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摘 要:高速铁路牵引供电系统是一种三相不均衡负载,在运行过程中会出现负序电压,如果电压超过了正序,将会对电网的运行和运行带来不利的后果。通过对高铁牵引站不均衡负序电流的影响进行了理论和模拟计算;从原理上,对V/X接线模式下的牵引电源进行了建模,并给出了V/X接线模式下的逆序法;在模拟和分析方面,利用 PSCAD/EMIDC完成5个高铁牵引站对电力系统影响的计算。分析发现,该地区5个高铁牵引站对电网运行的影响程度不尽相同,其中,共用线路短路能力相对较低的电网,三相电压失衡率超标。
关键词:高铁供电系统;负序电流;电力系统;V/X接线
电力列车的单相工作频率为25kV,牵引电源中的负序电源是以电为主,三相不均衡所引起的负序电流经牵引站点输入到供电网络中,因其工作的随机特性,导致某一区间的三相电压失调,很难调整。目前国内新建的高铁采用220kV和330kV (西北)电压等级的输电线路,但是,不同区域的电网组成和长度不一样,也有可能对保护等装置造成一定的冲击。此外,铁路列车拖车所产生的负序不均衡对电网终端网或某些脆弱的电网是否有较大的冲击,也是一个值得探讨的问题。对此,本文通过分析5个高铁牵引站对电网带来的影响,探讨了铁路不均衡负序电流在电网中的作用,从而为防止铁路列车运行中的负序不均衡对电网的危害和控制奠定基础。
1.V/X接线方式高铁供电系统模型
1.1外部电源模型
牵引变进线采用220 kV等级供电,牵引变电所牵引侧母线额定电压为27.5 kV,接触网及电力机车均为25 kV,并在PSCAD中采用一种较为理想的三相交流电压源仿真模型。
1.2牵引V/X接线形式牵引变电所模型
牵引变电所的牵引变压器1台,备用1台。V/X接线方式的牵引变压器是将 V/V接线与 AT接线相结合,两台单相变压器组成一组,两台单相变压器的原边 V接,分别连接高压电网的三相,副边线圈从中间接地点引出,两台单相变压器副边的四个端点分别连接接触线T1、馈线F1、接触网T2和馈线F2,牵引母线通过馈线牵引变电所两侧供电臂牵引供电,此时牵引变电所无须设置自耦变压器。V/X接线容量利用率达到100%,对牵引网实现双向供电,两臂电压相位差60°,减少了电流非对称性。
牵引变电器是牵引变电所的核心部件,它保证了牵引变电所的电压转换,本文所研究地区的牵引变压器采用的是V/X接线变压器,仿真模型如图1所示。
图1 V/X接线变压器仿真模型
1.3AT所和分区所模型
AT所有两台自耦变,一台运行一台备用;分区所4台自耦变,2台运行,2台备用,单机容量25 MVA。自耦变压器通过上下断路器、隔离开关与母线连接。PSCAD中没有现成的模型,需要自行建立自耦变压器。为了使自耦变比达到2:1,单相双绕组变压器一次侧连接二次侧异名端,中点抽头连接到钢轨上,另外两个抽头分别连接馈线和接触线,自耦变仿真模型详见图2。
图2 自耦变仿真模型
1.4复线链式悬挂系统模型
考虑承力索 M,接触线 C,正馈线 F,钢轨 R等效,同时不影响研究对象的电气量特性的条件下,两条钢轨对称分布,等价为位于二者之间的单根导体,承力线和接触线共同传递电流,但大部分电流集中在接触线上,由于接触线呈“之”字形排列,其与承力线的位置比较复杂,计算起来也比较困难,因此将二者等同为一根导体,并与正馈线平行。最终系统等效为三根相互平行的导线,复线系统上下各有三根相互平行的导线,复线链式悬挂系统模型见图3。根据多导体电力传输线理论及各导线参数,可计算出以下数据:
接触网等价自阻抗Z1=0.04420+j0.12318Ω/kM
钢轨等价自阻抗Z2=0.07795+j0.27895Ω/kM
正馈线等价自阻抗Z3=0.00100+j0.04349Ω/kM
图3 复线链式悬挂系统模型
2.不平衡负序电流的计算方法
在不考虑高速铁路交直型机车负载谐波含量的情况下,假定功率因数为1。根据电力系统三相侧的 A相电压,提出了次边双臂电流:
iaL=Iae-j30
ibL=Ibe-j90
其中,Ia和Ib是供电臂基波的有效值。相应系统原边侧电流是:
iA=Iae-j30/K
iB=Ibe-j90/K
iC=-(iA+iB)
其中 K是变压器的变比,图4表示出了原边和次边电压与电流矢量的关系,当 a相接线角与 b相接线角相差60°时,电流的不平衡性是最小的,可见次边的两相电流矢量相差60°,次边的三相电流不平衡。副边两相电流引起的负序电流:
IA(-)=(Iae-j2φa+Ibe-j2φb)
图4 电压和电流矢量图
在推导过程中,仅对一个特定的情形作了定量的分析,即 a相接线角度φa=30°, b相接线角度φb=90°代入到上述公式,得出 A相负序电流:
=
在牵引变电站的两条电力供应系统中,有六种操作模式可供选择。方法一:最大限度的使用左臂,最大限度的使用右臂。方法二:左臂无机车,右臂最大负荷运转。方法三:最大限度地运转左臂,最大限度地运转右臂。方法四:正常运转左臂,最大负荷运转。方法五:最大限度地运转左臂,最大限度地运转右臂。方法六:正常操作左臂,正常操作右臂。某地区高速铁路牵引站设计的主要设计计算参数如表1所示,牵引站在6中列车运行方式下注入电力系统负序电流计算结果详见表2。
项目 | 站名 | ||||
A站 | B站 | C站 | D站 | E站 | |
供电臂长度(KM) | 28.65 | 24.9 | 26.57 | 21 | 25.78 |
供电臂有效电流(A) | 321 | 332 | 286 | 276 | 177 |
供电臂最大有效电流(A) | 943 | 872 | 824 | 858 | 1083 |
牵引变安装容量(MVA) | 25 | 25 | 25 | 25 | 25 |
牵引变额定电压(KV) | 220*27.5 | 220*27.5 | 220*27.5 | 220*27.5 | 220*27.5 |
牵引变短路阻抗百分比(%) | 10.5 | 10.5 | 10.5 | 10.5 | 10.5 |
牵引变压器线形式 | V/X | V/X | V/X | V/X | V/X |
表1 某地区高速铁路牵引站设计主要设计技术参数
表2 牵引站负序电流计算结果表
允许负序电流值 | 站名 | ||||
A站 | B站 | C站 | D站 | E站 | |
方式一 | 117.88 | 109 | 103 | 107.25 | 135.38 |
方式二 | 115.38 | 104.88 | 141.38 | 140 | 166.63 |
方式三 | 103.73 | 95.74 | 89.28 | 97.76 | 124.6 |
方式四 | 101.45 | 91.48 | 127.32 | 126.33 | 156.74 |
方式五 | 116.65 | 107 | 126.63 | 126.84 | 153.41 |
方式六 | 40.31 | 40.08 | 42.94 | 30.45 | 23.99 |
在对高铁牵引供电系统的负序进行研究时,主要是考虑高速列车在牵引供电系统中运行时,牵引变电站所连接的电力系统公共连接点导致的三相电压不平衡问题,高铁对电网负序的影响与负序容量在系统中的占比有着密切的关系。三相电压不平衡通过牵引站产生的负序容量与对应的牵引供电站的短路容量之比就可求出。
表3 变电站220kV母线三相短路容量表
项目 | 标幺电流 | 等效阻抗 | 母线三相短容量 |
A站 | 72.3617 | 0.0138 | 7226 |
B站 | 62.0495 | 0.0161 | 6198.7 |
C站 | 34.7425 | 0.0288 | 3476.3 |
D站 | 46.6725 | 0.0214 | 4661.6 |
E站 | 41.218 | 0.0243 | 4128.4 |
表4 电压三相不平衡度计算结果
三相电压平衡度 | 站名 | ||||
A站 | B站 | C站 | D站 | E站 | |
方式一 | 0.62 | 0.67 | 1.13 | 0.88 | 1.25 |
方式二 | 0.61 | 0.64 | 1.55 | 1.14 | 1.54 |
方式三 | 0.55 | 0.59 | 0.98 | 0.8 | 1.15 |
方式四 | 0.53 | 0.56 | 1.4 | 1.03 | 1.45 |
方式五 | 0.62 | 0.66 | 1.39 | 1.04 | 1.42 |
方式六 | 0.21 | 0.25 | 0.47 | 0.25 | 0.22 |
通过表3、表4可知,C站、D站的短路电流和短路容量都较小,而这与电网结构有着密切的关系(电网结构图详见图5),由上表可知,A站变与500kV电压等级线路能够直接相连,短路的容量也会随之上升,而其他站变与220kV电压等级相连,当发电组能够直接接入时,短路容量就能得到增加。
图5 电网结构图
结束语:
综上所述,具有较小短路能力的电网,三相电压不均衡会出现不均衡。通过适当提高牵引电源与电网之间的电压水平、在低电压端增设补偿以提高公用节点的短路能力,降低三相电压失衡。在实际运行中,调度单位要尽可能地避开这些运行模式,以达到防止超标的目的。分析和模拟计算的参数设定简单、灵活、易于实现,为研究不均衡负载对电网的影响奠定了基础。
参考文献
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