电气化铁道负序无功补偿器型式和容量的确定

北极星电力网技术频道作者:电力论文3 2007/12/24 18:46:02

关键词: 无功补偿电气无功补偿器

摘要：提出了用阻抗平衡法补偿电气化铁道负序电流和无功功率的原理，同时也提出了确定补偿器型式和容量的系统方法，用此方法计算出了用TCR并联电容法和变耦电抗法来实现了补偿时的电感和电容容量，从而可知TCR并联电容器法用于电气化铁道负序和无功补偿经济合理且易于实现。

关键词：铁道电气化；负序无功补偿；序阻抗矩阵；变耦式可控电抗；TCR可控电抗

0引言

电气化铁道牵引负荷为大容量单相整流负荷，运行时会产生较大的谐波分量和负序分量，而且消耗无功也非常大。对于谐波问题国内外已有许多解决办法，如有源和无源滤波器等等。但是对于负序问题的研究在国内还较少，而大量负序分量的出现威胁电力系统的安全运行，负序电流侵入发电机会在发电机转子中产生一系列高次谐波，严重时会使转子铁心过热烧红，绕组端部受到损坏。在交流电动机中会产生制动转矩和附加损耗，还会引起继电保护装置的误动，所以电气牵引负序电流是电网的一大公害。

为了抑制电气化铁道的负序电流，铁路部门采用牵引变压器轮流换相的办法，但由于牵引负荷具有较大的随机性，这种办法并不能使三相负荷得到理想的平衡。当前普遍采用真空断路器来投切LC无源滤波器，但只能进行无功和高次谐波补偿，负序电流仍然得不到抑制；同时铁路电气牵引负荷波动大而且频繁，真空断路器不能快速频繁投切，导致补偿效果差，常伴有不对称无功倒送系统现象。国内虽有负序补偿的研究和应用，但在现有LC滤波器的基础上怎样确定负序无功补偿器的型式和容量，关系到问题的解决及装置的技术经济性能，值得深入探讨。

本文在分析牵引变压器负载侧三相电流和无功分量的基础上，用一组快速可调的非对称阻抗构成负序电流和无功功率补偿器与原来的LC滤波器并接于牵引变压器低压侧。当电气牵引负荷增加时，它可以吸收负序电流和发出无功电流，当电气牵引负荷降低时，它可以吸收不对称的无功电流，从而保证牵引变压器负荷侧电流为纯有功的对称电流。同时提出了构造吸收器阻抗参数的系统方法，并分别以TCR并联电容器式可控电抗^［1］和变耦式可控电抗^［2］来构成实现补偿装置，分别计算其所需容量。计算结果表明，选用TCR并联电容器式可控电抗实现所需容量小得多。

1原理方法

电气化铁道牵引变压器的供电方式有Y／Δ-11接线，V/V接线，T型接线三种。由于大多数牵引变采用Y／Δ-11的接线方式向牵引负荷供电，以下就此进行研究。其Δ侧c相顶点接地，a、b相各引出一条供电臂，并装设LC滤波器进行谐波和无功补偿。在牵引变压器低压侧并联三相不对称阻抗构成补偿装置后，电氧化铁路供电系统如图1所示。图中jX_T为不对称阻抗，是机车电流。我们是对装设LC滤波器后的电流通过不对称阻抗jX_T来进行补偿。对应等值图如图2所示。图中为补偿电流。

图1电气化铁道供电系统原理图图2电气化铁道供电系统等值图

由图1我们可知未补偿前，变压器低压侧负荷电流，所以零序不存在。于是由对称分量法计算正负序电流如下：

式中为正序电流，为负序电流。

于是补偿电流如下：

其中为正序无功补偿电流，为负序补偿电流。

由序导纳矩阵^［3］有：

补偿后电压对称，于是，（3）式变为

由（4）式可以得出

可证明若Y₁₂为Y₂₁的共轭负值，即，且Y₁₁=Y₂₂则补偿阻抗由纯电抗构成。

补偿序阻抗如下：

补偿相阻抗如下：

进行星三角变化，三角形补偿阻抗如下：

按（7）式确定的补偿阻抗是在补偿后要求电压为零来完成的，这是为了简化，且按此确定的补偿器容量偏大，符合实际需要。实际上，运行时负序电压不完全要求为零，由（3）式我们可得

再加上，Y₁₁=Y₂₂，这就在负序和无功不为零的情况下算出补偿阻抗；而其它许多补偿方法不能实现此要求。

2结线方案构成

由（1）～（7）式所确定的每相补偿阻抗在满足条件下都可由纯电抗构成。对于一个具体的牵引变电站根据不对称负荷变化情况，可得每相电抗的一般变化范围如下：

容性电抗-X₁～-X₂(单位：Ω)，感性电抗X₃～X₄(单位：Ω)(8)

式中各限值X_i≥0（i=1,2,3,4）.实现构造负序无功补偿器就是要选择每相可调电抗型式和确定各相电抗可调范围，即（8）式中各X的值。对这些不对称阻抗的补偿有多种实现型式，有些方法虽然在理论上比较成熟，但是在实现上比较困难，而且经济性能不好。而目前在经济性能上比较好，又容易实现的有下面三种型式。

1)晶闸管可控电抗器TCR和电容C并联；

2)晶闸管投切电容器TSC和固定电抗X_L并联；

3)变耦式可控电抗和电容C串联；

它们的单相结线方案分别如下：

TCR和电容C并联TSC并联电抗器

变耦式可控电抗和电容C串联

图3三种补偿方式单相结线方案

这三种结线方案的优缺点是：方案1)可以连续平滑调节，但产生谐波；方案2）分段调节但没有谐波，且装置容量和结线方案1）相当，但所需晶闸管容量大；方案3）虽然分级调节但无谐波。由此我们淘汰掉结线方案2）.结线方案1）和3）的优选原则，在于使该方案的补偿装置容量为最小，比较如下。

2.1TCR并联电容法

TCR并联电容装置其等效调节电纳：

B_T=B_C-B_TR

式中B_TR——TCR等效电纳的绝对值。

式中δ——TCR晶闸管导通角。

TCR等效电纳最大绝对值为B_TRmax=1/X_L，电感导纳绝对值B_L=1/X_L=B_TRmax.当δ在0～π间变化时，B_TR在0～B_TRmax间变化，与此同时B_T在B_C～(B_C-B_TRmax)间变化。对于由（8）式所确定的每相负荷不对称阻抗的导纳变化范围如下：

容性电纳1/X₂～1/X₁(单位：s)，感性电纳-1/X₄～-1/X₃(单位：s)（9）

要使B_T的调节范围满足此变化范围，应使

B_C=1/X₂,B_C-B_TRmax=-1/X₃（10）

由此可确定每相电容最大容纳和TCR电抗器的感性电纳。

此方案装置各相元件的最大容量确定原则如下(采用标幺值取S_B=1MVA，U_B=27.5kV)：

S_Lmax=U²B_{Trmax[FS:PAGE]}

(11)

因为电容是固定不变的，所以电容的最大容量

S_Cmax=U²B_Cmax=U²B_C(12)

TCR法的开关装置在晶闸管完全断开时承受最大工作电压

U_gmax=1(13)

晶闸管最大工作电流出现在B_TR=B_TRmax时，

I_gmax=U_gmax×B_Trmax（14）

因此晶闸管的容量为

S_Tmax=3×7.2×2×U_gmax×I_gmax（15）

2.2变耦电抗法

变耦电抗装置的单相基本原理结线如图4所示。它由两个三相串联互感器BT₁和BT₂组成，它们在一次侧串联后再接于三相输电线路中，其二次侧经过晶闸管开关装置VT联结而构成。VT装置可改变两个串联互感器二次侧的联结和其中之一的二次绕组匝数，以改变每个互感器的磁耦合。当电流流过两个互感器一次绕组时，将在铁芯中产生自感磁通，二次侧绕组中的感生电流将产生互感磁通。变耦电抗器一次电流不变时，自感磁通不变，但二次绕组中的电流大小和相位可通过VT装置来改变，故铁芯中的互感磁通和合成磁通也改变，从而装置的等效电抗可调。整个装置可视为可调电抗，由晶闸管开关装置控制改变每个互感器的磁耦合来实现，故称为晶闸管控制变耦电抗装置^［2］。

变耦电抗装置的电抗变化范围为（0～0.9）X_L1或（0～2）X_L1（X_L1—BT₁一次绕组忽略漏感后的自感抗）。研究表明如此调节电抗，简单经济，运行时无高次谐波。变耦电抗装置等效结线如图5.

图4变耦电抗装置原理结线图图5变耦电抗装置等效电路

整个装置等效电抗为：

式中,K_L为BT₁二次侧串联电抗的电抗系数，N——BT₂和BT₁一次侧自感抗比值；K——BT₂与BT₁变比比值；令，即K_c为接线系数的幅值，δ为的相角。串联电容X_C后，总的阻抗jX=j(X_Tb-X_C).串联变压器BT₁和BT₂一次电流如下：

其中为补偿装置两端电压，因为是并联补偿，所以为一定值。

BT₁和BT₂一次绕组电压如下：

其中X_m1=K₁X_L1，X_m2=K₂X_L2

电感容量计算如下：(采用标幺值取S_B=1MVA，U_B=27.5kV)

S_t1=I₁U_T11(20)

S_t2=I₁U_T21(21)

电容容量计算如下：

S_C1=I₁²X_C（22）

3应用举例

遵义供电段牵引变电所采用Y／Δ-11接线并装设LC滤波器，其配电电容器容量为1600kVAR.a、b相负荷电流的最大值在1000A左右，功率因数在0到1间变化。以其为例进行计算，取S

容量相别	S_Lmax	S_Cmax	S_gmax
AB相	2.2436	0.7520	15.7052
BC相	3.0321	无	21.2250
CA相	3.6132	2.2931	25.2889
三相	8.8789	3.0451	62.2191

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