市域轨道交通牵引变电所负载率低对其经济运行的影响

2022-07-15曹建设

城市轨道交通研究 2022年6期

曹建设

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)， 710043，西安∥高级工程师)

我国市域轨道交通发展迅速，对于发挥中心城市辐射带动作用及推进新型城镇化发展起到了巨大作用。但由于初期轨道交通线网还不完善，与其他交通方式的接驳情况尚不理想，部分轨道交通线路开通初期客流量较小，行车密度远低于设计的近、远期的行车密度，导致部分线路开通初期牵引变电所负载率过低，功率因数远远达不到电力部门要求的0.9，地铁运营部门因此被电力公司罚款严重。

本文以某市域轨道交通线路的两座牵引变电所为例，以现场测试数据为基础，研究轨道交通负载率低对牵引变电所经济运行的影响。

1 某市域轨道交通牵引变电所现场测试

1.1 工程概况

某市域轨道交通线路采用单相工频27.5 kV供电制式，两座牵引变电所的牵引变压器均采用一主一备，单台运行，安装容量均为2×(20+20) MVA。为节省工程投资，1座牵引变电所解列时，按加大追踪间隔考虑，主变电所未按照完全备用考虑。同时，为降低报装容量和固定电费，牵引变压器容量按近期需要确定。该线路近、远期的设计列车对数为：近期55对/d，远期81对/d。

该轨道交通线路开通初期，牵引变电所A和牵引变电所B供电区段每天实际运行列车对数不及设计列车对数的一半。

1.2 牵引变电所现场测试分析

1.2.1 牵引变电所A测试分析

对牵引变电所A的原边电流进行了实时测量。图1显示了牵引变电所A的原边A相电流。

由图1可见，牵引变电所A的原边A相电流大部分时间接近于0。这表明该轨道交通线路开通初期列车开行对数较少，且测试期间牵引变电所A大部分时间处于空载状态。

图2为牵引变电所A的次边a相电流。由图2可见，牵引变电所A的次边a相电流值在0附近的居多，表明该线路开通初期列车开行对数过少，且接触网供电臂长时间处于空载状态。

图1 牵引变电所A的原边A相电流Fig.1 Primary side A-phase current of traction substation A

图2 牵引变电所A的次边a相绕组电流Fig.2 Secondary side a-phase current of traction substation A

1.2.2 牵引变电所B测试分析

对牵引变电所B的原边电流进行了实时测量。图3显示了牵引变电所B的原边A相电流。

图3 牵引变电所B的原边A相电流Fig.3 Primary side A-phase current of traction substation B

由图3可见，牵引变电所B的原边A相电流大部分时间接近于0，这表明测试期间牵引变电所B大部分时间处于空载状态。

同理，经测试分析，牵引变电所B的次边a相绕组电流值在0附近的居多，这表明该轨道交通线路开通初期列车开行对数过少。

2 牵引变电所负载率低对经济运行的影响

负载率低对牵引变电所的影响主要体现在两个方面：一方面，由于接触网分布电容等因素，负载率低使得牵引变电所的功率因数过低，导致电能质量不达标而被罚款严重；另一方面，牵引变压器容量利用率低，采用两部制电价计费方式时，每年需要交巨额固定电费[1-2]。

2.1 负载率低对牵引变电所功率因数的影响

通过对牵引变电所A的两个供电臂的测试数据分析，得到牵引变电所A次边a相绕组功率因数随时间变化曲线，见图4。

图4 牵引变电所A的次边a相功率因数随时间变化曲线

由图4可见，牵引变电所A的次边a相功率因数变化范围很大：接触网有动车组运行时，牵引变电所A的次边a相功率因数可接近于1；接触网供电臂空载时，牵引变电所A的次边a相功率因数非常低；再生制动工况下，牵引变电所A的次边a相功率因数接近-1。

经测试分析，牵引变电所A 1 d内的平均功率因数为0.66，牵引变电所B 1 d内的平均功率因数为0.57。这将导致电力公司对地铁运营部门罚款，从而影响轨道交通运营的经济效益。

2.2 负载率低对牵引变压器容量利用的影响

考察牵引变压器容量的利用情况，一般需要考虑过负荷系数、绕组最热点温度两个重要指标。

2.2.1 牵引变电所的负载率

基于负载率为视在功率与安装容量的比值，根据测试数据先求得视在功率，然后得到牵引变电所的负载率变化曲线。牵引变电所A的次边a相负载率变化曲线，见图5。

牵引变压器设计中一般要求其负载率不能超过3倍过负荷，并持续2 min[3]。由图5可见，牵引变电所A的次边a相负载率较低，远未达到其3倍限值。经统计分析，牵引变电所A的次边a相空载率为95.11%，b相空载率为89.38%；牵引变电所B的次边a相空载率为93.16%，b相空载率为96.30%。

图5 牵引变电所A的次边a相负载率随时间变化曲线

2.2.2 牵引变电所稳态和暂态温升计算[4]

在负载工况下，绕组最热点温度的计算公式为：

(1)

式中：

θh——绕组最热点温度，℃；

θa——环境温度，℃；

Δθor——绕组顶部油温升，K；

R——损耗比；

K——负载系数，为负载电流与额定电流的比值；

x——油的指数；

Hgr——热点和顶部油温的差值，K；

y——绕组指数。

顶层油的暂态温升Δθbt的计算如下：

Δθbt=Δθbi+ (Δθbu-Δθbi)(1-e-t/τ0)

(2)

式中：

Δθbi——底层油的起始温升；

Δθbu——时间t内所加负载的稳态底部油温升，K；

τ0——油时间常数。

同样，随着负载的增加，绕组和油的温差将上升到一个新的数值。

绕组对油的暂态平均温升Δθwt计算如下：

Δθwt=Δθws+ (Δθwf- Δθws)(1- e-t/τ)

(3)

Δθwf=Δθwf0Ky

(4)

式中：

Δθws——绕组对油的起始温升，K；

Δθwf——时间t内所加负载的稳态绕组对油温升，K；

τ——绕组时间常数;

Δθwf0——额定负载状态下，绕组对油温升，K。

2.2.3 牵引变电所a相绕组温升计算

牵引变电所A的a相绕组温升曲线见图6。

图6 牵引变电所A的a相绕组温升曲线Fig.6 Temperature rise curve of a-phase of traction substation A

由图6可见，牵引变电所A的a相绕组最热点温度低于50 ℃。同理，可分析出牵引变电所A的b相绕组最热点温度133 ℃，基本接近了140 ℃的限值，但牵引变压器大部分时间处于空载状态。

经测试分析，牵引变电所B的两个供电臂绕组最热点温度分别为82 ℃、45 ℃。由此可见，两座牵引变电所的牵引变压器容量均远未得到充分利用。

3 牵引变电所的优化设计

3.1 对负载率过低的牵引变电所设置无功补偿

目前，轨道交通普遍采用交直交型电力机车。电力机车满负荷运行时，功率因数接近于1。因此，牵引变电所设计时一般不考虑设置无功补偿装置。例如，广佛环线城际铁路、郑登洛城际铁路、西韩城际铁路、温州市域铁路S1线均未设置无功补偿装置。但对于开通初期负载率过低的轨道交通项目，为避免电力公司的电能质量巨额罚款，设置无功补偿装置是非常必要的。

无功补偿的容量可根据牵引供电仿真或实测数据，分析牵引变电所平均无功功率后确定。

根据测试数据分析，牵引变电所A的次边a相绕组无功功率随时间变化曲线见图7。

同理，可得出牵引变电所A的次边b相绕组无功功率随时间变化曲线。牵引变电所A全天的无功功率平均值为91.5 kVar。同理，牵引变电所B全天的无功功率平均值为110.4 kVar。

轨道交通运营初期，出于成本考虑，牵引变电所的无功补偿一般采用TCR(晶闸管控制电抗器)+FC(固定电容器)型静止无功补偿器。随着SVG(静止无功发生器)价格的大幅下降，目前城市轨道交通中SVG已经成为无功补偿的首选设备。其既可以快速响应供电臂列车负荷变化、解决功率因数问题，亦可降低谐波含量。

图7 牵引变电所A的次边a相绕组无功功率随时间变化曲线

3.2 合理确定牵引变压器容量，按最大需量法缴纳电费

对于采用两部制电价计费方式的轨道交通，牵引变压器容量对其运营成本影响较大。相关专业需充分考虑轨道交通运营初期线网还不完善，以及与其他交通方式的接驳尚不理想等因素，准确预测轨道交通开通初期的运量。牵引变电所A的安装容量若由2×(20+20) MVA降低1个等级至2×(16+16) MVA，按所在省份每月的基本电价27元/kVA，则该市域轨道交通每年将节省固定电费259.2万元。

电气化铁路按照大工业用电两部制电价计费，其中固定电费和牵引变压器安装容量相关，亦取决于所在省份电气化铁路的基本电价。为适合牵引负荷波动大的特点，本文采用滑差法计算最大需量[5]。经分析，牵引变电所A的实际最大需量为6 840 kVA，牵引变电所B的实际最大需量为4 500 kVA。由此可见，两座牵引变电所的实际最大需量均小于其安装容量的40%。因此，按照电力部门规定，基本电费按牵引变压器安装容量的40%计算。该市域轨道交通所在省份的基本电价，按变压器容量计费时，每月为27元/kVA；按最大需量法计费时，每月为38元/kVA。根据计算，按最大需量法缴纳基本电费，牵引变电所A和牵引变电所B每年均可节省基本电费566.4万元。