论文部分内容阅读
摘要：由于电气化铁道牵引负荷的不对称性、随机性和波动性等特点会在电力系统产生负序电流，造成高次谐波的含量增加以及功率因数的降低，同时对电气化铁路沿线的通讯线路存在干扰。降低或消除这些不良影响对电力系统而言犹为重要。
本文以西河牵引变电所YN，d11接线变压器进行并联无功补偿（PRC）分析为例，从负序相量图法得到补偿方案，分析不同方案各自优缺点，从中选择最合理的方案。
关键词 负序电流；不对称负载；平衡变压器；无功补偿
中图分类号：TM922.4 文献标识码：A 文章编号：
Abstract:Because of the loads, characteristics such as dissymmetry, random and motion etc, they will make the electric traction full of negative-sequence current,and increase higher harmonics, make the power factor lower. Meantime, the communication of electric railway is also interferenced. Then it, s important to reduce these bad influence to the electric power system. This papers take YN,d11 transformers for example, analyzes its parallel reactive power compensation. The compensation measures are proposed by negative-sequence phase diagram. Choosing the best one from comparing the advantages and disadvantages of all the measures.
Keywordsnegative-sequence current; unbalance load; balance transformerparallel reactive power compensati
1、引言
1.1课题的来源及目的
沪昆电气化铁路西河电牵所引入两路110KV独立电源（上渡一和上渡二），经31.5MVA平衡变压器降压后向电力机车供电。电力机车采用25kV 单向工频交流电压，经全波整流后驱动直流牵引电动机，在架空接触导线和钢轨之间行驶。由于电气化铁路牵引负荷为流动性的大功率单相整流负荷，对电网供电的影响具有非线性、不对称性、多变性、大功率特点，致使电网产生负序电流，给电网的正常运作带来严重危害：使电网产生局部谐振，网损明显加大，发电机转子损坏，继电保护和自动装置非正常频繁启动，用户电机和电容器大量烧坏或不能正常运行，小火电厂不能就近并网等危害。随着我国电气化铁路的高速发展，如何使其对电力系统的影响降为最低，是必须认真思考和努力解决的问题。
1.2目前限制负序采取的措施
为了减少单相牵引负荷对电力系统的负序影响，电力公司、牵引变电所都采取措施来限制负序电流。
⒈ 电力公司电力系统限制措施：采用大容量电源。
⒉ 电牵所采用的限制措施：
⑴ 采用平衡牵引变压器，可以降低负序不平衡度；
⑵ 高压侧接入的电力系统进行换相连接；
⑶ 采用固定补偿技术。
本文通过对YN，d11接线变压器负序电流并联无功补偿方案的探讨，结合西河电牵所电容补偿改造工程所采用的动态无功补偿平衡装置的实际情况，进一步了解并联动态无功补偿在电气化铁路牵引变电所的应用价值。
2、 YN，d11接线变压器负序电流并联无功补偿方案
2.1 YN，d11接线变压器负序电流并联无功补偿方案
2.1.1通过理论计算，YN，d11接线变压器在电力系统中引起的不平衡度为：，且不产生零序分量；当n＝1时，电流不平衡度为50%，与单相变压器相比，可以显著抑制负序电流，但不能消除负序电流。
2.1.2并联无功补偿方案分析
西河牵引变电所采用两边异相供电方式，此处就民两边异相供电补偿方案进行分析。假定ac、bc两供电臂接入对称感性负载（电流幅值：1000 A；功率因数角：）。左边供电臂牵引网的电压是ac相；右边供电臂牵引网的电压是bc相，两供电臂为接线。
根据负序电流相量图，补偿负序电流的方案有以下两个：
方案一：
图2—1 补偿电容后负序电流相量图
由相量图可知：ac端口并联一个电容可以补偿负序电流。为ac相负载电流的负序分量；为bc相负载电流的负序分量；为两者合成负序分量。
A(取有效值)
V
并联电容大小：
方案二：
图2—2 补偿电感后负序电流相量图
由相量图可知：在ab端口和bc端口同时并联电感可以补偿负序电流：
A
V
并联两电感大小：
结论：用全负序相量图来分析并联无功补偿可以比较简便、直观计算出在适当端口并联电容或电感大小。但并不是所有的补偿方案都是最合理的，要考虑到技术和经济两方面。选择PRC设备容量较小；不能使原有的功率因数恶化。所以要基于上述两方面的考虑，从中选择最佳的补偿方案。
3、西河牵引变电所限制负序方案
3.1 工程简介
西河牵引变电所自开通以来功率因素始终低于0.85,2005年经过对并补电容器组进行增容改造，补偿效果仍未达到0.9。由此可以看出在原有的控制模式下，只改变电容器的容量是很难解决牵引变电功率因数问题。
西河变电所动补装置于2009年6月开始施工，同年11月竣工并投入运行。它是在Yd11型牵引变压器的27.5KV供电母线上，新增了一套动态无功并联综合补偿装置，该所可调并联补偿通过改变无功元件的电压和电流从而实现动态无功补偿的平衡方案。该补偿方案的应用,减少了对供电系统不平衡的影响,取得了良好的效果。
3.2动态无功补偿改造工程限制负序方案
3.2.1 采用Yn Ⅱ平衡变压器
Yn Ⅱ平衡变压器，当两供电臂负荷相等时，电流不平衡度为0，即不产生负序分量。但由于牵引负荷的随机波动性，很难保证两供电臂的负荷相等，所以实际运行中一定产生负序电流，需要采取补偿措施。
3.2.2 采用动态无功并联补偿装置
下面介绍动态无功并联补偿装置的基本构成、调试、运行情况，滤波器、相控电抗器的过零投切波形以及补偿效果。
（1）动态无功并联综合补偿装置的原理框图
本所采用一种电气化铁道动态无功并联综合补偿方案，如图3-1所示。本装置分为主回路和控制两部分。
（2）无功动态并联综合补偿装置工作原理
该装置主要原理是保证变压器二次侧节点电压不变。设TCR感性无功相控回路和H3滤波容性无功回路，在空载运行时，保证TCR回路与H3回路功率相抵消，负荷无功不变；当机车运行时负荷无功变化，通过电流、电压采样计算流过TCR回路电流调节晶闸管导通角度，改变TCR回路感性无功，保证TCR回路无功与负荷无功之和与H3回路容性无功相抵消。为此新增了晶闸管1组、相控电抗器1组、滤波电抗器1组、滤波电容器6组、电流互感器2台，手动隔离开关2台，SVC保护测控盘1面，SVC控制柜1面。SVC控制柜没有做好合闸准备时（正式投入，运行正常）231断路器不能合闸，SVC柜故障时，231断路器分闸，27.5kV进线断路器跳闸，231断路器同时跳闸，231断路器跳闸未完成时，进线断路器不能再次合闸。在总回路上设有电流速断保护、过流保护、低电壓保护、过电压保护，在TCR支路设有SVC过流Ⅰ段保护、SVC过热保护、SVC晶闸管击穿保护，H3支路设有电流速断保护、过流保护、差电压保护。
图3-1 西河牵引变电所综合补偿方案
牵引供电臂上无电力机车取流时，相控电抗器吸收高压母线上的基波无功，本系统输出为0。
牵引供电臂上电力机车取流时，其补偿装置投切情况如下：
①当接触网电压在19～30 kV且无功功率达到750 kvar以上时，控制系统在延时100 ms后，投入一组电容器，无功功率每增加750 kvar，就顺序投入下一组电容器，直到全部电容器投入；
②当检测无功功率低于550 kvar延时100 ms后，顺序切除电容器组；
③当检测无功功率突然低于100 kvar延时100 ms后，快速连续切除各级电容器组；
④当检测网压高于30 kV或低于19 kV时，延时500 ms后，快速连续切除各级电容器组。
3.2.3 功率因数比较
西河牵引变电所自开通后功率因素始终低于0.85,2005年经过对并补电容器组进行增容改造，补偿效果仍未达到0.9。2009年11月并联动态补偿装置投入运行，日平均功率因数达到了0．94～0．97，月平均功率因数提高到0．94～0．95。
综上所述，本文提出的电气化铁道无功动态并联综合补偿装置(带有协调变压器的TSC＋TSR可调无功补偿与谐波治理方案)，经西河牵引变电所现场运行表明：电气化铁道动态无功补偿方案在提高功率因数、降低变压器功率损耗有明显的经济效果，并且运行可靠、技术上可行，值得借鉴。
参考文献
1李群湛． 电气化铁道并联综合补偿及其应用. 中国铁道出版社,1983:1～30
2贺建闽．多串多次滤波器投切的暂态过程仿真［J］．铁道学报，1991(增刊)：92－98．
3李群湛,贺建闽. 牵引供电系统综合补偿技术及其应用. 铁道学报 , 1998（3）：25～27
4李群湛.关于电气化铁道的负序影响与限制问题的研究. 铁道学报,1994:16（4）21～5
5张丽艳,李群湛. YNd11接线牵引变压器负序分析. 变压器, 2006:43（1）21～24
6张秀峰,李群湛,吕晓琴.基于有源滤波器的V，v接同相供电系统. 中国铁道科学, 2006:27（2）98 ～ 101
7李群湛．电气化铁道并联补偿及应用［M］．北京：中国铁道出版社，1993．
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
本文以西河牵引变电所YN，d11接线变压器进行并联无功补偿（PRC）分析为例，从负序相量图法得到补偿方案，分析不同方案各自优缺点，从中选择最合理的方案。
关键词 负序电流；不对称负载；平衡变压器；无功补偿
中图分类号：TM922.4 文献标识码：A 文章编号：
Abstract:Because of the loads, characteristics such as dissymmetry, random and motion etc, they will make the electric traction full of negative-sequence current,and increase higher harmonics, make the power factor lower. Meantime, the communication of electric railway is also interferenced. Then it, s important to reduce these bad influence to the electric power system. This papers take YN,d11 transformers for example, analyzes its parallel reactive power compensation. The compensation measures are proposed by negative-sequence phase diagram. Choosing the best one from comparing the advantages and disadvantages of all the measures.
Keywordsnegative-sequence current; unbalance load; balance transformerparallel reactive power compensati
1、引言
1.1课题的来源及目的
沪昆电气化铁路西河电牵所引入两路110KV独立电源（上渡一和上渡二），经31.5MVA平衡变压器降压后向电力机车供电。电力机车采用25kV 单向工频交流电压，经全波整流后驱动直流牵引电动机，在架空接触导线和钢轨之间行驶。由于电气化铁路牵引负荷为流动性的大功率单相整流负荷，对电网供电的影响具有非线性、不对称性、多变性、大功率特点，致使电网产生负序电流，给电网的正常运作带来严重危害：使电网产生局部谐振，网损明显加大，发电机转子损坏，继电保护和自动装置非正常频繁启动，用户电机和电容器大量烧坏或不能正常运行，小火电厂不能就近并网等危害。随着我国电气化铁路的高速发展，如何使其对电力系统的影响降为最低，是必须认真思考和努力解决的问题。
1.2目前限制负序采取的措施
为了减少单相牵引负荷对电力系统的负序影响，电力公司、牵引变电所都采取措施来限制负序电流。
⒈ 电力公司电力系统限制措施：采用大容量电源。
⒉ 电牵所采用的限制措施：
⑴ 采用平衡牵引变压器，可以降低负序不平衡度；
⑵ 高压侧接入的电力系统进行换相连接；
⑶ 采用固定补偿技术。
本文通过对YN，d11接线变压器负序电流并联无功补偿方案的探讨，结合西河电牵所电容补偿改造工程所采用的动态无功补偿平衡装置的实际情况，进一步了解并联动态无功补偿在电气化铁路牵引变电所的应用价值。
2、 YN，d11接线变压器负序电流并联无功补偿方案
2.1 YN，d11接线变压器负序电流并联无功补偿方案
2.1.1通过理论计算，YN，d11接线变压器在电力系统中引起的不平衡度为：，且不产生零序分量；当n＝1时，电流不平衡度为50%，与单相变压器相比，可以显著抑制负序电流，但不能消除负序电流。
2.1.2并联无功补偿方案分析
西河牵引变电所采用两边异相供电方式，此处就民两边异相供电补偿方案进行分析。假定ac、bc两供电臂接入对称感性负载（电流幅值：1000 A；功率因数角：）。左边供电臂牵引网的电压是ac相；右边供电臂牵引网的电压是bc相，两供电臂为接线。
根据负序电流相量图，补偿负序电流的方案有以下两个：
方案一：
图2—1 补偿电容后负序电流相量图
由相量图可知：ac端口并联一个电容可以补偿负序电流。为ac相负载电流的负序分量；为bc相负载电流的负序分量；为两者合成负序分量。
A(取有效值)
V
并联电容大小：
方案二：
图2—2 补偿电感后负序电流相量图
由相量图可知：在ab端口和bc端口同时并联电感可以补偿负序电流：
A
V
并联两电感大小：
结论：用全负序相量图来分析并联无功补偿可以比较简便、直观计算出在适当端口并联电容或电感大小。但并不是所有的补偿方案都是最合理的，要考虑到技术和经济两方面。选择PRC设备容量较小；不能使原有的功率因数恶化。所以要基于上述两方面的考虑，从中选择最佳的补偿方案。
3、西河牵引变电所限制负序方案
3.1 工程简介
西河牵引变电所自开通以来功率因素始终低于0.85,2005年经过对并补电容器组进行增容改造，补偿效果仍未达到0.9。由此可以看出在原有的控制模式下，只改变电容器的容量是很难解决牵引变电功率因数问题。
西河变电所动补装置于2009年6月开始施工，同年11月竣工并投入运行。它是在Yd11型牵引变压器的27.5KV供电母线上，新增了一套动态无功并联综合补偿装置，该所可调并联补偿通过改变无功元件的电压和电流从而实现动态无功补偿的平衡方案。该补偿方案的应用,减少了对供电系统不平衡的影响,取得了良好的效果。
3.2动态无功补偿改造工程限制负序方案
3.2.1 采用Yn Ⅱ平衡变压器
Yn Ⅱ平衡变压器，当两供电臂负荷相等时，电流不平衡度为0，即不产生负序分量。但由于牵引负荷的随机波动性，很难保证两供电臂的负荷相等，所以实际运行中一定产生负序电流，需要采取补偿措施。
3.2.2 采用动态无功并联补偿装置
下面介绍动态无功并联补偿装置的基本构成、调试、运行情况，滤波器、相控电抗器的过零投切波形以及补偿效果。
（1）动态无功并联综合补偿装置的原理框图
本所采用一种电气化铁道动态无功并联综合补偿方案，如图3-1所示。本装置分为主回路和控制两部分。
（2）无功动态并联综合补偿装置工作原理
该装置主要原理是保证变压器二次侧节点电压不变。设TCR感性无功相控回路和H3滤波容性无功回路，在空载运行时，保证TCR回路与H3回路功率相抵消，负荷无功不变；当机车运行时负荷无功变化，通过电流、电压采样计算流过TCR回路电流调节晶闸管导通角度，改变TCR回路感性无功，保证TCR回路无功与负荷无功之和与H3回路容性无功相抵消。为此新增了晶闸管1组、相控电抗器1组、滤波电抗器1组、滤波电容器6组、电流互感器2台，手动隔离开关2台，SVC保护测控盘1面，SVC控制柜1面。SVC控制柜没有做好合闸准备时（正式投入，运行正常）231断路器不能合闸，SVC柜故障时，231断路器分闸，27.5kV进线断路器跳闸，231断路器同时跳闸，231断路器跳闸未完成时，进线断路器不能再次合闸。在总回路上设有电流速断保护、过流保护、低电壓保护、过电压保护，在TCR支路设有SVC过流Ⅰ段保护、SVC过热保护、SVC晶闸管击穿保护，H3支路设有电流速断保护、过流保护、差电压保护。
图3-1 西河牵引变电所综合补偿方案
牵引供电臂上无电力机车取流时，相控电抗器吸收高压母线上的基波无功，本系统输出为0。
牵引供电臂上电力机车取流时，其补偿装置投切情况如下：
①当接触网电压在19～30 kV且无功功率达到750 kvar以上时，控制系统在延时100 ms后，投入一组电容器，无功功率每增加750 kvar，就顺序投入下一组电容器，直到全部电容器投入；
②当检测无功功率低于550 kvar延时100 ms后，顺序切除电容器组；
③当检测无功功率突然低于100 kvar延时100 ms后，快速连续切除各级电容器组；
④当检测网压高于30 kV或低于19 kV时，延时500 ms后，快速连续切除各级电容器组。
3.2.3 功率因数比较
西河牵引变电所自开通后功率因素始终低于0.85,2005年经过对并补电容器组进行增容改造，补偿效果仍未达到0.9。2009年11月并联动态补偿装置投入运行，日平均功率因数达到了0．94～0．97，月平均功率因数提高到0．94～0．95。
综上所述，本文提出的电气化铁道无功动态并联综合补偿装置(带有协调变压器的TSC＋TSR可调无功补偿与谐波治理方案)，经西河牵引变电所现场运行表明：电气化铁道动态无功补偿方案在提高功率因数、降低变压器功率损耗有明显的经济效果，并且运行可靠、技术上可行，值得借鉴。
参考文献
1李群湛． 电气化铁道并联综合补偿及其应用. 中国铁道出版社,1983:1～30
2贺建闽．多串多次滤波器投切的暂态过程仿真［J］．铁道学报，1991(增刊)：92－98．
3李群湛,贺建闽. 牵引供电系统综合补偿技术及其应用. 铁道学报 , 1998（3）：25～27
4李群湛.关于电气化铁道的负序影响与限制问题的研究. 铁道学报,1994:16（4）21～5
5张丽艳,李群湛. YNd11接线牵引变压器负序分析. 变压器, 2006:43（1）21～24
6张秀峰,李群湛,吕晓琴.基于有源滤波器的V，v接同相供电系统. 中国铁道科学, 2006:27（2）98 ～ 101
7李群湛．电气化铁道并联补偿及应用［M］．北京：中国铁道出版社，1993．
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。