城市轨道交通供电系统变压器经济运行分析

李建民，董奇志，张志军，张天彤

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450052)

道交通的初期、近期、远期电力负荷及容量，根据这三个表，分别计算出了其负荷率。由表1、2可以看出，并联运行时，每个变压器的负荷率都达不到经济运行的条件，因此它们的功率因数都比较低，容量没有得到充分的发挥，这也是符合设计的规律和要求的，即要满足未来发展的需要。但是针对这种情况，运营部门就必须进行科学的管理和调度，弥补这种不足。

主变电所

0 概况

城市轨道交通供电系统主变电所的作用是将城市电网的高压(110kV或220kV)电能降压后以相应的电压等级(35kV或10kV)分别供给牵引变电所和降压变电所。为保证供电的可靠性，一般设置两座或两座以上主变电所。主变电所由两路独立的电源进线供电，内部设置两台相同的主变压器。根据牵引负荷容量和动力负荷容量的大小情况不同，主变压器可采用三相三绕组的有载调压变压器，也可用双绕组的变压器。

由于城市轨道交通供电系统的特殊性，一般根据初期、近期、远期规划，根据负荷的大小进行计算得到的容量，都有一定的裕量。运行时，运行部门也很少考虑变压器的损耗，仅根据变压器的承载能力来决定变压器的运行方式，这就造成相当大的损耗。根据对主变电所变压器经济运行条件的分析，提出主变电所经济和牵引变电所运行方案，能够降低损耗，以最小的电能消耗取得最大的经济效益。

1 经济运行条件

所谓的经济运行就是在满足负荷要求的情况下，尽量减少系统的各种损耗。因此，要找出变压器的经济运行条件，就必须从分析变压器的功率损耗入手。当然，由于变电站所供电负荷的性质不同，其负荷率变动情况亦不同，寻求变压器的经济运行方式即是寻求在同一负荷情况下，损耗最小、综合经济效益最佳的运行方式。同时还要确保变压器的安全运行，避免变压器的频繁倒闸操作，而且也不能单以降低变压器的有功损耗或者无功损耗为目的，而应以降低系统的整体损耗为目的。尽管如此，变压器功率损耗毕竟是分析经济运行条件的基础。

根据变压器功率损耗，得到:

单台变压器运行:

两台变压器并列运行(设两台变压器运行负荷随容量的大小正比分配):

式中:P01和P02分别为变压器空载损耗，均为P0;

SSJ为变压器的实际负荷;

SN为变压器额定容量;

Pd1和Pd2为变压器短路损耗，均为Pd。

对于城市轨道交通供电系统，因为一般选择的变压器的容量大小和基本参数都一样，因此两台变压器并列运行的功率损耗为:

其中:

SSJ为实际全负荷，kVA;SN为一台变压器的额定容量，kVA;ΔP0为变压器空载时的总损耗。P0为变压器空载时有功损耗，近似为铁损kW;Q0为变压器空载时无功损耗kVar;I0%为变压器空载电流;ΔPd为变压器一定负载下的总损耗;Pd为变压器短路有功损耗，也称铜损 kW;Qd变压器短路无功损耗kVar;Ud%为变压器阻抗电压;K为无功经济当量，按变压器在电网中的位置取值，一般可取 K=0.1kW/kVar。

空载损耗是只与变压器铁芯相关的常数，它不随变压器负载的变化而变化。而负载损耗则为变压器绕组中的铜线圈电流损耗，根据P=I2R，与负载电流的平方成正比。I0%、Ud%为变压器一个固定参数，它们由变压器铭牌或变压器技术参数说明书提供，故变压器损耗主要受负荷变化影响的铜耗决定。

根据分析:从(1)式可以看出，变压器功率损耗ΔP是一个以实际负荷SSJ为参数的二次函数，该函数是一个开口向上的抛物线，且SN越小，开口越小，ΔP0越大，也就是损耗越高。因此容量的选择，对经济运行有着非常重大的影响。对于同样的实际负荷，所选择的变压器容量越高，它的损耗就越高。所以在今后的容量选择时，还必须考虑容量对经济运行影响。

2 运行方式的选择和分析

城市轨道交通供电系统主变电所并列运行的两台变压器型式和容量相同，不同负荷时，投入变压器的台数是不一样的。特别是在初期、近期、远期时，应根据实际情况，选择不同的运行方式。

对于两台变压器并列运行，只要同一负荷下，计算出两台变压器在单独和并列运行时的损耗的差异，就可以推算出在各种负荷时最经济的运行方式，就可以决定是单独运行，还是并列运行。那么以它们两个具有相同的损耗为分析的临界点。

对于主变电所，已知条件如下:SN=31.5MVA，负载损耗不大于130kW，空载损耗不大于21kW，因此按要求可以得到如下的实际SSJ的范围:

也就是说当负荷大概大于0.568Se应两台并联运行，这一数据应根据具体所选择变压器的负载损耗和空载损耗数值代入进行计算，上述结果仅是一个基本要求下的结果。

下面是一个实例分析。表1、2、3列出了这段轨A B C

道交通的初期、近期、远期电力负荷及容量，根据这三个表，分别计算出了其负荷率。由表1、2可以看出，并联运行时，每个变压器的负荷率都达不到经济运行的条件，因此它们的功率因数都比较低，容量没有得到充分的发挥，这也是符合设计的规律和要求的，即要满足未来发展的需要。但是针对这种情况，运营部门就必须进行科学的管理和调度，弥补这种不足。

主变电所

表1 初期高峰小时主变电所负荷

表2 近期高峰小时主变电所负荷

表3 远期高峰小时主变电所负荷

根据计算的结果，当负荷率小于56.8%，应该一台运行，而另一台备用较为经济。为达到合理使用设备的目的，要采用交替运行，定期切换的形式。不是到故障的时候才采取这种运行方式，而是主动通过电力调度系统进行及时管理，以达到经济运行的目的。对于远期、近期负荷，采用并联运行，比单机运行要经济得多。

同样可以分析近期负荷和远期负荷。

3 经济分析

表4 初期不同运行方式下的功率损耗对比

一年三个主变电所共节省745.27×365=272023.55kW·h。如果按每度0.56元计算，可减少电费支出:272023.55kW·h×0.56=152333元。也就是说一年可以减少15万多元的电费支出。这对城市轨道交通来说，是十分可观的。因为城市轨道交通本身就是一个带有公益性质的低效益、高社会影响度的企业，能够挖掘出其潜在的效益，对于这个系统的正常运行有着极其重要的意义。

同样可以分析近期和远期不同运行方式下的功率损耗对比，而且其节能效果更为明显。

4 运行方式的实现

由上述综合分析，对于主变电所初期、近期和远期运行模式的选择一般依据以下原则:初期采用一台运行，一台备用的模式。而近期和远期采用并联运行模式。也就是说在变压器正常的情况下，两台都投入工作。只有在故障的时候，也就是说一台变压器解列的时候，才采取单机运行模式。此时为保证正常供电，需要切除故障设备和三级负荷，确保牵引负荷的需求。

此外，从表中还可以看出:A所初期的牵引负荷8215kVA，近期牵引负荷16431kVA，远期牵引负荷22406kVA，相差很大，初期A所的牵引负荷仅是远期牵引负荷的36.66%。因此对于牵引变电所的整流变压器而言，其运行模式的选择对于这个系统的经济运行影响就更大。同样依据上述的分析方法，可以进行定量的分析。

整流变压器的损耗由空载损耗和短路损耗构成。在初期，牵引负荷较小，单台整流机组即可满足运行要求，虽然单台整流机组运行时，谐波含量增大，但由于负荷小，产生的谐波也较小，仍能满足国标的要求。由于初期负荷较小，如采用整流机组并联运行方式，整流机组的负荷大部分时间都将低于30%(高峰小时仅占36.66%)，整流器基本工作在推挽状态，初期采用单台整流机组运行，整流机组的负荷将远高于30%，不会出现此现象;在经济上，由于整流变压器负荷小，空载损耗占较大比重，单台整流机组运行将比两台整流机组并联运行经济。根据初步计算，单台整流机组运行时的损耗只是两台整流机组并联运行损耗的60%。按此推算，初期如采用单台整流机组运行，将比采用两台整流机组并联运行节省可观的运营费用。运营管理部门必须对此引起足够的重视。

通过上述分析，可以知道:对于城市轨道交通，由于其一旦建成，更改的可能性和费用很高，因此需充分考虑未来的需求，也就是长远规划的目标。而这样做，对于其供电系统，往往造成近期发挥不了其设计能力的问题，会造成一定的浪费。因此运营部门就必须采取措施，加以改善。而采取科学合理的变压器运行模式，可以大大解决这一问题，实现初期、近期和远期的协调一致。

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