王卓，李群湛

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

同相补偿装置运行方式对牵引变压器影响分析

王卓，李群湛

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

摘要:为了探讨同相补偿装置运行方式对牵引变压器温升及寿命损失影响，对两既有线牵引变电所进行同相供电系统改造设计，结合变压器温升模型对不同运行方式下牵引变压器绕组温升、绕组对变压器油温升及变压器油温升进行了仿真分析，在此基础上计算牵引变压器寿命损失。研究结果表明：根据牵引变电所的牵引负荷特性及短路容量，合理选择同相补偿装置运行方式将有效降低牵引变压器温升、充分利用其寿命损失并延长同相补偿装置寿命。

关键词：同相补偿装置；运行方式；牵引变压器；温升；寿命

近年来，我国高速铁路迅速发展，为我国社会与经济的发展发挥了极大的推动作用[1]。但是单相工频交流制伴随的以负序为主的电能质量问题及列车过分相时的速度下降与牵引力严重损失问题却制约着我国高速铁路的发展[2]。同相供电技术可以取消电分相，提升高速及重载铁路运行效率[3]并将铁路牵引负荷对电力系统产生的负序不良影响降为最低[4-5]。同相供电技术的关键就是采用同相补偿装置对牵引负荷进行实时检测，并对造成的负序进行补偿，并兼顾补偿无功与谐波[6-8]。

目前，实现同相供电系统的新一代技术是组合式同相供电技术[9]。世界首套单三相组合式同相供电装置在山西中南部铁路通道重载综合试验段沙峪牵引变电所投运成功。组合式同相供电技术中同相补偿装置可以分担一部分牵引变压器的负荷，因此在对应用组合式同相供电技术的牵引变电所牵引变压器容量设计时，应考虑到同相补偿装置的供电能力。同相补偿装置运行方式对应不同牵引变压器负荷过程，从而会影响到牵引变压器温升，牵引变压器温升影响到其过负荷能力[10]。李群湛[9]提出了2种最具有代表性同相补偿装置基本运行方式。

本文在上述基础上根据实测负荷过程研究同相补偿装置运行方式对应的牵引变压器温升并计算出其寿命损失，综合分析同相补偿装置运行方式对牵引变压器安装容量的影响，从而为采用组合式同相供电技术的牵引变电所同相补偿装置运行方式的选择提供参考。

1单三相组合式同相供电

单三相组合式同相供电方案如图1所示。

图1　单三相组合式同相供电方案示意图Fig.1 Connection diagram of a combined co-phase supply system with a single-phase and three-phase modular

单三相组合式同相供电变电所由主变压器TT和同相补偿装置CPD组成，其中同相补偿装置CPD包括高压匹配变压器HMT、交直交变流器ADA、牵引匹配变压器TMT以及交流电抗器L等[11]。

单三相组合式同相供电技术方案相比较于以前的同相供电装置，将同相补偿装置与牵引变压器运行分离，从而使同相补偿装置退出运行时，可以由牵引变压器利用短期过载供给负荷功率，并且同相补偿装置容量的设计是根据负荷过程及系统短路容量计算。因此组合式同相供电技术提升了同相供电系统可靠性与经济性。

组合式同相供电方案拥有众多灵活的运行方式。本文选取其中两种典型情况来分析同相补偿装置的运行方式对牵引变压器温升及寿命损失的影响。同相补偿装置可按2种方式运行[9]：

方式Ⅰ：同相补偿装置使用热备用的形式，当负荷功率引起的三相不平衡度符合国标要求时，由牵引变压器承担全部负荷；负荷功率引起三相不平衡度超标时，同相补偿装置补偿负荷功率与负序允许功率差值的1/2，使三相不平衡度满足国标要求。

方式Ⅱ：同相补偿装置持续运行，当负荷功率小于等于同相补偿装置容量2倍时，同相补偿装置分担牵引变压器一半的负荷功率；当负荷功率大于同相补偿装置容量2倍时，同相补偿装置按照额定容量补偿，其余负荷功率由牵引变压器提供。此时会产生剩余负序功率，但符合国标要求。

2种运行方式在满足负序补偿目标上是等效的，然而方式Ⅰ重视的是延长同相补偿装置的使用寿命。因为同相补偿装置中交直交变流器的IGBT器件的老化是与同相补偿装置输出功率有关的，而且IGBT的价格较为昂贵，在保证负序补偿的前提下，延长同相补偿装置的使用寿命可以进一步提升方案的经济性。方式Ⅱ中同相补偿装置可以更多的进行负序补偿，将对电网的负序影响降为最低，并分担牵引变压器的负荷，提高牵引变压器的过负荷能力，减少牵引变压器的安装容量从而降低运营成本。

2变压器温升计算模型

变压器运行时，由于铁耗、铜耗等会产生一定的热量使绕组温度升高，绕组通过与变压器油的热传递将多余热量传递到空气，将多余热量散发。在这个过程中会造成变压器绕组、油温度升高，过高的温度会导致变压器中产生气泡从而影响到变压器的绝缘特性。牵引负荷波动剧烈，绕组最热点限制了牵引变压器的过负荷能力及容量利用率[10]。

国家对变压器温升极限是基于以下条件来规定的：变压器在环境温度为20℃下带额定负荷长期运行，对应的变压器绕组最热点温度约为98 ℃。在正常周期性负载下，允许变压器绕组的热点温度限值为 140 ℃。变压器油的热点温升极限为 105 ℃，变压器日寿命损失不得超过 24h[12]。设实际负荷与额定负荷之比为K=S/Sn，则油和绕组的温升的计算公式如下[12]：

任意负荷下，顶层油的温升(最大值)为

(1)

式中:d为额定负荷下的短路损耗与空载损耗之比，约为2～6；x为计算油温用的指数，对于自然油循环变压器，x约为0.8；τy-km顶层油对空气的允许温升。

任意负荷下，绕组对油的温升(最大值)为

(2)

式中：τr-km绕组对空气的允许温升；y计算油温最热点温升用的常数，一般可取y=x。

在变压器实际运行过程中，负荷是不断变化的，尤其是对于电气化铁路牵引负荷，负荷波动剧烈，稳态情况下的变压器温升计算公式并不适用。因此将变压器暂态发热等效为均匀导体发热，则任何瞬间t的温升可用式(3)计算[10]。

(3)

式中：τ变压器绕组或油对空气的温升；τs变压器绕组或油对空气的起始温升；τw变压器绕组或油的稳定温升；T发热时间常数。

实际的负荷曲线各段持续的时间短，变压器并不能在每段的较短的时间内都达到稳定值。在这种情况下，宜采用下式计算

(4)

所以第段结束时的温升可用下式计算

(5)

变压器的老化速度主要由其温度决定，绝缘温度越高，化学反应进行越快，变压器使用年限越短。根据蒙特辛格关系式可以得到与温度时间相关的变压器寿命损失如下式。

Z=Ae-ρθ

(6)

式中：A为系数；ρ为常数；θ表示温度(摄氏度)。

由此，当θc表示实际绕组最热点温度，以国标规定的取变压器绕组最热点温度98℃作为变压器基准寿命损失。可以得到变压器的相对寿命损失率为

V=e0.693(θc-98)/6

(7)

利用上述变压器温升模型，可以计算出牵引变压器随牵引负荷每一段的温升曲线，并根据每一段温升曲线计算出相应的寿命损失。

3同相补偿装置运行方式对牵引变压器温升与寿命损失影响分析

某牵引变电所A及B一天的负荷过程数据如图2所示。

图2　牵引变电所A与B实际负荷曲线Fig.2 Actual load diagram between A and B traction substation

馈线空载概率可由式(8)计算[2]。

(8)

式中：T全日时长；Tg馈线带电总时分。iF为馈线电流，带电平均电流可用式(9)计算

(9)

带电平均有效电流计算如下式

(10)

带电有效系数为

(11)

带电有效系数在一定程度上反映了负荷电流的波动性，带电有效系数越小，负荷的统计分布越集中；带电有效系数越大，负荷统计分布越离散。牵引变电所A和B对应的馈线空载概率及带电有效系数见表1.

表1A和B所空载概率与带电有效系数

Table1Non-loadprobabilityandelectrificationeffectivecoefficientofAandB

空载概率带电有效系数A0.40111.400B0.13651.237

由表1牵引变电所A与B相比，A空载概率高且带电有效系数明显高于B所，负荷波动程度较B剧烈。

可以按照如下方法设计单三相组合式同相供电牵引变电所[9]。若短路容量为sd，三相电压不平衡度限值为uε%，通过牵引变压器的功率为sTMVA，通过同相补偿装置的功率为sCMVA，系统允许的负序功率为sεMVA,负荷过程提取的最大值为sMVA，则

sε=uεsd/100

(12)

(13)

根据牵引变压器的过负荷倍数确定安装容量，这里牵引变压器取过负荷倍数kT=1.75，不考虑同相补偿装置过负荷能力。

由此可以得到两牵引变电所A和B分别在2种运行方式下，绕组最热点温差随系统负序功率允许值的变化。牵引变电所A取负序功率允许值范围为0-sA(A负荷过程最大值) ，牵引变电所B取负序功率允许值范围为0-sB(B负荷过程最大值) ，负序功率允许值步长为5MVA，则运行方式造成的最热点温差随系统允许负序功率的变化如图3所示。

图3　牵引变电所A与B温差曲线Fig.3 Temperature difference diagram between A and B traction substation

由图3可以得出，在负荷过程确定的情况下，

同相补偿装置运行方式造成的绕组最热点温差是随系统的负序功率允许值变化的，即系统的短路容量与uε%之积。且曲线的变化趋势类似于抛物线，拥有极大值点。

分别取牵引变电所A和B同相补偿装置运行方式造成温差最大值点对应的sε。由图3可以得出当sε A=7 MVA、sε B=7.5 MVA，变压器绕组温升受运行方式影响最大。若空气温度为20℃，则A在2种运行方式下变压器油、绕组对油及绕组温升曲线分别如图4所示。按照同样方式对B所进行同相供电改造，则对应的温升曲线图5所示。

根据图4得出：1)牵引变压器油温受同相补偿装置运行方式的影响较大，在方式Ⅱ下变压器油的温度比方式Ⅰ减少了10.134 5 ℃。2)由绕组对油的温升曲线可知，绕组对油的温升最大值主要是受最大负荷影响，不受同相补偿装置运行方式的影响，但是同相补偿装置的运行方式会影响绕组对油的平均温升。3)由于绕组对油的温升最大值基本不受运行方式的影响，所以绕组温度受运行方式影响的主要原因是变压器油的温度易受运行方式影响。

根据图5与图4对比得出，1)B所油温受同相补偿装置运行方式影响明显高于A所，在方式Ⅱ下变压器油温比方式Ⅰ减少了14.187 9 ℃。由A和B所实际负荷特性可知，负荷过程相对稳定、空载概率低的牵引变电所油温受同相补偿装置运行方式影响较大。2)由于同相补偿装置运行方式造成的变压器油温差与绕组对油的温差变化曲线并不是完全同步的，因此绕组最热点温差并不一定就是油最大温差与绕组对油的最大温差之和。定义同相补偿装置运行方式影响的牵引变压器绕组温差占油温差的比例为温差利用率。A和B所绕组、油温受同相补偿装置运行方式影响温差及利用率见表2。

图4　变电所A油、绕组对油与绕组温升曲线Fig.4 Temperature of A traction transformer oil and winding

图5　牵引变电所B油、绕组对油及绕组温升曲线Fig.5 Temperature of A traction transformer oil winding to oil and winding

Table2TemperaturedifferenceandutilizationratiobetweenAandB

绕组最热点温差/℃油最热点温差/℃利用率/%A7.442910.134573.4B13.172414.187992.8

由表2可得牵引变电所A的温差利用率明显小于牵引变电所B。因此，空载概率与带电有效系数较低的相对平稳牵引负荷过程，在方式Ⅱ下变压器油的温升比较平稳，绕组可以更好的利用同相补偿装置运行方式对变压器油产生的温差来降低最热点温度。

利用变压器寿命损失模型计算得出，对应的牵引负荷A和B的相对寿命损失率见表3。

表3　A与B所的相对寿命损失率

相对寿命损失模型中基准寿命损失是变压器在98℃下，寿命损失24h，因此变电所实际寿命损失为见表4.

表4　A与B所的实际寿命损失

由实际寿命损失可以发现，牵引变压器实际的寿命损失是很小的，限制变压器寿命损失利用的主要因素是牵引变压器绕组最热点温度，通过同相补偿装置运行方式的选择可以最大程度降低绕组最热点温度，从而提高牵引变压器过负荷能力，充分利用其寿命损失来减少安装容量。

因此根据系统的短路容量及负荷过程特性，合理选择同相补偿装置的运行方式，可以最大限度的减少牵引变压器温升造成的损失，从而为更好的利用牵引变压器过负荷能力，提高牵引变压器容量利用率，降低牵引变压器的安装容量，延长同相补偿装置寿命，降低组合式同相供电系统经济成本。

4结论

1)在给定系统短路容量的情况下，同相补偿装置通过改变运行方式可降低牵引变压器绕组最热点温升。

2)同相补偿装置运行方式的改变影响牵引变压器油温、绕组对油的平均温升及油的最大温升而绕组对油的最大温升不受影响，因此绕组最热点的温升受同相补偿装置运行方式影响程度主要取决于变压器油温对运行方式的敏感程度。

3)同相补偿装置运行方式对绕组最热点温升的影响与负荷特性有关，空载概率越低、越平稳的负荷过程，同相补偿装置在持续运行方式下牵引变压器绕组温升相对于热备方式下的绕组温升将减少的越多。

4)根据牵引变电所负荷特性及系统短路容量，合理选择同相补偿装置运行方式提升牵引变压器过负荷能力及延长同相补偿装置寿命，可以进一步提升组合式同相供电经济性。

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The influence analysis of co-phase supply device operationmode on traction transformer

WANG Zhuo， LI Qunzhan

(SchoolofElectricalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，China)

Abstract:To discuss the influence of the co-phase supply device operation mode on the traction transformer temperature and life, the traction substation project was carried out to study the influence of co-phase supply device operation mode on the traction transformer life and winding, winding-oil and oil temperature rise. The research results show that the traction transformer temperature rise is reduced effectively, and that the life loss of the traction transformer is well used and the life of co-phase supply device is extended by choosing the appropriate co-phase supply device operation mode according to the characteristics of traction load and the short-circuit capacity.

Key words:co-phase supply device; operation mode; traction transformer; temperature rise; life

收稿日期：2015-11-11

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目(2014J009-B)；中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目(ZB08)

通讯作者：李群湛(1957-)，男，河北元氏人，教授，博士，从事电力系统分析，电气化铁道供电理论，电能质量与控制的研究；E-mail：lq23431@263.net

中图分类号：TM711

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)05-0958-06