孫禹文

過零投切型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用

孫禹文

通過對電氣化鐵道牽引變電所中動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的分析和比選，分析計(jì)算動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的主要技術(shù)參數(shù)，在石太線陽太段牽引變電所改造工程中采用過零投切型MCR動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，取得了良好的運(yùn)行效果。

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償；過零投切；分析

0 引言

2012年石太線（太原鐵路局管內(nèi)）牽引變電所改造工程開始實(shí)施，牽引變電所動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的選用及主要技術(shù)參數(shù)的確定成為該項(xiàng)工程的技術(shù)關(guān)鍵，太原鐵路局供電處及設(shè)計(jì)院的相關(guān)人員進(jìn)行了認(rèn)真分析研究，確定采用過零投切型MCR動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置作為牽引變電所的無功補(bǔ)償裝置，并通過分析計(jì)算確定了該裝置的主要技術(shù)參數(shù)。該裝置投運(yùn)后，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，效果良好。

1 牽引變電所動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置選用分析

1.1 牽引變電所常用的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置

1.1.1 TCR型SVC

TCR型靜止無功補(bǔ)償裝置（下文簡稱SVC）即晶閘管相控電抗器型 SVC。基波相移無功功率固定補(bǔ)償、高次諧波電流濾波功能由FC實(shí)現(xiàn)，TCR相控電抗器作為基波相移無功功率校正。

運(yùn)行中存在的主要問題：晶閘管串全壓相控電抗器，工作可靠性低；運(yùn)行有功損耗大，諧波電流大；投入有涌流沖擊，切除產(chǎn)生過電壓；運(yùn)行安全可靠性差。

1.1.2 自耦調(diào)壓型SVC

自耦調(diào)壓型SVC由自耦有載調(diào)壓器、基波相移無功功率固定補(bǔ)償濾波支路構(gòu)成。自耦有載調(diào)壓器在計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)控制下，改變FC支路兩端電壓來動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置對基波相移無功功率的需求。

該裝置具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，即：可做到投入無涌流沖擊，切除不產(chǎn)生過電壓；有功損耗小；運(yùn)行不產(chǎn)生諧波電流；運(yùn)行可靠性高。

但該裝置在運(yùn)行中存在的主要問題是有載調(diào)壓裝置的響應(yīng)速度和動(dòng)作次數(shù)滿足不了電力牽引負(fù)荷急劇頻繁變化的要求。

1.1.3 SVG+FC

SVG+FC裝置，F(xiàn)C容量配置以滿足高次諧波電流濾波功能要求，SVG的容量配置與FC所發(fā)的基波相移感性無功功率相當(dāng)。

FC實(shí)現(xiàn)基波相移感性無功功率固定補(bǔ)償、高次諧波電流濾波功能。在有機(jī)車時(shí)，SVG與FC共同承擔(dān)基波相移感性無功功率補(bǔ)償。在無機(jī)車時(shí)，SVG補(bǔ)償FC所發(fā)出的基波相移感性無功功率。

SVG+FC裝置在鐵道電氣化牽引變電所基波相移無功功率補(bǔ)償和高次諧波電流濾波應(yīng)用領(lǐng)域是一項(xiàng)有前景的方案，但目前SVG性能受開關(guān)元器件性能限制，運(yùn)行中故障率高，可靠性差，有功損耗大。

1.1.4 直接電壓型SVC

直接電壓型SVC是由自耦均壓變壓器、無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償濾波支路、無功功率固定補(bǔ)償濾波支路、高壓容性交流晶閘管開關(guān)和計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)構(gòu)成。自耦均壓變壓器將27.5 kV母線電壓均分成適合高壓容性交流晶閘管開關(guān)工作電壓范圍，無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償濾波支路主要是實(shí)現(xiàn)基波相移無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，對高次諧波電流濾波功能十分有限。無功功率固定補(bǔ)償濾波支路主要功能是高次諧波電流濾波，基本不發(fā)基波相移無功功率，所以無功功率固定補(bǔ)償濾波支路容量配置大。

直接電壓型SVC的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行可靠性高，運(yùn)行有功功率損耗小，運(yùn)行中裝置本身不產(chǎn)生高次諧波電流，基波相移無功功率補(bǔ)償響應(yīng)速度快，功率因數(shù)補(bǔ)償、電壓調(diào)整效果明顯，投入無涌流沖擊，切除無過電壓現(xiàn)象。該裝置存在問題是考慮高次諧波電流濾波，需要配置容量大所，需要的晶閘管開關(guān)數(shù)量較多，相對故障概率較高，且必須安裝在室內(nèi)，模塊化結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

1.1.5 MCR型SVC

MCR型SVC即磁控電抗器型SVC，與TCR型SVC相比較，只是用磁控電抗器MCR取代晶閘管相控電抗器 TCR。由于磁控電抗器勵(lì)磁功率是從主繞組抽取出的一個(gè)低電壓，晶閘管不需要串聯(lián)工作，晶閘管工作電壓低，所以MCR裝置工作可靠性大大增強(qiáng)。其它性能指標(biāo)與TCR型SVC基本相當(dāng)。

1.1.6 MCRV型SVC

MCRV型SVC是MCR型SVC改進(jìn)型，是在MCR型SVC的基礎(chǔ)上增加了自耦調(diào)壓部分，將原MCR支路、FC支路由27.5 kV母線接于自耦調(diào)壓器的輸出端。MCRV型SVC具有自耦調(diào)壓型SVC和MCR型SVC的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還摒棄了它們的不足。

該裝置主要運(yùn)行性能：運(yùn)行安全、可靠；可做到零電壓零電流投入，即投入無涌流沖擊；零電壓零電流切除，即切除不產(chǎn)生過電壓現(xiàn)象；在基波相移無功功率補(bǔ)償范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)功率因數(shù)可補(bǔ)償?shù)?.98～1.0；平均功率因數(shù)補(bǔ)償可在0.95～1.0間選擇；自耦調(diào)壓裝置與MCR組成協(xié)調(diào)控制。自耦調(diào)壓裝置控制基波相移無功功率補(bǔ)償范圍和功率因數(shù)補(bǔ)償指標(biāo)；MCR控制基波相移無功功率補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)速度，使裝置處于安全、可靠、經(jīng)濟(jì)狀態(tài)運(yùn)行。

1.2 牽引變電所動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的選用分析

（1）動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行可靠性分析比選。

太原鐵路局管轄范圍已投入運(yùn)行的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的運(yùn)行情況綜合分析如下：

a.TCR型SVC，主要存在晶閘管發(fā)熱較為嚴(yán)重現(xiàn)象，存在安全隱患。

b.SVG+FC，該裝置發(fā)生過較為嚴(yán)重的故障。

c.自耦調(diào)壓型SVC，調(diào)節(jié)速度慢，故障率較高，不能完全滿足運(yùn)行要求。

d.直接電壓型 SVC內(nèi)部晶閘管開關(guān)數(shù)量較多，故障概率相對較高，且裝置占地較大，石太線（太原鐵路局管內(nèi)）牽引變電所既有場地不能完全滿足占地要求。

e.MCR型SVC在陽曲牽引變電所投入運(yùn)行3年多，未發(fā)生故障，平均功率因數(shù)達(dá)到0.9以上，能夠滿足運(yùn)行要求。

綜上所述，MCR型SVC運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足牽引供電運(yùn)行要求。

（2）動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置可能對牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生的影響分析。

MCR型SVC典型電路圖如圖1所示。

圖1 MCR型SVC典型電路圖

從圖1可以看出，當(dāng)MCR型SVC投入27.5 kV牽引供電系統(tǒng)時(shí)，其暫態(tài)過程會產(chǎn)生合閘涌流，合閘涌流由FC支路合閘涌流和MCR磁控電抗器勵(lì)磁涌流2部分組成，當(dāng)MCR型SVC從27.5 kV牽引供電系統(tǒng)切除時(shí)，會產(chǎn)生操作過電壓，最大操作過電壓為9～11倍額定電壓。

FC支路在投入運(yùn)行時(shí)，其暫態(tài)過程中，電容元件相當(dāng)于短路，其FC支路僅有電抗器的感抗，當(dāng)FC支路的補(bǔ)償比為0.12時(shí)，暫態(tài)過程中，F(xiàn)C支路總阻抗為其額定阻抗的 0.13倍，其基波涌流為其額定工作電流的 7.33倍。以安裝容量 S = 8 000 kvar為例，合閘涌流分析計(jì)算如下：

a.FC支路基波涌流計(jì)算。

電容器的額定電壓為Ue= 42 kV，

FC支路的補(bǔ)償比α = 0.12

電抗器的感抗XL= α×Xc= 26.4 Ω

FC支路額定工作電流Igz_e= 27 500 / (Xc? XL) = 141.68 A

FC 支路基波合閘涌流 I_hz= 7.33×Igz_e= 1 038.5 A

b.磁控電抗器合閘涌流計(jì)算。

MCR磁控電抗器的容量為FC支路的實(shí)發(fā)容量Ssk：

MCR磁控電抗器的額定電流為

磁控電抗器合閘涌流一般為其額定電流的9～11倍，按10倍計(jì)算，

c.MCR型SVC合閘涌流為FC支路合閘涌流與磁控電抗器合閘涌流的疊加，約為2 285 A。

由此可以看出，大容量MCR型SVC的合閘涌流比較大，石太線太原鐵路局管內(nèi)各牽引變電所重負(fù)荷臂的補(bǔ)償容量均在10 000 kvar以上，合閘涌流會對牽引變電設(shè)備造成安全危害，必須采取措施消除合閘涌流。

2 方案制定及主要技術(shù)參數(shù)的確定

2.1 MCRV型SVC的設(shè)計(jì)方案

MCRV型SVC由磁控電抗器（MCR）、自耦電壓調(diào)節(jié)器（ZVT）、磁控電抗器（MCR）及 FC支路組成。其中：MCR其基波感性電流平衡 FC支路的基波容性電流，實(shí)現(xiàn)磁控電壓型SVC對牽引負(fù)荷的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。ZVT由自耦變壓器和真空有載分接開關(guān)VMD組成，實(shí)現(xiàn)FC零電壓零電流投入，零電壓零電流切除。典型電路圖如圖2所示。

MCR采用4繞組結(jié)構(gòu)，節(jié)省鐵心材料，降低鐵損，通過每個(gè)繞組的電流較2繞組的減少50%，使鐵心磁保護(hù)裕度增加，減少高次諧波的產(chǎn)生。

VMD真空有載分接開關(guān)采用過渡電阻分級切換，避免了由于開關(guān)切換造成的暫態(tài)過程。

圖2 MCRV型SVC典型電路圖

2.2 MCRV型SVC的設(shè)計(jì)方案改進(jìn)

MCRV型SVC在榆次牽引變電所試運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)無功補(bǔ)償裝置投入時(shí)，牽引變壓器響聲很大，說明牽引變壓器受到較大電流的沖擊，分析如下：

榆次牽引變電所 B相補(bǔ)償安裝容量 S = 16 800 kvar，MCR的容量為FC支路的實(shí)發(fā)容量Ssk：

MCR的額定電流為

磁控電抗器合閘涌流一般為其額定電流的9～11倍，按10倍計(jì)算，

由此看出，該裝置投入運(yùn)行時(shí)，雖然FC支路是過零投切，但磁控電抗器是全壓投切，產(chǎn)生較大的沖擊涌流，牽引變壓器存在較大的安全隱患。

故此，對MCRV型SVC的接線進(jìn)行改進(jìn)，將磁控電抗器也改為過零投切，電路圖如圖3所示，改進(jìn)后，經(jīng)過6個(gè)月的運(yùn)行未發(fā)生投切沖擊現(xiàn)象。

2.3 主要參數(shù)的確定

（1）動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償計(jì)算容量的確定。

式中，Qx為無功補(bǔ)償計(jì)算容量，kvar；cos?1為補(bǔ)償前電源側(cè)功率因數(shù)，按0.79計(jì)算；cos?2為補(bǔ)償后電源側(cè)功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，按0.9計(jì)算；PL為供電臂95%概率最大電流計(jì)算的功率，kW。

計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行比較，經(jīng)過修訂后最終確定無功補(bǔ)償容量。

圖3 改進(jìn)后的MCRV型SVC接線圖

（2）電容器組標(biāo)稱額定電壓。按4組電容串聯(lián)計(jì)算，應(yīng)大于27.5 kV母線最高電壓29 kV，考慮到串聯(lián)電抗器的轉(zhuǎn)移電壓，按最大補(bǔ)償比 0.16計(jì)算，電容器組的額定電壓應(yīng)大于 29 / 0.84 = 34.5 kV，每組電容器標(biāo)稱額定電壓按10.5 kV計(jì)算，電容器組標(biāo)稱額定電壓為42 kV。

（3）磁控電抗器安裝容量。即為 FC支路的實(shí)發(fā)容量Ssk= S×(27.52/Ue2)，S為FC支路安裝容量，kvar。

（4）自耦電壓調(diào)節(jié)器傳導(dǎo)容量。即為 FC支路的實(shí)發(fā)容量Ssk= S×(27.52/Ue2)，kvar。

（5）真空有載分接開關(guān)分級數(shù)量自耦電壓調(diào)節(jié)器。其分級數(shù)量為11級，自耦電壓調(diào)節(jié)器每級電壓2.5 kV。

（6）FC設(shè)2個(gè)支路，補(bǔ)償功率因數(shù)的同時(shí)兼做3次、5次濾波，以消減牽引負(fù)荷中的主要諧波3次、5次諧波。3次諧波濾波支路串聯(lián)電抗器的感抗XL與電容器容抗Xc之比大于0.11，5次諧波濾波支路串聯(lián)電抗器的感抗XL與電容器容抗Xc之比大于0.04，3次、5次濾波支路的串聯(lián)電抗器分別設(shè)2個(gè)抽頭，為3次、5次諧波諧振點(diǎn)的1.03、1.08倍。

3 運(yùn)行效果

MCRV型SVC于2014年7月在太原鐵路局榆次牽引變電所投入運(yùn)行，日平均功率因數(shù)由原來的0.83上升到0.95，母線最低電壓由原來的22.3 kV提高到23.5 kV，27.5 kV母線側(cè)3次諧波由原來最大228.91 A降低至57.04 A，27.5 kV母線側(cè)5次諧波由原來最大81.46 A降低至16.26 A，磁控電抗器、自耦電壓調(diào)節(jié)器、串聯(lián)電抗器溫度正常，無過熱現(xiàn)象，整個(gè)裝置運(yùn)行正常，未發(fā)生任何故障，實(shí)現(xiàn)了改造目的。

On basis of analysis and comparison of dynamic reactive power compensation device for traction substation of electrified railway, analyzes and calculates main technical parameters of dynamic reactive power compensation device; and the zero-crossing switching MCR dynamic reactive power compensation device applied in reconstruction of traction substation on Yangtai section of Shijiazhuang-Taiyuan railway has obtained good operation effect.

Dynamic reactive power compensation; zero-crossing switching; analysis

U223.5+3

：B

：1007-936X(2015)03-0011-04

2015-03-24

孫禹文.太原鐵路局供電處，高級工程師，電話：13703523488。