牽引變電所無功動(dòng)態(tài)并聯(lián)綜合補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)與實(shí)踐

1、牽引變電所無功動(dòng)態(tài)并聯(lián)綜合補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)與實(shí)踐             牽引變電所無功動(dòng)態(tài)并聯(lián)綜合補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)與實(shí)踐 寇宗乾 (鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院電化處，甘肅蘭州730000)    摘要：以迎水橋牽引變電所補(bǔ)償電容的改造為例，提出了一種牽引變電所無功動(dòng)態(tài)并聯(lián)綜合補(bǔ)償裝置，討論了裝置的基本構(gòu)成，介紹了裝置的調(diào)試、運(yùn)行情況，以及濾波器組、吸流電抗器組的過零投切波形以及補(bǔ)償效果?，F(xiàn)場運(yùn)行表明，本裝置設(shè)計(jì)合理、補(bǔ)償效果良好。  

2、60; 關(guān)鍵詞：牽引變電所；無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；無功并聯(lián)補(bǔ)償；無功綜合補(bǔ)償 Design and Implementation of Dynamic Shunt Reactive Compensator in Traction SubstationKOUZongqian (Deptof Electrification Design，F(xiàn)irst SurveyDesign Institute，Ministry of Railway，Lanzhou 730000，China)    Abstract：Takingtheimprovementofthe compensation

3、 capacitor bank at YingShuiQiaotraction substationforexample，this paper proposes a newdevice usedfor dynamicshuntreactive compensation intraction substationThe basic structure ofthe deviceis discussedIts commissioning and operation are presentedThe waveformsoffilter bank and reactor bank andthe comp

4、ensation effectare given Theresultsshowthatthe device has a good compensation effect    Key words：traction substation；dynamic reactive compensation；shuntreactive compensation；synthesized reactive compensation 1引言全國供用電規(guī)則中規(guī)定：無功電力應(yīng)就地補(bǔ)償。用戶應(yīng)在提高用電自然功率因數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和裝設(shè)無功補(bǔ)償設(shè)備，并做到隨負(fù)荷和電壓變動(dòng)及時(shí)投入或切除，防止

5、無功電力倒送。高壓供電的工業(yè)用戶，功率因數(shù)應(yīng)為090以上。我國電氣化鐵道電力牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)的影響，主要表現(xiàn)在功率因數(shù)、負(fù)序及高次諧波上15。目前，對(duì)高次諧波的影響進(jìn)行了較深入的研究，并提出了一些消除高次諧波影響的方法，如有源濾波法和無源濾波法等15。電鐵負(fù)序?qū)﹄娏ο到y(tǒng)的影響隨著系統(tǒng)容量的增大以及各牽引變電所采用輪換接線的方式，基本消除了。提高功率因數(shù)的一條有效途徑是裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置。目前大多牽引變電所均加裝了靜態(tài)并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置，但由于其均由不可調(diào)的電容和電感組成，其發(fā)出的無功是一常量，因此無法對(duì)牽引負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，在無牽引負(fù)荷時(shí)易形成過補(bǔ)償，有牽引負(fù)荷時(shí)又欠補(bǔ)償，這樣反而使得牽引變電所

6、功率因數(shù)降低。由于電力部門為減小功率因數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響而實(shí)行“反轉(zhuǎn)正計(jì)”，因此電力部門對(duì)鐵路的罰款反而增多。所以如何對(duì)牽引變電所無功進(jìn)行有效補(bǔ)償以提高功率因數(shù)，是電氣化鐵道急需解決的技術(shù)難題。    本文以迎水橋牽引變電所補(bǔ)償電容的改造為例，提出了一種電氣化鐵道無功動(dòng)態(tài)并聯(lián)綜合補(bǔ)償裝置，討論了裝置的基本構(gòu)成，介紹了裝置的調(diào)試、運(yùn)行情況，以及濾波器組、吸流電抗器組的過零投切波形以及補(bǔ)償效果。迎水橋牽引變電所擔(dān)負(fù)著京包蘭線沙坡頭鎮(zhèn)鑼堡間的電力牽引供電任務(wù)，采用兩臺(tái)40 MVA變壓器互為熱備用的運(yùn)行方式。變電所既有的高壓電容補(bǔ)償裝置，在牽引負(fù)荷大時(shí)處于欠補(bǔ)償狀態(tài)，牽引負(fù)荷

7、小時(shí)又處于過補(bǔ)償狀態(tài)，長期以來無法滿足頻繁變化的牽引負(fù)荷對(duì)無功的要求。包蘭線從1984年開通到1988年之間牽引機(jī)車采用SS1型，迎水橋牽引變電所功率因數(shù)每年都在095以上，但自1989年采用8K牽引機(jī)車以后，功率因數(shù)逐年下降(在0607之間)。1992年銀川水電段對(duì)A相電容器進(jìn)行了增容改造，由原來的3 200 kvar增至4400 kvar，使該所的補(bǔ)償裝置總?cè)萘刻岣叩? 640kvar，功率因數(shù)達(dá)到083。1993年初由于鐵路運(yùn)量增加，該所功率因數(shù)由1992年的083降到073，為此銀川水電段于1993年2月對(duì)B相電容器進(jìn)行了增容改造，由原來的2 240 kvar增至3 200 kvar，

8、所內(nèi)補(bǔ)償總?cè)萘吭黾拥? 600 kvar，但補(bǔ)償效果卻不甚理想。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電氣化鐵道的功率因數(shù)問題的。2  牽引變電所可調(diào)補(bǔ)償容量的確定固定平均補(bǔ)償比較適用于“反轉(zhuǎn)反計(jì)”，在“反轉(zhuǎn)不計(jì)”時(shí)也可以使用。但是這種補(bǔ)償方式的補(bǔ)償容量選擇偏小，容易造成有行車時(shí)“欠補(bǔ)償”、無行車時(shí)“過補(bǔ)償”。所以如何正確確定可調(diào)補(bǔ)償?shù)娜萘渴菍?shí)現(xiàn)可調(diào)補(bǔ)償?shù)闹匾徊?。固定平均補(bǔ)償并聯(lián)電容器容量用下式計(jì)算：式(1)中：Qx為需補(bǔ)償電容器容量；PL為計(jì)算平均有功功率；cos1為補(bǔ)償前功率因數(shù)；cos2為補(bǔ)償后功率因數(shù)；q0為變電所無電概率。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際安裝的情況，對(duì)式

9、(1)進(jìn)行修正：PL原為計(jì)算平均有功功率，應(yīng)改為測試有功功率最大值的9095；無須考慮變電所無電概率q0(電容器可以根據(jù)負(fù)荷的變化進(jìn)行投切，故不需要考慮有無放倒)；功率因數(shù)應(yīng)取地方供電局計(jì)量點(diǎn)的月平均功率因數(shù)，而非機(jī)車和牽引變壓器綜合考慮的功率因數(shù)，同時(shí)應(yīng)考慮線路影響。對(duì)迎水橋牽引變電所半年的運(yùn)行記錄(原高壓固定補(bǔ)償投入)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出，最小功率因數(shù)為065，平均功率因數(shù)為078，最高功率因數(shù)為085；對(duì)牽引負(fù)荷有功功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。    補(bǔ)償后地方供電局計(jì)量點(diǎn)的月平均功率因數(shù)應(yīng)提高到094095，有功功率取測量有功功率最大值的94為5000 kW。計(jì)算

10、結(jié)果需補(bǔ)償1881 kvar容性無功。再根據(jù)電抗率、高次諧波、太陽輻射、系統(tǒng)電壓的波動(dòng)進(jìn)行修正，現(xiàn)需增加安裝電容器額定容量為2400 kvar。吸流電抗器的容量考慮為高壓固定補(bǔ)償裝置實(shí)際補(bǔ)償容量的8697，原固定補(bǔ)償容量大則吸流電抗器的容量大。對(duì)于既有變電所最好讓技術(shù)人員到現(xiàn)場進(jìn)行測試后，再確定電容器、吸流電抗器的容量。3電氣化鐵道無功動(dòng)態(tài)并聯(lián)綜合補(bǔ)償裝置的基本構(gòu)成31電氣化鐵道無功動(dòng)態(tài)并聯(lián)綜合補(bǔ)償裝置的原理框圖本文提出一種電氣化鐵道無功動(dòng)態(tài)并聯(lián)綜合補(bǔ)償方案，如圖2所示。本裝置分為主回路和控制兩部分，主回路主要包括：協(xié)調(diào)變壓器、真空斷路器、隔離開關(guān)、電容器組、電抗器組、避雷器及RC吸收裝置、電

11、流互感器、電壓互感器等；控制部分主要包括：晶閘管開關(guān)柜、繼電操作和保護(hù)屏、計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)屏、儀表變送屏等。采用監(jiān)測110 kV側(cè)的無功功率、有功功率、接觸網(wǎng)電壓和饋線電流的方法，分級(jí)調(diào)整，回差開關(guān)控制。32電氣化鐵道無功動(dòng)態(tài)并聯(lián)綜合補(bǔ)償裝置工作原理    無行車時(shí)全部切除低壓側(cè)濾波支路，投入吸流電抗器吸收高壓側(cè)基波無功，本系統(tǒng)輸出為0；有行車時(shí)：(1)當(dāng)接觸網(wǎng)電壓在1930 kV且無功功率達(dá)到700 kvar以上時(shí)，控制系統(tǒng)在延時(shí)100 ms后，投入一組電容器，無功功率每增加700 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50

12、0 kvar延時(shí)100 ms后，順序切除電容器組；(3)當(dāng)檢測無功功率突然低于100 kvar延時(shí)100 ms后，快速連續(xù)切除各級(jí)電容器組；(4)當(dāng)檢測網(wǎng)壓高于30 kV或低于19 kV時(shí)，延時(shí)500 ms后，快速連續(xù)切除各級(jí)電容器組。投入順序?yàn)橄韧度敫邏簜?cè)電容器(即切除吸流電抗器)，然后再分組投入各低壓側(cè)電容器；切除順序?yàn)橄惹谐鞯蛪弘娙萜?，再投入吸流電抗器。要確保濾波支路和吸流支路不同時(shí)工作。其中：Pi、Qi分別為各時(shí)段內(nèi)變電所總有功、總無功(滯后值取正)；Qgci為固定高壓電容器組的各時(shí)段內(nèi)的總補(bǔ)償無功(超前值取負(fù))；Qdci為可調(diào)低壓電容濾波器分組投切時(shí)實(shí)際投入濾波器組的各時(shí)段內(nèi)的總補(bǔ)

13、償無功(超前值取負(fù))；QRi為可調(diào)低壓吸流電抗器組分組投切時(shí)實(shí)際投入的電抗器的各時(shí)段內(nèi)的總無功(滯后值取正)；n為統(tǒng)計(jì)時(shí)段數(shù)(自然數(shù))，Ti為時(shí)段時(shí)間。R為某一統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)(一月或一日)功率因數(shù)要求值的角度。公式(2)表明，應(yīng)通過分組投切可調(diào)低壓電容濾波器組，選擇合理的Qdci，使各時(shí)段內(nèi)牽引變電所與系統(tǒng)交換的無功保持最小。公式(3)表明應(yīng)通過分組投切可調(diào)低壓吸流電抗器組選擇合理的QRi使各時(shí)段內(nèi)牽引變電所與系統(tǒng)交換的無功保持最小。4現(xiàn)場記錄41濾波器組投切錄波圖3給出了迎水橋牽引變電所實(shí)際記錄的濾波器組投切的波形。從此波形可以看出，濾波器組投入時(shí)，不產(chǎn)生過電壓。 42功率因數(shù)比較 &

14、#160;  迎水橋牽引變電所無功補(bǔ)償裝置經(jīng)過改造，2001年4月投入運(yùn)行，日平均功率因數(shù)達(dá)到了093096，月平均功率因數(shù)提高到094095。改造前后功率因數(shù)對(duì)照群圖4所示。 5效益分析我國現(xiàn)行的兩部電價(jià)制度，總支付電費(fèi)包括基本電費(fèi)、電量電費(fèi)和按功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)三部分。迎水橋牽引變電所對(duì)無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行改造后，月平均功率因數(shù)提高到092以上，每年使功率因數(shù)罰款由罰變?yōu)楠?jiǎng)，年可節(jié)省85萬元以上；投資回收期保守估計(jì)為兩年半。本文所述裝置符合國家的產(chǎn)業(yè)政策和鐵路的技術(shù)政策，能夠綜合解決電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)中普遍存在的技術(shù)問題，滿足鐵路建設(shè)發(fā)展的需要，該裝置對(duì)節(jié)能降耗，降低運(yùn)營成本，擴(kuò)大

15、鐵路的運(yùn)輸能力，提高鐵路的技術(shù)裝備水平，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)化電能質(zhì)量，都有現(xiàn)實(shí)意義。6結(jié)束語綜上所述，本文提出的電氣化鐵道無功動(dòng)態(tài)并聯(lián)綜合補(bǔ)償裝置(帶有協(xié)調(diào)變壓器的TSCTSR可調(diào)無功補(bǔ)償與諧波治理方案)，技術(shù)先進(jìn)、方案合理，經(jīng)迎水橋牽引變電所現(xiàn)場運(yùn)行表明：1)在考慮無功“返送正計(jì)”的情形下，采用帶有協(xié)調(diào)變壓器的TSCTSR可調(diào)無功補(bǔ)償(與諧波治理)方案，可有效地提高變電所的功率因數(shù)，使其達(dá)到092以上，從而可大大減少因功率因數(shù)偏低帶來的罰款。2)在滿足提高功率因數(shù)的基礎(chǔ)上，也能夠有效地提高濾波率，并大大改善無功負(fù)序的影響，降低母線壓損，提高網(wǎng)壓水平，降低牽引變壓器功率損失和網(wǎng)損(節(jié)

16、能)，提高牽引變壓器的容量利用率(增容)，滿足鐵路建設(shè)和發(fā)展需要。3)利用晶閘管過零、頻繁、快速、分組投切電容器(濾波器)和吸流電抗器，可有效地避免投切時(shí)的過電壓、過電流，并有效延長設(shè)備的使用壽命。4)TSR的提出大大地降低了一次性投資，同時(shí)也避免了晶閘管觸發(fā)脈沖的問題。5)多種形式的協(xié)調(diào)變壓器(單相變壓器、單相三線圈變壓器、V接變壓器)，可滿足不同安裝場合。6)通過初步研究及現(xiàn)場的運(yùn)行表明，造價(jià)較低的帶有協(xié)調(diào)變壓器的TSCTSR可調(diào)無功補(bǔ)償(與諧波治理)方案及裝置，符合我國國情、路情，對(duì)綜合治理牽引供電系統(tǒng)的問題有益且可行。參考文獻(xiàn)1李群湛電氣化鐵道并聯(lián)補(bǔ)償及應(yīng)用M北京：中國鐵道出版社，19932賀建閩多串多次濾波器投切的暫態(tài)過程仿真J鐵道學(xué)報(bào)，1991(增刊)：92983Zhang Li，Li QunzhanApplication of TSCin Reactive Compe