淺談牽引變電所無功補(bǔ)償及其應(yīng)用
摘要：由于電氣化鐵道牽引負(fù)荷的不對稱性、隨機(jī)性和波動性等特點(diǎn)會在電力系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)序電流，造成高次諧波的含量增加以及功率因數(shù)的降低，同時對電氣化鐵路沿線的通訊線路存在干擾。降低或消除這些不良影響對電力系統(tǒng)而言猶為重要。
本文以西河牽引變電所YN，d11接線變壓器進(jìn)行并聯(lián)無功補(bǔ)償(PRC)分析為例，從負(fù)序相量圖法得到補(bǔ)償方案，分析不同方案各自優(yōu)缺點(diǎn)，從中選擇最合理的方案。
關(guān)鍵詞:負(fù)序電流,不對稱負(fù)載,平衡變壓器,無功補(bǔ)償
1、引言
1.1 課題的來源及目的
滬昆電氣化鐵路西河電牽所引入兩路110KV獨(dú)立電源(上渡一和上渡二)，經(jīng)31.5MVA平衡變壓器降壓后向電力機(jī)車供電。電力機(jī)車采用25kV 單向工頻交流電壓，經(jīng)全波整流后驅(qū)動直流牽引電動機(jī)，在架空接觸導(dǎo)線和鋼軌之間行駛。由于電氣化鐵路牽引負(fù)荷為流動性的大功率單相整流負(fù)荷，對電網(wǎng)供電的影響具有非線性、不對稱性、多變性、大功率特點(diǎn)，致使電網(wǎng)產(chǎn)生負(fù)序電流，給電網(wǎng)的正常運(yùn)作帶來嚴(yán)重危害：使電網(wǎng)產(chǎn)生局部諧振，網(wǎng)損明顯加大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子損壞，繼電保護(hù)和自動裝置非正常頻繁啟動，用戶電機(jī)和電容器大量燒壞或不能正常運(yùn)行，小火電廠不能就近并網(wǎng)等危害。隨著我國電氣化鐵路的高速發(fā)展，如何使其對電力系統(tǒng)的影響降為最低，是必須認(rèn)真思考和努力解決的問題。
1.2 目前限制負(fù)序采取的措施
為了減少單相牽引負(fù)荷對電力系統(tǒng)的負(fù)序影響，電力公司、牽引變電所都采取措施來限制負(fù)序電流。
�、� 電力公司電力系統(tǒng)限制措施：采用大容量電源。
�、� 電牽所采用的限制措施：
⑴ 采用平衡牽引變壓器，可以降低負(fù)序不平衡度;
⑵ 高壓側(cè)接入的電力系統(tǒng)進(jìn)行換相連接;
�、� 采用固定補(bǔ)償技術(shù)。
本文通過對YN，d11接線變壓器負(fù)序電流并聯(lián)無功補(bǔ)償方案的探討，結(jié)合西河電牽所電容補(bǔ)償改造工程所采用的動態(tài)無功補(bǔ)償平衡裝置的實際情況，進(jìn)一步了解并聯(lián)動態(tài)無功補(bǔ)償在電氣化鐵路牽引變電所的應(yīng)用價值。
2、 YN，d11接線變壓器負(fù)序電流并聯(lián)無功補(bǔ)償方案
2.1 YN，d11接線變壓器負(fù)序電流并聯(lián)無功補(bǔ)償方案
2.1.1通過理論計算，YN，d11接線變壓器在電力系統(tǒng)中引起的不平衡度為：且不產(chǎn)生零序分量;當(dāng)n=1時，電流不平衡度為50%，與單相變壓器相比，可以顯著抑制負(fù)序電流，但不能消除負(fù)序電流。
2.1.2并聯(lián)無功補(bǔ)償方案分析
西河牽引變電所采用兩邊異相供電方式，此處就民兩邊異相供電補(bǔ)償方案進(jìn)行分析。假定ac、bc兩供電臂接入對稱感性負(fù)載(電流幅值： 1000 A;功率因數(shù)角： )。左邊供電臂牽引網(wǎng)的電壓是ac相;右邊供電臂牽引網(wǎng)的電壓是bc相，兩供電臂為 接線。
根據(jù)負(fù)序電流相量圖，補(bǔ)償負(fù)序電流的方案有以下兩個：
方案一：
由相量圖可知：ac端口并聯(lián)一個電容可以補(bǔ)償負(fù)序電流。 為ac相負(fù)載電流的負(fù)序分量; 為bc相負(fù)載電流的負(fù)序分量; 為兩者合成負(fù)序分量。
由相量圖可知：在ab端口和bc端口同時并聯(lián)電感可以補(bǔ)償負(fù)序電流：
結(jié)論：用全負(fù)序相量圖來分析并聯(lián)無功補(bǔ)償可以比較簡便、直觀計算出在適當(dāng)端口并聯(lián)電容或電感大小。但并不是所有的補(bǔ)償方案都是最合理的，要考慮到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面。選擇PRC設(shè)備容量較小;不能使原有的功率因數(shù)惡化。所以要基于上述兩方面的考慮，從中選擇最佳的補(bǔ)償方案。
3、西河牽引變電所限制負(fù)序方案
3.1 工程簡介
西河牽引變電所自開通以來功率因素始終低于0.85,2005年經(jīng)過對并補(bǔ)電容器組進(jìn)行增容改造，補(bǔ)償效果仍未達(dá)到0.9。由此可以看出在原有的控制模式下，只改變電容器的容量是很難解決牽引變電功率因數(shù)問題。
西河變電所動補(bǔ)裝置于2009年6月開始施工，同年11月竣工并投入運(yùn)行。它是在Yd11型牽引變壓器的27.5KV供電母線上，新增了一套動態(tài)無功并聯(lián)綜合補(bǔ)償裝置，該所可調(diào)并聯(lián)補(bǔ)償通過改變無功元件的電壓和電流從而實現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)钠胶夥桨�。該補(bǔ)償方案的應(yīng)用,減少了對供電系統(tǒng)不平衡的影響,取得了良好的效果。
3.2 動態(tài)無功補(bǔ)償改造工程限制負(fù)序方案
3.2.1 采用Yn Ⅱ平衡變壓器
Yn Ⅱ平衡變壓器，當(dāng)兩供電臂負(fù)荷相等時，電流不平衡度為0，即不產(chǎn)生負(fù)序分量。但由于牽引負(fù)荷的隨機(jī)波動性，很難保證兩供電臂的負(fù)荷相等，所以實際運(yùn)行中一定產(chǎn)生負(fù)序電流，需要采取補(bǔ)償措施。
3.2.2 采用動態(tài)無功并聯(lián)補(bǔ)償裝置
下面介紹動態(tài)無功并聯(lián)補(bǔ)償裝置的基本構(gòu)成、調(diào)試、運(yùn)行情況，濾波器、相控電抗器的過零投切波形以及補(bǔ)償效果。
(1)動態(tài)無功并聯(lián)綜合補(bǔ)償裝置的原理框圖
本所采用一種電氣化鐵道動態(tài)無功并聯(lián)綜合補(bǔ)償方案，如圖3-1所示。本裝置分為主回路和控制兩部分。
(2)無功動態(tài)并聯(lián)綜合補(bǔ)償裝置工作原理
該裝置主要原理是保證變壓器二次側(cè)節(jié)點(diǎn)電壓不變。設(shè)TCR感性無功相控回路和H3濾波容性無功回路，在空載運(yùn)行時，保證TCR回路與H3回路功率相抵消，負(fù)荷無功不變;當(dāng)機(jī)車運(yùn)行時負(fù)荷無功變化，通過電流、電壓采樣計算流過TCR回路電流調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角度，改變TCR回路感性無功，保證TCR回路無功與負(fù)荷無功之和與H3回路容性無功相抵消。為此新增了晶閘管1組、相控電抗器1組、濾波電抗器1組、濾波電容器6組、電流互感器2臺，手動隔離開關(guān)2臺，SVC保護(hù)測控盤1面，SVC控制柜1面。SVC控制柜沒有做好合閘準(zhǔn)備時(正式投入，運(yùn)行正常)231斷路器不能合閘，SVC柜故障時，231斷路器分閘，27.5kV進(jìn)線斷路器跳閘，231斷路器同時跳閘，231斷路器跳閘未完成時，進(jìn)線斷路器不能再次合閘。在總回路上設(shè)有電流速斷保護(hù)、過流保護(hù)、低電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)，在TCR支路設(shè)有SVC過流Ⅰ段保護(hù)、SVC過熱保護(hù)、SVC晶閘管擊穿保護(hù)，H3支路設(shè)有電流速斷保護(hù)、過流保護(hù)、差電壓保護(hù)。
牽引供電臂上無電力機(jī)車取流時，相控電抗器吸收高壓母線上的基波無功，本系統(tǒng)輸出為0。
牽引供電臂上電力機(jī)車取流時，其補(bǔ)償裝置投切情況如下：
�、佼�(dāng)接觸網(wǎng)電壓在19～30 kV且無功功率達(dá)到750 kvar以上時，控制系統(tǒng)在延時100 ms后，投入一組電容器，無功功率每增加750 kvar，就順序投入下一組電容器，直到全部電容器投入;
②當(dāng)檢測無功功率低于550 kvar延時100 ms后，順序切除電容器組;
�、郛�(dāng)檢測無功功率突然低于100 kvar延時100 ms后，快速連續(xù)切除各級電容器組;
�、墚�(dāng)檢測網(wǎng)壓高于30 kV或低于19 kV時，延時500 ms后，快速連續(xù)切除各級電容器組。
3.2.3 功率因數(shù)比較
西河牽引變電所自開通后功率因素始終低于0.85,2005年經(jīng)過對并補(bǔ)電容器組進(jìn)行增容改造，補(bǔ)償效果仍未達(dá)到0.9。2009年11月并聯(lián)動態(tài)補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行，日平均功率因數(shù)達(dá)到了0.94～0.97，月平均功率因數(shù)提高到0.94～0.95。
綜上所述，本文提出的電氣化鐵道無功動態(tài)并聯(lián)綜合補(bǔ)償裝置(帶有協(xié)調(diào)變壓器的TSC+TSR可調(diào)無功補(bǔ)償與諧波治理方案)，經(jīng)西河牽引變電所現(xiàn)場運(yùn)行表明：電氣化鐵道動態(tài)無功補(bǔ)償方案在提高功率因數(shù)、降低變壓器功率損耗有明顯的經(jīng)濟(jì)效果，并且運(yùn)行可靠、技術(shù)上可行，值得借鑒。
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