考虑负荷过载及计量精度的牵引变压器计量用电流互感器配置

2018-07-05

重庆电力高等专科学校学报 2018年3期

(国网重庆市电力公司客户服务中心，重庆 400023)

近年来，我国电气化铁路技术突飞猛进，先进的高铁技术在全国得到了大力推广。由于高铁速度快、机车功率大且持续受电时间长，所以牵引站供电系统三相负荷电流严重不平衡，牵引变压器一次侧电流负荷曲线陡变特性极其明显[1-2]，而相关计量用电流互感器便需依据负荷电流的变化进行配置，以确保计量装置的准确可靠。然而，考虑牵引站的用电稳定和安全，现有互感器电流计算方式主要考虑过载情况，使得配置电流互感器额定电流远大于实际正常负荷情况下的电流值[3]，从而严重影响了电流互感器的计量精度，不利于对电能的合理使用和分析。因此，须对牵引站变压器电能计量电流互感器的配置进行优化和改进，以提高其计量精度。

如何寻求一个综合系数，以此来合理配置电流互感器，既符合陡变冲击电流造成的过载情况，又满足其额定电流达到最低精确要求，是一个亟待解决的技术难题。因此，针对单相接线和V/v接线等典型牵引变压器，提出了一种综合考虑过载和计量精度的牵引变压器计量电流互感器优化配置方案，考虑最大负荷电流陡升倍数为稳定电流的3倍，以及牵引站变压器负载率不低于20%，以确保实际负荷电流不低于电流互感器一次侧额定电流的20%，进而引入权重因子α对最大负荷系数K进行修正，得到最大负荷修正系数，从而对电流互感器的配置进行优化，提升电流互感器的计量精度，实现对牵引站电能使用的准确计量，这有助于供电公司完成电费回收，减少不必要的经济损失。同时，设计开发相应的优化配置软件，快速准确地得到计量用电流互感器的最优配置，提高工作效率。

1 典型牵引变压器运行负荷分析

1.1 高速铁路典型牵引变压器

高铁牵引变压器一般采用两台特殊变压器，即一台主变、一台备用，以保证供电可靠性。其主要功能是降压、分相并为牵引负荷供电。该特殊变压器从接线型式上可分为纯单相接线、V/v接线、Scott接线和三相YNd11接线等牵引变压器[4]，而我国高速电气化铁路普遍采用纯单相接线和V/v接线。

1)纯单相接线

纯单相接线牵引变压器一次侧绕组接于110 kV(220 kV)的三相高压输电线的两线上取用线电压。二次侧绕组一端接于接触网T，另一端接于钢轨R，具有过载能力大等特点，如图1所示。

图1 纯单相接线牵引变压器

纯单相接线牵引变压器一次侧电流为

(1)

式中：S1N为牵引变压器额定容量；U1N为一次侧额定电压。

2)V/v接线

V/v接线型牵引变压器又分为单相和三相，均采用两台相同容量或不同容量的单相变压器，可实现对接触网T两边供电，其变压器容量利用率较高，如图2所示。

图2 V/v接线牵引变压器

V/v接线牵引变压器一次侧进线电流为

(2)

式中：S1N，S2N为牵引变压器T1，T2额定容量；U1N为一次侧额定电压。

根据余弦定理，可得出线电流为

(3)

1.2 牵引变压器负荷变化情况

牵引站变压器对应负荷波动性较大，当列车到达某牵引站时，负荷电流陡升，而后随着列车通行而逐渐下降，直至平稳，在列车完全驶离该牵引站后，负荷电流降至零。在下一趟列车行驶进该牵引站供电范围后，负荷电流重复上述变化规律[5-6]。因此，牵引站负荷电流变化频率与机车密度有关。我国高铁机车密度相对较小，这导致负荷电流实际平均值并不高，变压器负荷率较低。

以重庆地区已投运的牵引变电站为例，其2016年上半年牵引站变压器负荷率情况如表1所示。

表1 重庆地区铁路牵引站2016年上半年主变负荷率情况表

表1中，三相V/v接线方式的牵引站变压器负荷率平均值约为17%；单相V/v接线方式的牵引站变压器负荷率平均值约为13%；纯单相接线方式的牵引站变压器负荷率平均值约为15%。根据重庆地区铁路运力实际情况可知，因为列车密度较低，所以牵引站变压器负荷率被拉低了。

以成渝客专线璧山牵引站单车运行为例，当列车到达某牵引站时，列车时速300 km/h，其追踪时间大于5 min，则负荷电流变化情况如图3所示。

由图3可见，当列车到达牵引站时，负荷电流陡升倍数约为稳定电流的3倍左右，所以需要在牵引站电流互感器的配置中考虑冲击电流造成的过载情况。

2 考虑计量精度的牵引站电流互感器优化配置

2.1 牵引站常见计量用电流互感器的配置原则

测量或计量用电流互感器要求在正常工作范围内保证规定的准确度，尤其对关口点计量的电流互感器更应准确计量[7]。为此，电流互感器的额定一次电流应尽量接近正常的电力负荷电流。

图3 实际负荷电流与列车通过时间关系

当前，牵引变压器计量用电流互感器的配置计算往往只考虑其冲击电流的过载情况。依据不同接线型式下变压器的过负荷情况，引入最大负荷系数K，基于变压器额定电流，得到相应的变压器一次侧最大负荷电流。

1)纯单相接线

对于纯单相接线牵引变压器，其最大负荷系数K=1.75，一次侧最大负荷电流为[8]

(4)

2)V/v接线

分为单相V/v接线和三相V/v接线两种形式。在额定负荷情况下，电气量是相同的，不同点在于过负荷程度，单相V/v接线牵引变压器最大负荷系数K=1.75，而三相V/v接线最大负荷系数K=1.5。

单相V/v接线牵引变压器一次侧最大负荷电流为[8]

(5)

三相V/v接线牵引变压器一次侧最大负荷电流为

(6)

以满足不低于列车通过时形成的最大负荷电流为原则，配置选取电流互感器一次侧额定电流。由此可见，仅考虑列车通过牵引站时引起的过载情况，可能会导致电流互感器变比配置偏大。

2.2 计量用电流互感器配置的优化计算

根据《电能计量装置技术管理规程》(DL/T 448—2016)规定：牵引站变压器所配置电流互感器为0.2 s级，需满足正常运行的实际负荷电流不低于额定值的20%[9]。

因此，引入修正因子α对最大负荷系数K进行修正，得到最大负荷修正系数K′，进而确定新的一次侧最大负荷电流用于优化计量用电流互感器的配置，以同时满足变压器过负荷和互感器计量精度要求。

优化后的最大负荷电流为

纯单相接线：

(7)

V/v接线：

(8)

(9)

式中：I1为归算到变压器一次侧的实际负荷电流；I1N为变压器一次侧额定电流。

利用式(9)可得到实际负荷电流与互感器一次侧额定电流的比值为

(10)

表2 不同权重因子下实际负荷电流

表3 满足过载和精度要求的K，K′和ζ

纯单相接线：

(11)

单相V/v和三相V/v接线：

(12)

由式(11)和式(12)可得电流互感器一次侧额定电流，以确定互感器变比，实现其优化配置，在满足冲击负荷电流过载要求的同时，又改善了传统配置无法保证0.2 s级电流互感器计量精度要求的问题。

3 优化配置软件设计及应用

3.1 牵引站计量电流互感器优化配置软件设计

牵引站变压器计量用电流互感器配置计算软件开发以电流互感器配置计算公式为内核，开发出一套具有可视化输入输出界面的配置计算功能软件。通过设置不同的输入参数，经软件计算，输出最终所需要的电流互感器配置变比值，达到操作简便，避免人工计算差错，实现计算标准统一、易推广的要求。

配置计算软件采用经典的BS架构、client渲染UI、server处理请求和业务逻辑响应客户端，制作一套查询命令的动态生成规则，以FORM表单为载体，使用户通过简单的选择、输入即可完成对计量电流互感器的配置计算。服务端通过自定义协议进行加密处理，保证了软件自身的安全性。其软件结构设计方案如图4所示。

图4 软件结构图

用户可在移动和PC客户端上运行该软件，通过网络与后台服务器进行数据交换，能方便高效地实现数据输入、展示、查询和编辑等操作，以及数据存储功能。通过计算模块对相应数据的计算，便捷地将各种计算结果通过良好的人机交互界面展示给用户，从而实现合理的牵引站计量用互感器配置设计。

3.2 配置计算软件测试应用

以渝万和渝利两条高速铁路牵引站作为软件测试对象。其中，两个牵引站主要数据如表3所示。

表3 牵引站基本数据

以上测试结果表明，牵引站计量用电流互感器优化配置软件具备较好的人机交互能力，可通过简单操作，快速得到准确的计量电流互感器所需配置情况，提升电能计量精度的同时，大大缩减了人力物力消耗，提高电力设计人员工作效率。

4 结语

本文基于高铁牵引站实际运行情况，形成了一套牵引站变压器计量用电流互感器优化配置方案，并完成了相应软件的设计开发。该方案依据变压器负荷率与负荷电流的对应关系，引入权重因子α对最大负荷系数K进行修正，实现对最大负荷电流的合理计算。与传统只考虑过载因素的配置相比，该方案兼顾了负荷电流过载因素和互感器计量精度的要求，满足电流互感器安全稳定运行的同时，提升了电能计量精度，为供电公司实现电费回收提供了保证。