵引变电所场坪条件较好，220 kV和2×27.5 kV设备采用投资较少的户外型设备集中式布置方式，10 kV设备及同相供电变流器采用占地较小的户外箱式设备安装，所有控制保护装置采用集中组屏方式安装于控制室内。

3 控制保护

3.1 运行方式

正常运行时，全所主供支路和同相供电支路成组投切，固定备用，并设置备自投装置，当1路电源、1台主供或高压匹配变压器由于故障退出运行时，通过备自投功能将单相变压器和高压匹配变压器成组切换至另一组运行。

2台同相供电变流器在正常运行时通过10 kV母线并联运行，1台故障退出时，另1台变流器运行；也可以独立运行，形成固定备用方式。

全所设置协调控制器[7]，通过监测主供支路的有功负荷来调整同相供电变流器的功率输出，在分担有功潮流的同时实现负序补偿。

3.2 保护配置

全所主供支路和2×27.5 kV系统的保护配置与常规牵引变电所相同。其中主供支路单相Ii接线牵引变压器设置差动速断、差动、过负荷以及本体保护，进线设失压、低压过流保护等。

同相供电装置在支路上设置功率差动保护[8]，其中各设备还单独配备相应的保护装置。交直交变流器设置交流过流保护、交流过压/欠压保护、过温保护、直流过压/欠压保护、短路保护、模块失电（模块通讯故障）保护等内部保护；高压匹配变压器与牵引匹配变压器均设置本体保护、差动保护、过流保护、过负荷保护等。

4 结语

本文依托山西中南部通道铁路沙峪牵引变电所，对同相供电技术的工程应用进行了深入研究，在全所原理接线、同相供电装置接线和所用电电源方案、设备选型及总平面布置、运行方式、保护配置等方面从工程实施角度进行了技术、经济比较，在保证供电可靠性的基础上，确定了同相供电技术的工程应用方案，保证了牵引变电设备运行的安全性和可靠性，降低了同相供电技术工程实施的费用，既满足了科研试验需要，又满足我国首条30 t轴重万吨重载铁路山西中南部通道铁路的正常运行要求，理论上可以取消变电所出口接触网电分相，在提高列车通过能力的基础上同时具有良好的负序抑制效果，明显改善电能质量。沙峪牵引变电所采用的世界首套“单三相组合式同相供电装置”自投运以来运行良好，为同相供电技术进入工程应用领域奠定了坚实的基础。

[1]李群湛.论新一代牵引供电系统及其关键技术[J].电气化铁道，2014z：1-10.

[2]李群湛.牵引变电所电气分析及综合补偿技术[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[3]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.

[4]贺威俊，简克良.电气化铁道供变电工程[M].北京：中国铁道出版社，1986.

[5]王凤华.牵引变电所异地平衡组合的应用[J].铁道学报，1991，13（4）：31-33.

[6]楚振宇，吴命利，等.三相V,v接线和单相I,i接线牵引变压器的组合应用[J].铁道学报，2004，29（1）：31-33.

[7]张丽艳，李群湛，易东，等.同相供电系统潮流控制器容量的优化配置[J].电力系统自动化，2013，37（8）：59-64.

[8]韩正庆，刘淑萍，魏昕，等.同相供电设备有功功率差动保护[J].电力系统自动化，2011，35（16）：82-86.

With reference of deep analysis of engineering application scheme for co-phase power supply technology on the basis of Shayu traction substation in heavy haul railway testing section of Shanxi south central railway corridor,the paper compares technically and economically the main wiring scheme,operation mode,equipment selection as well as the general plan layout and protection configuration,finalizes the engineering application scheme for single phase combination based co-phase power supply technology with connection of engineering practice,laying a foundation for introduction of co-phasepower supply technology into thefield of engineering application.

Co-phasepower supply;main wiring;auxiliary power supply;protection

U223.5

A

1007-936X(2017)06-0001-03

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.001

楚振宇.中铁工程设计咨询集团有限公司电通院，教授级高级工程师；

魏宏伟.中铁工程设计咨询集团有限公司电通院，教授级高级工程师；

周 娟.中铁工程设计咨询集团有限公司电通院，高级工程师。

2017-04-12