交流传动机车与直流传动机车混合运用条件下牵引网电压控制技术.docx

文章编号：交流传动机车与直流传动机车混合运用条件下牵引网电压控制技术李强， 吴命利中国铁路总公司科技管理部，北京；北京交通大学电气工程学院，北京摘要： 在大秦重载铁路上，担当万吨和两万吨重载列车牵引任务的即有 型、 型交流传动电力机 车，也有 型直流传动电力机车。由于这两种电力机车具有不同的电气负荷特性，在大秦线的局部区段，保持牵引变电所母线电压处在适当水平成为一个需要解决的技术问题。结合算例，本文给出因 型电力机车功率 因数低而导致的网压降低和 型电力机车再生制动引起的网压升高的仿真计算结果，分析电源短路容量、牵引变压器、无功补偿装置以及牵引网阻抗对网压变动的影响。 对包括使用有载调压牵引变压器、有 载 调 压 自耦变压器、晶闸管控制串联变压器、串联电容器和功率平衡调节器 等在内的不同改善网压技术方案进行比拟。 基于现代电力电子技术的功率平衡调节器不但能有效稳定网压还能综合治理电能质量，有望为该问题提供最正确 解决方案。关键词： 牵引变电所；电压控制；电力机车；功率平衡调节器中图分类号：文献标志码：， ，；，：， ， ， ， ， ， ， ， ， ：；收稿日期：；修回日期：基金工程：中国铁路总公司科技研究开发方案；中央高校根本科研业务费专项资金第一 李强，男，吉林德惠人，高级工程师。：通讯 吴命利，男，河北藁城人，教授，博士。：铁道学报第卷维持接触网的电压水平在可接受范围对电气化铁道具有重 要 意 义。 我 国 ?铁 路技术管理规程?第 十 版第条规 定：接 触 网 额 定 电 压 值 为 ，最 高工作电压 为 ，最 低 工 作 电 压 为 。 大 秦重载货运线 路 上 和 型交流传动电力 机车与 直流传动电力机车同时运用。由于这两 类电力机车具有不同的电气负荷特性，在大秦线的部 分区段，为满足处于供电臂末端 型电力机车的网 压要求，不得不把变电所牵引母线空载电压调高，但这 可能导致交流 传 动 机 车 再 生 制 动 的 失 败。 保 持 变 电所母 线电压处 在适当水平成为一个 需要解决 的 技 术 问题。 在混合机车运 用 条 件 下 如 何 控 制 牵 引 变 电 所 母线电压，在已有文 献 中 未 见 到 详 细 报 导，在 世 界 范 围内也是一个新 课 题。 我 国 当 前 正 处 于 电 力 机 车 的 更新换代过 程 之 中，新 型 交 流 传 动 机 车 正 在 逐 步 淘 汰旧的直流传动机 车，在 一 段 时 间 之 内，不 少 电 气 化 线路都会出现两类机车混合运用的 局面，大 秦 线 出 现的问题具有一 定 代 表 性。 开 展 交 流 传 动 机 车 和 直 流传 动机车混 合运用条件下牵引网 电压控制 技 术 的 研究十分必要。根据负荷变化情况实现变电所电压自动调节的技 术通常有采用有载调压变压器、增设自耦调压变压器、 增设串联电容补偿等，不同的技术方案具有各自的优 缺点。最近国内开发出来的基于现代电力电子技术的 电气化铁路用静止无功发生器 ，具有响应速度快、节能效果好，特别是能对电 能质量问题进行综合治理等优点，有望为这一问题提供最正确解决途径。电抗器 相结合的静止无功补偿装置 ，以实现无功功率补偿量的动态调节。接触网采用全补偿简单链形悬挂，结构高度一般 为。正线接触线型号为 ，承力索为 ，局 部 负 荷 严 重 区 段 设 加 强 导 线，型 号 为 ，正馈线有×和 两种配置方 案，保护线采用 。电力机车大秦线上运用的电力机车分为两类，直流传动电 力机车 改 进 型和 交 流 传 动 电 力 机 车 和 型，均为 轴式两节 轴大功率货运机 车，其主要特性见表。表电力机车特性机车型号额定功率牵引电机功率因数牵引效率电阻制动再生制动再生制动制动方式万吨列车台数万列车台数改良型 型电力机车整流电路采用不等分三段半控桥，尽管车上设置了兼滤 次谐波的功率因数校 正装置 ，因投切控制用的晶闸管易烧毁，实际运用中通常不投，其实际功率因数比拟低，一般不到 一些线路实测平均值只 有，并且、等次谐波含量较大。 和 型电力机车采用交直交传动主电 路，电源侧变流器 为 采 用 控 制 技 术 的 四 象限脉冲整流器，不同功率单元之间采用多重化控制 技术以改善电流波形，整车功率因数接近，谐波含量 小，并且能够再生制动。机车上设有电压保护，当机车 电压低 于 或 高 于 时，将 切 断 电 源。 图为 型电力机车不同网压下的牵引功率发挥 曲线。供电概况供电系统大秦铁路全 长 ， 年全线建成通车时 设有 个 牵 引 变 电 所，牵 引 网 采 用 自 耦 变 压 器 供 电 方 式。 随 着 运 量 的 不 断 增 加，年和年分别进行了亿和亿扩能改造，分别增加个和个牵引变电所，目前全线共有个牵引变电所。 此外，还有安装自耦变压器的 所和分区所共 处。 所有变电所均由公用电力系统 电 网 供 电，系 统 短 路 容 量 一 般 为 。除终端的 秦 皇岛北牵引变电所采用单 相接线变压器外，全部采用 接线变压器，容量有 、 、 、 几 个 等 级，阻 抗电压百分 数 为 或 。 大 局部变电所安装有 固定并联电容补偿装置以提高 功率 因 数。 年 扩能改造时，局部变电所安装了固定电容与晶闸管控制图 型机车牵引功率发挥与网压关系第期李 强等：交流传动机车与直流传动机车混合运用条件下牵引网电压控制技术电压水平分析仿真计算取一长 的代表性供电臂进行仿真计算，网 络拓扑结构如图所示。变电所牵引母线空载电压取，系 统 短 路 容 量 取 ，牵 引 变 压 器 按 接线，容 量 ，阻 抗 电 压 百 分 数 ，那么 图中的等值电源阻抗为图 万单列车网压大秦线为 实 现 亿 年 运 量，设计追踪间隔为 ，列车速度。不考虑空车线的影响时，对算例中的供电臂，列车最低电压发生在前车处于距变电所、后车距变电所 的条件下。为接近 ××牵引母线上安装有并联补偿电容器，补偿支路电容为，与电容器组串联的空心电 感为 。 漏 抗 取 ，大 地 电 阻率取·，牵引网导线悬挂几何位置如图所 示。实际情况，追踪计算时，列车功率取 表给出了不同组合情况下的最低电压计算结果。 和 的，表追踪运行时的列车最低电压序号追踪条件后车网压前车 、后车 前车 、后车 前车 、后车 前车 、后车 分析讨论图 计算用的 网络从计 算 结 果 来 看，型电力机车牵引 的 两 列列车 连续追踪运行时，后 车 最 低 网 压 只 有。在不利条件下，如供电臂较长、两列车均处 在上坡道机车满功率运行、系统网压波动等，最低网压必定会超出?铁路技术管理规程?下限。 实际运行中，在大秦线上实 测 到 低 至 以 下 的 网 压。 在 目 前 交流机车和直流机车混合运用条件下，在组织运输时， 应该防止 型电力机车牵引列车的连发。除机车特性和列车功率外，影响网压的因素还有：变电所 进线短路容量、牵引变压器阻抗、变电 所并联电容补偿装置、牵引网阻抗等。 大秦线不少变 电所 进线短路容量较小，在 系 统 最 小 运 行 方 式下甚至低于 ，重负荷下系统压损过大，进 线电压低至 以下，造成供电电压偏差超标。 牵 引电流在牵引变压器阻抗上的电压损失也不容无视。年 亿改造时，新投入的变压器把短路阻抗百 分数从降到了，这对网压能起到一定改善作 用，可以提高最低网压 左右。 牵引变电所内的 并联电容补偿装置，其主要目的是补偿无功功率，提高 功率因数，对网压也有改善作用，计算说明可以提高网 压 左右。降低牵引网阻抗的措施有采用分裂正 馈线、增设加强线等。 它们的主要目的是增加载流能图牵引网导线几何位置计算中按列车考虑，并假定牵引功率均为×。 考 虑 到 电 力 机 车 的 效 率 和 功 率 因 数，采用 型电力机车时，列车从网上取用功率为 采用 型电力机车，列车牵引时从网上取用功率为 利用开发的牵引供电仿真软件 进行计算。图给出了单列车在整个供电臂全功 率运行时的列车电压变化情况，牵引母线空载电压为。图同时给出 型电力机车在不同位置 再生制动时的网压情况。铁道学报第卷力，在降低阻抗、减少压损上的作用有限。适当提高 牵 引 母 线空载电压无疑能改善最低网 压，但这可能带来交流机车无法再生制动的问题。 从 图计算结果看，在给定条件下， 型电力机车牵 引的列车最高制动 网 压 为 ，如 接 触 网空载电压再提高的话，不利条件下，再生网压将超过，机车过电压保护会动作，从而导致再生制动失 败。这一问题在初期试验运行中已有发生。在目前混 合机车条件下，有必要针对个别问题突出区段，在牵引 变电所采取一定的技术措施，实现对网压的动态控制， 既要保证 型电力机车的 最 低 网 压 达 到 ，又 要防止 、 型电力机车的再生制动失败。中熄弧的有载分接开关，存在油碳化问题，因装置每日动作次数较多，平均每月至少需滤油次，维护工作量 较大。自耦变压器既可增压，亦可降压，决定于分接头如 何设置。理论上，有载分接开关可以用晶闸管电子开关来 代 替，其 原 理 如 图 所 示。 图 中，、 和为隔 离 开 关， 为 双 向 晶 闸 管，与 晶 闸 管 串 联 的 电抗器用于在切换瞬间限制过渡电流。技术方案有载调压牵引变压器有载调压牵引变压器由牵引变压器本体、有载分 接开关、电动机构及其自动控制器组成。 有载分接开 关能够保证在不中断负载电流的情况下，实现变压器 绕组中分接头之间的切换，从而改变绕组的匝数，即变 压器的变比，到达调压的目的。 有载调压牵引变压器 在兰武、宝中等电气化铁路上得到了实际应用，变压器 为星形三角形接线方式联结组别为 ，在高 压侧绕组设置分接头。由于大秦线采用 接线变 压器，并且前文所述的电压调节要求应当对一个供电 臂独立实现，因此应该在变压器二次侧实现有载调压， 有载分接开关切换绕组分接头时，电流比拟大。由于牵引负荷变化剧烈，有载分接开关动作十分 频繁，对其可靠性要求很高。 有载分接开关最好采用 国内新研制出的油浸式真空熄弧有载分接开关，采用 真空管防止了用绝缘油作为熄弧介质所带来的油碳化 问题，从而无需添加在线滤油装置。 这种分接开关的 长期载流由专用的机械主触头来承当，真空管只在切 换过程中瞬时承载，因而过载能力增强。图晶闸管控制的自耦调压变压器晶闸管控制串联变压器晶闸管控制串联变压器型调压方案的原理如图 所示。调压装 置 安 装 在 母 线 至 馈 线 之 间，降压变压器 从 、 间获得一较低电压图中 分为档，该电压通过 按一定变比被叠加到 线 和 线上，实现增压。 与图 自耦变压器调压方案相 比，图串联变压器型调压方案中，晶闸管和电抗器可 以工作在较低的电压水平下，对器件和设备的绝缘耐 受要求降低，具有一定优越性。图晶闸管控制串联变压器调压方案有载自耦调压变压器年，在大秦线延庆至下庄段供电能力加强应 急改造工程中，在延庆牵引变电所当时主变压器为十 字交叉接线滞后相牵引母线与馈线自耦变压器之间 增设了有载自耦调压变压器，当时主要目的是增压，自 耦变压 器 输 入 额 定 电 压 为 ×，输 出 电 压 为××，额 定 结 构 容 量 ×。 通过自动控制器可以同时对 、 线 电 压 进 行 同 步 联 锁控制，级位保持相同，分接开关每动作一个档位，、 线间电压提 高 ；当 上、下 行 馈 线 调 压 装 置 同 时 投入运行时，自动控制器可以同时对两台有载自耦调压变压器进行同步联锁控制。由于当时采用了传统油串联电容器串联电容器安装于牵引变压器之后、自耦变压器 之前，尽管理论上可仅在 或 一 根 线 上 安 装，但 为 保持 接线牵引变压器二次侧线圈绝缘耐受的均 匀性，最好在 线和 线上同时对称安装。 接线原理 如图所示，图中 为电容器组， 和 为阻尼元件， 为放电间隙， 为断路器。流过牵引电流时，从变压器二次侧到牵引馈线，经 电容器产生一个电压升；流过再生电流时，反过来，从 牵引馈线到变压器二次侧，经电容器产生一个电压升。 电压抬升量为第期李 强等：交流传动机车与直流传动机车混合运用条件下牵引网电压控制技术大秦线采用方案年大秦线亿扩能改造时，采用了低压侧 有载调压方案，接线变压器 座、 座各装设 台有载分接 开 关，可 分 别 独 立 调 整 二 次 侧 绕 组 匝 数。 采用的控制策略为：当牵引母线电压高于下调起动电 压，再生电流大于下调起动电流 ，持续时 间大于下调延时 值 时，有载 调压开关可调节分 接 头，下调电压；当牵引变电所母线电压低于上调起动电 压，牵引电流大于上调起动电流 ，持续时 间大于上调延时 值 时，有载 调压开关可切换分 接 头，上调电压。起动电压、起动电流和延时值均可根据 实际运行情况进行整定。目前大秦线有个牵引变电 所采用了这一 方 案，基 本 能 确 保 进 线 电 压 在 间波动时，牵引母线电压均保持在左右。 式中： 为电容器基波容抗； 为流过的无功电流。图功率平衡调节器串联电容补偿功率平衡调节器源于日本，由两套等容量 单相静止无功发生器构成，原理如图 所示。 两 套 分别并接 于 牵 引 变 电 所 的 座 和 座 牵 引 母线，两者拓扑结构相同，在直流侧串联连接。不同方案比拟有载调压牵引变压器方案需更换主变压器，但不 影响牵引变电所的既有主接线，也 不 占 用 额 外 场 地。 新建的牵引变电所采用这种方案比拟适宜。由于牵引 负荷固有的剧烈波动性，有载分接开关动作十分频繁， 保证有载分接开关的可靠性是这一方案的关键。有载自耦调压变压器、串联变压器、串联电容器和功率平衡调节器个方案均需对变电所主接线进行改 造，并占用一定场地。有载自耦调压变压器方案的效果同样决定于有载 分接开关的可靠性。采用晶闸管代替机械式分接开关 是一个可行方案。目前国内高压大电流晶闸管的水冷 却、热管冷却技术均比拟成熟，并且在牵引变电所动态 无功补偿上已有应用经验。 但相比拟而言，晶闸管控 制串联变压器方案要比自耦变压器方案更具优势，二 者设备容量 相 当，但 前 者 晶 闸 管 工 作 电 压 低，易 于 开 发。晶闸管控制串联变压器调压方案在电压水平较低 的线路有一定工程应用价值，值得进行产品开发。串联电容器的优点是其电压增量与流过的无功电 流成正比，能够自动跟踪负荷变化，不需额外的自动控 制器，具有自适应性。 由于要比拟频繁地承受牵引网 短路电流冲击，对电容器质量要求较高。与其他方案相比，功率平衡调节器方案除能解决 再生失败问题到达稳定网压的目的外，还对电能质量 具有综合治理效果。 大秦线由于牵引负荷大、电源相对薄弱，电能质量问题比拟突出。表给出了年月对部 分 变 电 所 的 测 试 结 果。 鉴 于 电 气 化 铁 道 电能质量问题越来越受到人们的关注，探索电气化铁道电能质量综合治理技术势在必行，无疑，功率平衡调 节器是一个非常有前途的技术方案。图功率平衡调节器功率平衡调节器可以实现的功能包括：补偿 无 功 功 率。 可 看 作 两 套 独 立 的 ，分 别对两座牵引负荷无功功率进行补偿， 既能提供 容性无功，也能提供感性无功，并且容量连续可调。滤除谐波电流。 可看作两套独立的并联型有 源滤波 器，能 有 效 滤 除 牵 引 负 荷 中 的 、 等 次 谐波。平衡有功功率。通过连接在一起的直流环节， 可以把重负荷座的有功功率传递到轻负荷座，从而使 变压器的两座负荷趋于相等，有效降低牵引变电 所注入系统的负序电流。功率平衡调节器对稳定牵引母线电压效果明显， 利用其平衡有功功率功能，当一个供电臂内交流机车 再生制动回馈电能时，可把有功功率传送到另一供电 臂，供应牵引状态机车使用。 一方面缓解了再生制动 导致的网压抬高，另一方面也充分利用了再生回馈电 能。由于在目前的电能计量方式下，牵引变电所回馈 给系统的电能并不从所消耗的电能中扣除，如果牵引 供电系统能够充分利用再生电能，将会有效降低用电 本钱。理论上，这种装置也可安装在分区所，把属于不同 变电所的两个供电臂通过直流环节连接起来，必要时 在两个变电所之间传递电能。铁道学 报第卷表大秦线电能质量测试结果国铁道出版社，耿志修大秦铁路重载运输技术北 京：中 国 铁 道 出 版 社，李旷，李兴，郭自勇，等铁路牵引供电系统用多功能静止无 功发生器的研究第四届电能质量国 际研 讨会论文集，北京：中国电力出版社，：黄足平，姜齐 荣京沪线南翔牵引变电所有源无源混合补 偿方案电气化铁道，： ， ，：张 曙 光 型 电 力 机 车 北 京：中 国 铁 道 出 版社，吴命利，黄足平，辛成 山降低电气化铁道钢轨电位技术措 施的研究电气化铁道，： ， ， ，：张银宝，郑琼林，吴命 利十字交叉接线牵引变压器的运行 特性 电压损失计算与实测验证电工技术学报，： ， ， ，：金鑫，吴命利，张银山基于 的晶闸管控制牵引网自动 调压器设计电气应用，： ， ， ，：铁道 部电气化工程局 电气化勘测设计院牵 引 供 电 系 统北京：中国铁道出版社， ， ， ，： ， ，：吴命利，杨少兵供电与用电的妥协 关 于 我 国 电 气 化 铁道电能质量 问 题解决思路的思考 第 四 届 电 能 质量国际研讨会论文集，：供电电压偏差电压总谐波畸变率三相电压不平衡度所别相别 延庆 下庄 湖东 木林实际上国内已经在京沪线南翔牵引变电所试验了× 的功率平衡调节器，由于容量相对较小， 采用了与既有无功补偿电容器配合使用的方案。 近 几年，电力电子 器 件 及 相 关 技 术 发 展 很 快， 的 单 位容量造价不断下降，相信随着我国逐步实现高压大 容量、 等 器 件 的 国 产 化，功 率 平 衡 调 节 器 将会得到广泛的应用。结论电力机车功率因数、列车功率、运输组织方式、电力系统短路容量、牵引变压器阻抗、无功补偿装置以及 牵引网阻抗是影响网压的主要因素。建议大秦线组织 运输时，尽量防止 型电力机车牵引重载列车的连 发。在直流传 动 机 车 和 交 流 传 动 机车混合运用条件 下，由于两者电气负荷特性差异较大，使牵引变电所母 线电压稳定在一定水平，对保证末端直流传动机车最 低网压满足运行需要、防止交流传动机车再生制动因 网压过高而失败具有重要意义。实现变电所牵引母线电压控制的可行技术方案包 括：有载调压牵引变压器，有载自耦调压变压器，晶闸 管控制串联 变 压 器，串 联 电 容 器和功率平衡调节 器。大秦线在局部变电所采用了 变压器低压侧有载 调压的方案，实现了供电臂独立电压调节，既保证了处 于供电臂末端直流传动重载列车的网压，又防止了新 型交流传动机车的再生失败。基于现代电力电子技术的功率平衡调节器能够对变电所电能质量进行综合治 理，具有良好开展前途。参考文献：责任编辑 聂清立中华人民共 和 国 铁 道 部铁 路技术管理规程 北 京：中