淺談牽引變電所無功補償及其應用

  摘要:由于電氣化鐵道牽引負荷的不對稱性、隨機性和波動性等特點會在電力系統(tǒng)產(chǎn)生負序電流,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接線變壓器進行并聯(lián)無功補償(PRC)分析為例,從負序相量圖法得到補償方案,分析不同方案各自優(yōu)缺點,從中選擇最合理的方案。

  關鍵詞:負序電流,不對稱負載,平衡變壓器,無功補償

  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車供電。電力機車采用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,在架空接觸導線和鋼軌之間行駛。由于電氣化鐵路牽引負荷為流動性的大功率單相整流負荷,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,致使電網(wǎng)產(chǎn)生負序電流,給電網(wǎng)的正常運作帶來嚴重危害:使電網(wǎng)產(chǎn)生局部諧振,網(wǎng)損明顯加大,發(fā)電機轉(zhuǎn)子損壞,繼電保護和自動裝置非正常頻繁啟動,用戶電機和電容器大量燒壞或不能正常運行,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,是必須認真思考和努力解決的問題。

  1.2 目前限制負序采取的措施

  為了減少單相牽引負荷對電力系統(tǒng)的負序影響,電力公司、牽引變電所都采取措施來限制負序電流。

 、 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:

 、 采用平衡牽引變壓器,可以降低負序不平衡度;

  ⑵ 高壓側(cè)接入的電力系統(tǒng)進行換相連接;

 、 采用固定補償技術(shù)。

  本文通過對YN,d11接線變壓器負序電流并聯(lián)無功補償方案的探討,結(jié)合西河電牽所電容補償改造工程所采用的動態(tài)無功補償平衡裝置的實際情況,進一步了解并聯(lián)動態(tài)無功補償在電氣化鐵路牽引變電所的應用價值。

  2、 YN,d11接線變壓器負序電流并聯(lián)無功補償方案

  2.1 YN,d11接線變壓器負序電流并聯(lián)無功補償方案

  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,可以顯著抑制負序電流,但不能消除負序電流。

  2.1.2并聯(lián)無功補償方案分析

  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償方案進行分析。假定ac、bc兩供電臂接入對稱感性負載(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)負序電流相量圖,補償負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)一個電容可以補償負序電流。 為ac相負載電流的負序分量; 為bc相負載電流的負序分量; 為兩者合成負序分量。

   由相量圖可知:在ab端口和bc端口同時并聯(lián)電感可以補償負序電流:

  結(jié)論:用全負序相量圖來分析并聯(lián)無功補償可以比較簡便、直觀計算出在適當端口并聯(lián)電容或電感大小。但并不是所有的補償方案都是最合理的,要考慮到技術(shù)和經(jīng)濟兩方面。選擇PRC設備容量較小;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,從中選擇最佳的補償方案。

  3、西河牽引變電所限制負序方案

  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)過對并補電容器組進行增容改造,補償效果仍未達到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。

  西河變電所動補裝置于2009年6月開始施工,同年11月竣工并投入運行。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)綜合補償裝置,該所可調(diào)并聯(lián)補償通過改變無功元件的電壓和電流從而實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)钠胶夥桨浮T撗a償方案的應用,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)無功補償改造工程限制負序方案

  3.2.1 采用Yn Ⅱ平衡變壓器

  Yn Ⅱ平衡變壓器,當兩供電臂負荷相等時,電流不平衡度為0,即不產(chǎn)生負序分量。但由于牽引負荷的隨機波動性,很難保證兩供電臂的負荷相等,所以實際運行中一定產(chǎn)生負序電流,需要采取補償措施。

  3.2.2 采用動態(tài)無功并聯(lián)補償裝置

  下面介紹動態(tài)無功并聯(lián)補償裝置的基本構(gòu)成、調(diào)試、運行情況,濾波器、相控電抗器的過零投切波形以及補償效果。

  (1)動態(tài)無功并聯(lián)綜合補償裝置的原理框圖

  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)點電壓不變。設TCR感性無功相控回路和H3濾波容性無功回路,在空載運行時,保證TCR回路與H3回路功率相抵消,負荷無功不變;當機車運行時負荷無功變化,通過電流、電壓采樣計算流過TCR回路電流調(diào)節(jié)晶閘管導通角度,改變TCR回路感性無功,保證TCR回路無功與負荷無功之和與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2臺,SVC保護測控盤1面,SVC控制柜1面。SVC控制柜沒有做好合閘準備時(正式投入,運行正常)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,進線斷路器不能再次合閘。在總回路上設有電流速斷保護、過流保護、低電壓保護、過電壓保護,在TCR支路設有SVC過流Ⅰ段保護、SVC過熱保護、SVC晶閘管擊穿保護,H3支路設有電流速斷保護、過流保護、差電壓保護。

  牽引供電臂上無電力機車取流時,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車取流時,其補償裝置投切情況如下:

 、佼斀佑|網(wǎng)電壓在19~30 kV且無功功率達到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;

 、诋敊z測無功功率低于550 kvar延時100 ms后,順序切除電容器組;

 、郛敊z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;

 、墚敊z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)過對并補電容器組進行增容改造,補償效果仍未達到0.9。2009年11月并聯(lián)動態(tài)補償裝置投入運行,日平均功率因數(shù)達到了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)綜合補償裝置(帶有協(xié)調(diào)變壓器的TSC+TSR可調(diào)無功補償與諧波治理方案),經(jīng)西河牽引變電所現(xiàn)場運行表明:電氣化鐵道動態(tài)無功補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)濟效果,并且運行可靠、技術(shù)上可行,值得借鑒。

  參考文獻

  1 李群湛. 電氣化鐵道并聯(lián)綜合補償及其應用. 中國鐵道出版社,1983:1~30

  2 賀建閩.多串多次濾波器投切的暫態(tài)過程仿真[J].鐵道學報,1991(增刊):92-98.

  3 李群湛,賀建閩. 牽引供電系統(tǒng)綜合補償技術(shù)及其應用. 鐵道學報 , 1998(3):25~27

  4 李群湛.關于電氣化鐵道的負序影響與限制問題的研究. 鐵道學報,1994:16(4)21~5

  5 張麗艷,李群湛. YNd11接線牽引變壓器負序分析. 變壓器, 2006:43(1)21~24

  6 張秀峰,李群湛,呂曉琴.基于有源濾波器的V,v接同相供電系統(tǒng). 中國鐵道科學, 2006:27(2)98 ~ 101

  7 李群湛.電氣化鐵道并聯(lián)補償及應用[M].北京:中國鐵道出版社,1993.