铁道设计专业毕业设计----牵引所svc二次设计.docx

摘要由于目前电气化铁路牵引供电电能计量中力率的考核采用正送倒计的方式，若采用常规的固定电容进行无功补偿，其综合力率无法达到供电部门的要求，而静态无功补偿装置（svc）能够很好的解决这一问题。本文正是针对静态无功补偿装置（svc）的工程设计进行专题研究。本论文首先，针对电气化铁道牵引供电系统及其负荷的特点，分析了牵引供电系统功率因数低的原因，并提出应用静止型动态无功补偿装置(svc)对牵引负荷进行动态无功补偿。其次，介绍了目前牵引供电系统中普遍应用的晶闸管投切电容器tsc和固定电容器+晶闸管可控电抗器fc+tcr两种svc补偿装置；接着，对fc+tcr型svc系统的一次接线方式进行简单介绍，提出了svc装置在施工设计中应该注意的一些问题；最后，列举了110kv牵引变电所fc+tcr型svc补偿装置二次系统设计，并进行保护定值计算。静止型动态无功补偿(svc)装置采用大功率晶闸管调相技术，通过对补偿系统中的相控支路电流的调节，达到动态调节svc装置输出无功的目的，使之适应动态补偿牵引变电所变化负荷的需要。本论文中的设计方法及经验值得设计和施工人员参考借鉴。关键词：电气化铁路；功率因数；svc；fc+tcr；系统设计abstractat present because electrified railway traction power supply electricity measurement of the assessment using force rate was sending pour millions of the conventional way, if the fixed capacitance reactive power compensation, which are unable to achieve comprehensive force rate power supply departments requirement, and static var compensation device (svc) can be good to solve this problem. this thesis is aimed at static var compensation device (svc) engineering design keynote research.at first, this thesis mainly aims at electrified railway traction power supply system and its load characteristics, it analyzes the traction power supply system causes of low power factor, and put out the application of static var compensation device (svc) for dynamic var compensation of tractions load. secondly, the thesis introduces the current traction power supply system in general useing thyristor threw cutting capacitor tsc and fixed capacitors + thyristor controlled reactor fc + tcr two kinds of svc compensation devices; after then, fc + tcr type svc system once connection mode is simple introducted, and construction design device in an svc is put forward some problems which should be paid attention to; finally, the thesis cites fc + tcr type svc compensation devices second system design of 110 kv traction substation, and protection setting value calculation.static var compensation (svc) device adopts high-power thyristor phase-modulation technology, it throughs to the compensation system of phased branch current regulation, and achieves dynamic adjusting svc device the purpose of reactive power output, to make it adapt the need of changing of compensation traction substation. this thesis of the design method and experience is worth reference for designers and construction personnel.key words：electrified railway，power factor，svc，fc + tcr，system design目录摘要iabstractii1 绪论11.1 牵引变电所svc无功补偿的背景与意义11.1.1 电气化铁道牵引供电系统的组成及功能11.1.2 电气化铁道牵引供电系统的主要特点31.1.3 牵引变电所的负荷特点31.1.4 牵引变电所的功率因数51.2 牵引变电所svc无功补偿的研究现状61.3 本课题的研究内容与目标72 牵引变电所继电保护82.1 继电保护的作用和意义82.2 主变保护92.2.1 主变保护的基本要求92.2.2 主变保护的原理92.3 馈线保护102.3.1 馈线保护的基本要求102.3.2 馈线保护的原理112.4 电容保护112.4.1 电容保护的基本要求112.4.2 电容保护的原理113 牵引变电所svc装置一次接线方式133.1 svc的作用及其原理133.1.1 svc的作用133.1.2 svc的工作原理163.2 svc系统的一次接线方式193.3 svc系统的容量选择203.4 svc装置设计中需要注意的几点问题214 牵引变电所svc装置二次系统设计224.1 牵引变电所svc装置的二次系统设计224.1.1 交流回路设计224.1.2 控制回路设计234.1.3 遥信回路设计234.2 牵引变电所svc装置保护定值计算的一般方法234.2.1 电流保护的保护定值计算244.2.2 电压保护的保护定值计算264.3 包兰线皋兰牵引变电所svc装置的保护定值计算294.3.1 固定电容器组（fc）的保护定值计算304.3.2 晶闸管可控电抗器（tcr）的保护定值计算314.3.3 包兰线皋兰牵引变电所svc装置保护定值的输入32结论33致谢34参 考 文 献35附录a36附录b38- iv -1 绪论1.1 牵引变电所svc无功补偿的背景与意义1.1.1 电气化铁道牵引供电系统的组成及功能电气化铁道供电系统由外部电源系统和牵引供电系统组成。在国内，外部电源系统由电力系统完成，牵引供电系统由牵引变电所、牵引网组成。牵引变电所、牵引网、电力机车被称为电气化铁路的三大部件。电气化铁道供电系统的简单构成如图1.1所示1。1-区域变电站或发电厂；2-110kv三相交流高压输电线；3-牵引变电所；4-馈电线；5-接触网；6-轨道、地；7-钢轨回流线；8-电力机车。图1.1 电气化铁道牵引供电系统构成示意图(1) 外部电源系统外部电源系统是指电力系统向电气化铁道供电的部分。为了保证牵引供电系统的可靠性，外部电源系统通常由220kv及以上的变电所系统向牵引变电所供电，每个牵引变电所通常由不同的两个外部变电所或一个外部变电所的不同母线段各引一路电源。早期的牵引变电所外部电源电压一般为ac110kv，最近由于220kv网络对用户开放，部分牵引变电所的外部电源为ac220kv。在国内，由于外部电源均由供电部门提供，因此外部电源供电系统一般由供电部门根据铁路牵引变电所的分布情况设置。电力部门管辖的电力系统与铁路部门管辖的牵引供电系统是在牵引变电所高压进线的门形架处分界。(2) 牵引供电系统完成对电力机车供电，且属于铁路部门管辖的装置称为电气化铁道的牵引供电系统。牵引供电系统由牵引变电所和牵引网组成，如图1.1所示，它由牵引变电所3、馈电线4、接触网5、钢轨6、和钢轨回流线7等组成。现将牵引供电系统各部分的功能简述如下： 牵引变电所牵引变电所的作用是将110kv（或220kv）三相交流高压电变换为27.5kv（或55kv），然后以27.5kv（或55kv）的电压等级向牵引网供电。牵引变电所一般设置两台牵引变压器，一用一备。外部进线为两路110kv（或220kv），两路电源一用一备。牵引变电所的作用是电压变换和电能分配。只完成电能分配的牵引变电所叫开闭所；在at系统中，只完成55kv变27.5kv变电所功能的牵引变电所叫at所，用于并联上下行接触网供电的牵引变电所叫分区所，这些都是牵引所的简化形式。 牵引网牵引网由接触网、钢轨、回流线、架空地线、供电线等组成，其作用如下：a) 接触网接触网是一种悬挂在电气化铁道线路上方，并和铁路轨道保持一定距离的链形或单导线的输电网。电力机车的受电弓和接触网滑动接触取得电能。接触网的额定电压为25kv。b) 供电线供电线是连接牵引变电所和接触网的导线，把牵引变电所变换后的电能送到接触网。供电线一般为大截面的钢芯铝绞线，一般单独立杆或在接触网支柱外侧架设。c) 钢轨在非电牵引情形下，轨道只作为列车的导轨。在电气化铁道，轨道除仍具上述功能外，还需要完成导通回流的任务，是电路的组成部分。牵引电流由变电所引出后，通过供电线、接触网、电力机车、钢轨、回流线流回牵引所。电气化铁道的轨道需要畅通的导电性能，在信号自闭区间，需要将相邻扼流变的中性点同导电铜排连接起来，以保证牵引电流的畅通。d) 回流线在直供系统中，连接轨道和牵引变电所中主变压器接地相之间的导线称为回流线，它也是电路的组成部分，其作用是将轨道回路电流导入牵引变电所。在带回流线的直供方式中，沿接触网支柱外侧架设，并隔一段与钢轨连接的导线同样称为回流线，其目的是通过改变线路与接触网之间的电磁感应，将部分需要通过大地流回牵引所的电流拉到回流线上，以减少大地中的电流，降低钢轨对地电位。此处设置回流线的目的：一是降低电气化铁路对临近通信线路的干扰；二是降低牵引网的阻抗。回流线一般采用铝绞线，由钢轨引向回流线的线称为吸上线，一般采用无铠装电缆。回流线在支柱架设时，采用1kv绝缘子于支柱肩架绝缘架设。e) 架空地线为保证支柱金属肩架与地保持等电位或接触网绝缘发生闪络时有较大的故障电流，要求支柱肩架必须可靠接地或与钢轨可靠连接。由于每个支柱单独接地实施比较困难，通常将每个支柱的肩架用一跟导线连接起来，再集中接地，这就是架空地线。架空地线作用主要有两点：一是保证金属杆塔可靠接地，以避免接触网的感应电对人身造成伤害，这种做法主要用于trnf供电方式下；二是保证支柱肩架与地可靠连接，在接触网与肩架之间发生闪络有较大的短路电流时，以保证牵引变电所继电保护可靠动作。架空线架设于接触网支柱的外侧，一般采用镀锌钢绞线或铝包钢绞线；架空地线与接触网支柱肩架、接触网钢柱直接连接。1.1.2 电气化铁道牵引供电系统的主要特点电气化铁道牵引供电系统的主要特点如下：(1) 由于电气化铁道一般为国家交通大动脉，其中断供电会给国民及社会经济造成很大损失，因此其重要性较高。(2) 由于牵引网随铁路延伸，基本处于露天环境，运行环境恶劣，且牵引网没有备用系统。(3) 基于以上的特点，牵引供电系统在自动化和信息化管理方面要求比较高，允许中断供电的时间比较短。1.1.3 牵引变电所的负荷特点我国电气化铁道牵引供电系统采用ac25kv单相交流工频制，其负荷特点如下：(1) 由于电力机车是单相移动性随机负荷，牵引变电所负荷电流变化比较大，每条馈线回路中最大负荷电流可达1500a，最小时为0a。附录a中附表1.1和1.2是某牵引所一个供电臂24h每隔5分钟的电流记录及电流频度统计，从中可以直观看出牵引电流的上述特点。(2) 由于早期的电力机车基本都采用直流传动模式，其功率因数比较低，机车功率因数一般在0.82左右；考虑到牵引网的影响，牵引变电所低压侧的功率因数一般在0.79左右；考虑到变压器的影响，牵引所高压侧的功率因数一般在0.75左右。当电力机车采用交流传动模式时，机车功率因数可达0.98。(3) 直流传动的电力机车采用非线性整流器机车，成为一种谐波源，因此牵引变电所变压器谐波电流比较大。牵引供电系统中的牵引变压器、接触网及电力机车（牵引负荷）之间的关系，如图1.2所示。图1.2 牵引供电系统简图若牵引变压器出口处的电压为正常运行电压，则牵引供电系统的无功状况主要受负荷消耗的无功功率（即电力机车的功率因数）及接触网、牵引变电所阻抗大小的影响。电力机车的功率因数与机车上是否安装补偿装置或安装补偿装置的补偿程度有关，接触网和牵引变电所的阻抗有电流通过时，会产生无功功率和有功功率的损耗，并影响接触网供电电压的大小。各因素对供电电压影响的向量图，如图1.3所示。图1.3 向量分析图设u1为牵引主变压器低压侧出线处的电压，i1、i2为不同负荷时流过的电流，u21、u22为分析获得的电力机车受电点的电压。显然，机车消耗的无功功率对牵引网的正常运行电压有很大影响，如果考虑变压器的绕组压降，则牵引变压器低压侧出线处的电压也会受到影响。牵引变电所的负荷主要是电力机车，与电力系统的负荷相比有很大的差别2：(1) 列车以变化的速度沿线路运行，即牵引负荷的位置是移动的；(2) 牵引负荷的大小随线路坡度、列车密度等因素而发生很大的变化，当列车上大陡坡或列车密集运行时则负荷电流大，反之则负荷电流小以至为零，牵引变压器负荷率很低；(3) 列车可以在供电分区任意分布，即牵引负荷在供电分区任意布置。当然，这是从概率论的角度来说的；(4) 由于采用整流器式电力机车，接触网电流变为非正弦波。1.1.4 牵引变电所的功率因数(1) 功率因数低的原因我国电气化铁道所采用的电力机车主要是整流型电力机车。由于电力机车是单相脉冲负荷，产生的负序谐波较大，加之交流侧电流波形畸变以及整流换相过程中重叠导通角的影响，整流型电力机车的功率因数比较低，一般取0.800.85左右，当机车采用再生制动时，功率因数又大大降低。此外，由于牵引网阻抗的影响，牵引变电所牵引变压器低压侧的功率因数要降低0.010.05，为0.800.84，通常取0.82。又因为牵引变压器阻抗的影响，其高压侧的功率因数还要降低约0.05，只有0.750.79。(2) 功率因数低的不良影响电力牵引负荷的功率因数低将带来以下不良后果3： 牵引供电系统和电力系统内的设备能力不能得到充分利用。根据，倘若电气设备以低于额定或规定的功率因数运行，当视在功率不变时，输送的有功功率就要减少（与额定值比较），从而降低了发电设备的输送能力和输电设备的供电能力，使电气设备的效率降低，发电和输变电的成本提高。 输电网络中的有功功率损耗和电能损耗增加。对单相牵引供电负荷，关系式成立，对电力系统，关系式成立。在分析上述两个关系式时，我们一般认为供电网络中的电压参量是一个相对恒定的值。若设备的功率因数降低，在保证输送同样的有功功率时，势必就要在输电线路中流过更大的电流（网络中的电能损失与电流的平方成正比），从而使得输电线路上有功功率的损耗和电能损耗增加。 输电网络中的电压损失，往往造成用户端的供电电压不足。(3) 功率因数的标准全国供用电规则关于功率因数的规定如下：“无功电力应就地平衡。用户应在提高用电自然功率因数的基础上，设计和安装无功补偿设备，并做到随其负荷和电压变动及时投入或切除，防止无功电力倒送。用户在当地供电局规定的电网高峰负荷时的功率因数，应达到下列规定：高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户，功率因数为0.9以上；其他100kva（kv）及以上电力用户和大、中型电力排灌站，功率因数为0.85以上；趸售和农业用电，功率因数为0.80。凡功率因数不能达到上述规定的新用户，供电局可拒绝接电。未达到上述规定的现有用户，应在23年内增添无功补偿设备，达到上述规定。对长期不增添无功补偿设备又不申明理由的用户，供电局可停止或限制供电。”功率因数调整电费按国家批准的功率因数调整电费方法的规定执行。按电业部门要求，电气化铁道牵引负荷在牵引变电所牵引变压器高压侧的月平均功率因数应达到0.90以上。高者获奖，低者罚款，即以功率因数等于0.90为标准值进行考核，根据计算的月平均功率因数，高于或低于规定标准，在按照规定的电价计算出其当月电费后，再按照“功率因数调整电费表”所规定的百分数或减少电费。由此可见，提高功率因数，不但对电力系统的经济运行有很大意义，而且对降低电气化铁道运营成本也有实际的经济意义4。1.2 牵引变电所svc无功补偿的研究现状作为节能降耗的生力军，无功补偿装置在我国有着巨大的潜在市场，无功补偿装置在节能降耗领域，趋势一直向好。其原因首先是企业降低成本的需求，另一个是外部环境的压力。近年来，国内无功补偿市场发展极其迅猛，产品的质量和数量都有了大幅度的提升，相当一部分优势企业已经开始问鼎国际市场并取得了不俗的业绩。随着电力工业的快速发展以及节能降损管理的加强，引发了许多领域对无功补偿的需求。对电气化铁路而言，电力机车的平均功率因数为0.84，牵引变电所110kv电源侧功率因数由于受到牵引供电网阻抗和牵引变压器阻抗的影响，仅为0.750.78。全国供用电规则第4.3条规定：无功电力应就地平衡，高压供电用的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户，功率因数应在0.9以上。当用户（以电气化铁路为例）功率因数比规定标准低0.05时，须追加2.5%的电费罚款。目前我国电气化铁道牵引变电所绝大部分采用固定并联电容补偿装置，虽然固定并联电容补偿装置结构简单，维护方便，能够部分解决电气化铁路功率因数低的现状，但是，此装置大多采用手工投切，存在投切不及时、无功补偿效果不好等问题，且投切时易出现很高的过电压，导致严重的供电故障。1.3 本课题的研究内容与目标要从根本上解决电气化铁道供电系统功率因数低的现状，就必须采用svc静态无功补偿装置。其采用大功率晶闸管调相技术，通过对补偿系统中的相控支路电流的调节，达到动态调节svc装置输出无功的目的，使之适应动态补偿牵引变电所变化负荷的需要。本论文主要研究内容如下：(1) 根据电气化铁道牵引供电系统及其负荷特点，分析牵引供电系统功率因数低的原因，并提出应用静止型动态无功补偿装置（svc）对牵引负荷进行动态无功补偿。(2) 分析牵引供电系统中晶闸管投切电容器tsc和固定电容器+晶闸管可控电抗器fc+tcr两种svc补偿装置的基本原理及工作方式。(3) 列举牵引变电所fc+tcr型svc系统的一次接线方式，并根据生产实际，提出牵引变电所施工设计中需要注意的问题。(4) 对包兰线皋兰牵引变电所svc系统进行二次设计，并完成其保护定值的计算。(5) 应用autocad绘制皋兰牵引变电所svc装置平面布置、一次接线、保护配置、交流回路、控制回路及遥信回路的施工设计图。2 牵引变电所继电保护2.1 继电保护的作用和意义随着自动化技术的发展，电力系统的正常运行、故障期间以及故障后的恢复过程中，许多控制操作日趋高度自动化5。这些控制操作的技术与装备大致可分为两大类：其一是为保证电力系统正常运行的经济性和电能质量的自动化技术与装备，主要进行电能生产过程的连续自动调节，动作速度相对迟缓，调节稳定性高，把整个电力系统或其中的一部分作为调节对象，这就是通常理解的“电力系统自动化（控制）”；其二是当电网或电力设备发生故障，或出现影响安全运行的异常情况时，自动切除故障设备和消除异常情况的技术与设备，其特点是动作速度快，其性质是非调节性的，这就是通常理解的“电力系统继电保护与安全自动装置”。为了在故障后迅速恢复电力系统的正常运行，或尽快消除运行中的异常情况，以防止大面积的停电和保证对重要用户的连续供电，常采用以下的自动化措施，如输电线路自动重合闸、备用电源自动投入、低电压切负荷、按频率自动减负荷、电气制动、振荡解列以及为维持系统的暂态稳定而配备的稳定性紧急控制系统，完成这些任务的自动装置统称为电网安全自动装置。电力系统中的发电机、变压器、输电线路、母线以及用电设备，一旦发生故障，迅速而有选择性地切除故障设备，既能保护电力设备免遭损坏，又能提高电力系统运行的稳定性，是保证电力系统及其设备安全运行最有效的方法之一。切除故障的时间通常要求小到几十毫秒到几百毫秒，实践证明，只有装设在每个电力元件上的继电保护装置，才有可能完成这个任务。继电保护装置，就是指能反应电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。电力系统继电保护，泛指继电保护技术和由各种继电保护装置组成的继电保护系统，包括继电保护的原理设计、配置、整定、调试等技术，也包括由获取电量信息的电压、电流互感器二次回路，经过继电保护装置到断路器跳闸线圈的一整套具体设备，如果需要利用通信手段传送信息，还包括通信设备。电力系统继电保护的基本任务是：(1) 自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到损坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行；(2) 反应电力设备的不正常运行状态，并根据运行维护条件，而动作于发出信号或跳闸。此时一般不要求迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免暂短的运行波动造成不必要的动作和干扰引起的误动。2.2 主变保护2.2.1 主变保护的基本要求主变保护是牵引变电所继电保护的重要组成部分，其主要包括差动保护、后备保护（过电流保护、过负荷保护等）和非电量保护（瓦斯保护等）6。(1) 主变保护中纵差保护的基本要求首先，应躲过当变压器空投及外部故障后电压恢复时的变压器励磁涌流的影响；其次，应躲过变压器外部故障时在变压器保护中所引起的最大不平衡电流；最后，应躲过变压器差动保护二次回路断线时，在差动回路中引起的差电流的影响。(2) 主变保护中后备保护的基本要求 过电流保护要求包括：过电流保护装置的动作电流iact应能躲开变压器正常运行时的最大负荷电流ilmax；过电流保护的灵敏系数ksen用保护区末端最小两相短路电流校验，应不小于1.25；过流保护的时限特性应按阶梯型原则整定。 过负荷保护的基本要求包括：动作电流和动作延时应按变压器的过负荷能力整定；由于牵引负荷的特点是过负荷电流持续时间很短、过负荷电流比较大。牵引变压器的过负荷保护应按照制造厂满足的过负荷能力整定，以保证牵引变压器过负荷能力的充分发挥。(3) 主变保护中非电量保护的基本要求瓦斯保护：正常时，继电器不动作；当变压器内部发生轻微故障时，发出轻瓦斯信号；当变压器内部发生严重故障时，其各侧断路器跳闸。温度保护：一般设两段式保护，段用于报警，段用于跳闸。主变非电量保护中的瓦斯保护作为主变本体机械损坏的保护，温度保护作为过负荷保护的后备保护。2.2.2 主变保护的原理(1) 主变保护中纵差保护的原理：变压器纵差保护是利用变压器磁势平衡原理来完成对变压器内部故障进行保护。在正常情况或变压器外部短路时，变压器一、二次电流之间保持一个相对近似线性的关系，在通过适当的线性变换后，一、二次电流差值维持在一个很小的水平；当变压器内部故障时，其差值比较大，由此构成变压器内部故障保护。纵差保护是主变压器的主保护，它完成主变压器内部故障的保护。(2) 主变保护中后备保护的原理 过电流保护的原理：变压器电流保护原理是当变压器负荷侧或内部发生故障时，明显的特征就是电流增大，根据这一特点构成的保护叫电流保护，根据允许故障电流持续时间长短可分为电流速断、过电流及短延时电流速断等保护。电流保护构成简单，是常见的一种继电保护方式。过电流保护是阶段式保护的后备段，除对本线故障有足够灵敏度外，对相邻线路也有一定远后备灵敏度，保护动作电流大于本线路最大负荷电流，并在电流定值及动作时间上与相邻线路后备段相配合。 过负荷保护的原理：电力设备长时间过负荷时，会引起设备发热、绝缘破坏，严重影响设备的使用寿命，在短时内的过负荷并不对设备构成多大的影响。根据上述特点，过负荷保护的原理和实现手段与电流保护相似，只是动作值要小，延时要长。根据电流与时限的配合方式，过负荷有两种保护方式：一是定时限保护方式；二是反时限保护方式。定时限方式是当电流超过定值延时时间到后，立即启动保护；反时限保护根据过负荷电流的大小确定保护时限，过负荷电流大，时限短，过负荷电流小，时限长。(3) 主变保护中非电量保护的原理：瓦斯保护由瓦斯继电器完成，当变压器温过高或油内杂质超限时，油枕内气体压力增大，驱动瓦斯继电器的辅助接点接通，发出报警或动作信号。温度保护由油箱内的温度计及相应的继电器完成，在变压器油温过高时，温度继电器辅助接点接通，发出报警或动作信号。2.3 馈线保护2.3.1 馈线保护的基本要求牵引变电所馈线保护主要包括距离保护和电流保护。(1) 馈线保护中对距离保护的基本要求：距离保护装置具有阶梯式特性时，其相邻上、下保护段之间应该逐级配合，即两配合段之间应在动作时间及保护范围上互相配合。在某种特殊情况下，为了提高保护某段的灵敏度，或为了加速某段保护切除故障，采用所谓“非选择性动作，再由重合闸加以纠正”的措施；采用重合闸后加速方式，达到保护配合的目的。(2) 馈线保护中对电流保护的基本要求：过电流保护对馈线保护来说，是远后备。过电流保护装置的动作电流iact应能躲开变压器正常运行时的最大负荷电流ilmax，过电流保护的灵敏系数ksen用保护区末端最小两相短路电流校验，应不小于1.25，过流保护的时限特性应按阶梯型原则整定。2.3.2 馈线保护的原理(1) 距离保护的原理：牵引网短路时，在牵引变电所馈线点的测量阻抗总是小于正常情况下测得的阻抗，根据这一特点时刻测量馈线点的阻抗()，当其小于设定值时发出保护动作信息。(2) 电流保护的原理：在牵引网短路时，馈线电流明显大于最大负荷电流这一特点构成的保护叫电流保护。过电流保护是阶段式保护的后备段，除对本线故障有足够灵敏度外，对相邻线也有一定远后备灵敏度，保护动作电流大于本线路最大负荷电流，并在电流定值及动作时间上与相邻线后备段相配合。(3) 电流增量保护的原理：由于电力机车含有大量电感元件，无论是启动还是运行过程中，电流都不能突变，只有在牵引网发生短路时，电流才能发生突然增大，根据这一特点构成的保护叫电流增量保护。2.4 电容保护2.4.1 电容保护的基本要求牵引变电所电容保护主要包括电流保护、电压保护和横差保护。(1) 电容保护中对电流保护的基本要求：过电流保护装置的动作电流iact应能躲开变压器正常运行时的最大负荷电流ilmax；过电流保护的灵敏系数ksen用保护区末端最小两相短路电流校验，应不小于1.25；过流保护的时限特性应按阶梯型原则整定。(2) 电容保护中对电压保护的基本要求：电压保护装置是反应母线电压突然降低，并接于全电压的相间短路保护装置。整套电压保护装置一般由瞬时段、定时段组成，构成三段式保护阶梯特性。保护装置第段，要求无时限动作，保护区不小于线路全长的20；对于第段除作本线后备外，还应作相邻元件（线路或变压器）的远后备。(3) 电容保护中对横差保护的基本要求：相间横联差动保护只适用于双回线路两端接于一个断路器的接线，保护需要给出差电流整定值；横差保护电流相继动作区是表示保护切除故障速度的一个指标，一般要求不应大于50%；双回线路两侧的横差保护差电流元件整定值应分别进行计算，当两侧横差保护使用的电流互感器型式相同时，两侧应选取相同的整定值。2.4.2 电容保护的原理(1) 电容保护中电流保护的原理：过电流保护是阶段式保护的后备段，除对本线故障有足够灵敏度外，对相邻线路也有一定远后备灵敏度，保护动作电流大于本线路最大负荷电流，并在电流定值及动作时间上与相邻线路后备段相配合。(2) 电容保护中电压保护的原理：电压保护所用的主要元件为电压继电器。当线路发生短路时，母线电压降低。当母线电压低于低电压保护装置的动作电压时，低电压继电器动作，其常开触点闭合。(3) 电容保护中横差保护的原理：横差保护是将电容器组分成电压近似相等的两部分，通过压互取值、比较，将比较值送入电压继电器中。正常运行时，该值应该近似为零，当电容器中一组内部的电容发生故障时，比较值将会从零增大到某一数值，使得电压继电器动作。3 牵引变电所svc装置一次接线方式3.1 svc的作用及其原理3.1.1 svc的作用静止型动态无功补偿装置（static var compensator，简称svc）是一种快速调节无功功率的装置，用于用电负荷变化频繁的场合，自动调节系统的无功。svc在电力系统中的作用有7：(1) 保持系统稳定的同时提高输电能力，增加电网的输电容量，抑制电压波动和电压闪变；(2) 改善负荷的相间平衡，在重复出现大负荷或事故情况下提高电力系统的稳定性；(3) 对负荷变化时提供可快速变化调节的无功功率补偿，提高功率因数；(4) 和滤波器并联使用，滤除高次谐波和抑制谐波引起的电网电压畸变；(5) 在长距离输电系统中，svc可以起系统阻尼器的作用，消除系统的功率振荡。电气化铁道牵引供电系统中的牵引机车由于采用了大功率电力电子装置，属于冲击性负荷，具有启动过程快，从零功率到额定功率的变化时间极短，且频繁吸收大量动态无功功率等特点，从而引起牵引变电所母线电压快速波动，负荷波动大，容易产生大量的高次谐波。为输送无功功率，要求两端电压有一幅值差，则只能在很窄的范围内实现，使供电系统产生谐波污染和功率因数低等问题，严重影响了供电质量，利率罚款大，因此就必须采取svc无功补偿8：(1) 提高供电系统的功率因数svc无功补偿装置工作原理图如图3.1 (a)、(b)、(c)所示，u1为电源电压，r1及x1为电力系统及牵引变压器每相的电阻和电抗，u2为牵引变电所母线电压，xc为svc电容器组的容抗，xl为电抗器的感抗，ij为牵引负荷，ic为电容器回路容性电流。安装无功补偿装置后，牵引变电所的功率因数则由提高到。(a) 原理线路图(b) 等值电路图(c) 向量图图3.1 svc无功补偿工作原理图(2) svc无功补偿装置对压损的改善电气化铁道接触网末端电压过低严重影响运输能力和变配电设备的安全运行，其原因除电网自身的问题之外，主要是由于无功不足所致。电网在进行功率传输时，电流将在线路等阻抗上产生电压损耗u，假如始端电压为u1，末端电压为u2，则电压损耗u为：(3.1)其中，p为线路传输的有功功率（kw）；q为线路传输的无功功率（kvar）；un为线路额定电压（kv）；r、x为线路电阻、电抗（）。保持有功功率恒定，而r和x为定值，无功功率q越小，电压损失越小，电压质量就会越高，当线路安装容量为qc的svc补偿装置后，线路电压损耗u为：(3.2)可以看出：采用无功补偿以后，无功功率q变小，限制了无功功率在电网中的传输，相应的减少了线路的电压损耗，提高了接触网的电压质量。(3) svc无功补偿装置对线损的改善无功功率不仅影响供电系统的电压质量，更导致了供电系统供电线损的增加，在供电网中线路和变压器功率损耗p为：(3.3)其中，p为线路传输的有功功率（kw）；为功率因数；re为每相导线的等效电阻（）；un为运行电压（kv）。由式3.3可以看出：当线路有功功率p和导线电阻re不变时，线路的功率损耗与功率因数的平方成反比，越大，p则越小，即电网线损越小。(4) svc无功补偿装置对谐波的改善在牵引变电所牵引侧装设svc补偿装置，其接线方式如图3.2所示1。图3.2 并联电容补偿装置滤波原理由图3.1可得：(3.4)当满足时，就形成了对n次谐波的滤波。装置中的参数选择考虑以滤掉3次谐波电流为主。设xc为svc补偿装置中电容器组的工频（基波）容抗，xl为补偿装置中与电容器组串联的电抗器的工频（基波）感抗。xc与xl之比应符合：(3.5)其中，n为谐波次数；k为可靠系数，一般取1.081.2。由于此补偿装置发生谐振的条件为，在式3.5中引入一个大于1的可靠系数k，一方面可以防止svc补偿装置回路阻抗呈现容性而与电力系统发生n次及以上各次谐波的并联谐振；另一方面可以防止补偿装置本身回路的电容与电感发生串联谐振。当n=3时，则有：(3.6)此时，c-l回路（此svc补偿装置）具有主要滤掉3次谐波电流的功能。称为svc补偿装置的补偿度。为了提高svc补偿装置滤掉3次谐波电流的能力，减轻对电力系统的谐波影响，将可靠系数取小些为好。如k=1.08，则=0.12，此时滤波效果（对3次谐波）会更好。3.1.2 svc的工作原理svc由固定电容支路（fc）和晶闸管控制电抗器支路（tcr）组成，如图3.3所示，其中tcr支路由控制器、晶闸管功率阀组、补偿电抗器组成。它通过控制晶闸管的导通角来无极调节与负荷并联的电抗器的电流，使tcr回路产生可变感性负载，进而控制其感性无功的变化。它与固定电容器补偿相结合，可以实时补偿负荷变化的感性无功。fc回路由电容器和滤波电抗器组成，它与晶闸管调节电抗器相结合，向系统提供恒定容性无功功率，兼有滤除谐波的作用9。图3.3 fc-tcr补偿装置结构图tcr的单相基本结构是两个反向并联的晶闸管与一个电抗器相串联。这样的电路并联到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路的结构。其中电抗器为储能元件，吸收感性无功。通过调整触发延迟角改变系统的等效电纳，从而调节补偿器的等效电抗，达到调节感性无功的作用。对基波而言，晶闸管相控电抗器可看作可控电纳，其值为：(3.7)瞬时电流为：(3.8)其有效值为：(3.9)其中，xr为电抗器的基波阻抗；为控制角；u为电压有效值。tcr触发控制角的有效移相范围为90180，由于电抗器几乎是纯感性负荷，因此电流滞后于电压近似90，也就是说基波电流都是无功电流。触发控制角为90时，晶闸管完全导通，导通角等于180，与晶闸管串联的电抗相当于直接接到电网上，这时其吸收的无功功率最大。当控制角在90180之间时，晶闸管为部分区间导通，导通角小于180。增大控制角的效果就是减少电流中的基波分量，就相当于增大补偿器的等效感抗，或者说减小其等效电纳，因而减少了其吸收的无功功率。所以通过控制触发控制角的大小来调整tcr吸收的无功功率。无源滤波器（fc），能够有效地抑制高次谐波，也是现阶段使用最广泛的。它主要由电容器、电抗器和电阻（不需要时可省去）等无源元件组成。其基本原理是利用电路谐振的特点，对某次谐波或以上谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高次谐波和无功补偿的作用。(a) 单调谐 (b) 双调谐 (c) 一阶阻尼 (d) 二阶阻尼 (e) 三阶阻尼 (f) c型图3.4 并联滤波器类型无源滤波器按接入系统的方式，可分为串联和并联两种。串联滤波器在基波下要消耗感性无功功率，即向外释放容性无功功率，这将使系统压损进一步增大，使功率因数进一步降低。相反，并联滤波器在基波下有并联电容补偿的作用，向系统提供感性无功功率。同时，串联滤波器要经受主电路的全部基波和非调谐的其他次谐波电流及两端都要求高电压绝缘水平，提高了工程造价。所以，并联方式应用非常普遍。对于并联滤波器也可分为两种，一种是调谐滤波器；一种是阻尼滤波器。调谐滤波器串联等效电阻很小，几乎在其一、二次较低次谐波上，如3次、5次、7次，而阻尼滤波器等效电阻较大，它往往在某一宽频带上呈现低阻抗，如在7次、9次谐波以上。进一步可把调谐滤波器分为单调谐和双调谐滤波器，把阻尼滤波器分为一阶、二阶、三阶等阻尼滤波器，如图3.4 (a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示10。无源滤波器（fc）在设计时，应注意一下几点问题11：(1) 滤波器发出的无功功率应满足补偿功率因数，抑制电压波动及闪变的要求；(2) 选取的滤波电容器的额定电压应保证滤波器安全可靠运行；(3) 滤波器的分组应满足滤除谐波电流的要求；(4) 滤波器设计时应进行充分的计算机仿真及数据库优选，经多个方案比较，选择最佳方案；(5) 对选定的滤波器应进行各种运行方式下的计算机仿真，避免与系统发生谐振；(6) 对滤波器的安全运行应进行仔细校验。图3.5 fc-tcr型无功输出与需求之间的关系曲线fc-tcr型总的无功输出（以吸收感性无功功率为正）为tcr支路和fc支路的无功输出之和，即q=ql-qc。图3.5所示为无功输出与需求之间的关系曲线，纵坐标为无功输出，横坐标为无功需求，最下面的平行线表示fc输出的容性无功（假设输入电压有效值不变），最上面的斜线表示tcr的无功输出，中间的斜线是fc-tcr的合成输出。当需要最大的容性无功输出时，将tcr支路“断开”，即触发延迟角，逐渐减少触发延迟角，则tcr输出的感性无功增加，从而实现从容性到感性无功功率的平滑调节。在零无功输出点上，fc输出地容性无功和tcr的感性无功正好抵消，进一步减少，则tcr输出的感性无功超过fc输出的容性无功，整个装置输出净感性无功，当时，tcr支路“全导通”，装置输出的感性无功最大12。3.2 svc系统的一次接线方式电气化铁道供电系统中牵引变电所常用的svc无功补偿装置为固定电容器+晶闸管可控电抗器（fc+tcr）。其一次接线方式有两种：(a) fc与tcr分开布置(b) fc与tcr集中布置图3.6 fc+tcr型无功补偿装置一次接线方式(1) fc与tcr分开布置fc与tcr分开布置接线方式是将固定电容器（fc）与晶闸管可控电抗器（tcr）通过两台不同的断路器分别与供电母线相连，如图3.6 (a)所示。其优点是： 两个回路可分别由断路器切断负荷电流和故障电流； 检修时，一条支路停止运行进行检修，另一条支路还可以继续运行，保证了灵活性； 缩小了事故范围，保证运行的可靠性。缺点是：不便于集中管理和保护，增加了设备和运行成本。(2) fc与tcr集中布置fc与tcr集中布置接线方式是将固定电容器（fc）与晶闸管可控电抗器（tcr）通过同一台断路器与供电母线相连，如图3.6 (b)所示。其优点是： 便于补偿装置的投入和切除； 便于补偿器的管理和保护，降低设备和运行成本。缺点是：其中一路发生故障时，两路设备都必须停电退出运行，造成事故范围扩大。3.3 svc系统的容量选择(1) fc支路的容量选择由于svc装置发出的无功容量取决于fc支路和tcr支路输出的差，而tcr支路的无功输出是可调的，因此fc支路的容量须满足在tcr支路输出小、负荷电流最大时，能使主变压器低压侧的功率因数达到0.95左右。负荷最大电流按照80%列车概率情况下的最大负荷电流来考虑，该电流对于既有变电所应采用实际测量数值，对应新建变电所应根据行车资料进行计算。其计算公式为：(3.10)其中，un为牵引变电所母线额定电压(kv)；i0.8为低压侧最大负荷电流(a)；、分别为补偿前、补偿后的功率角正切值，取0.75和0.39。根据式3.10可计算一段母线上的容量。(2) tcr支路的容量选择tcr支路容量在考虑在没有牵引负荷时，能够补偿牵引变电所及牵引所供电线路的容性负荷。其计算公式为：(3.11)其中，qxl为牵引变电所外部电源线路的容性无功，可按35kvar/km估算；qfe为牵引变压器的无功铁耗，可按照0.008sn估算。根据式3.10和3.11可以确定svc的安装容量。3.4 svc装置设计中需要注意的几点问题svc装置施工设计的过程中应本着可靠性、实用性以及安全性的原则进行设计，通常需要注意的问题有以下几点：(1) 在svc装置施工设计时，尽可能的选用架空线，而不是选用敷设电缆；不选用敷设电缆，主要是因为svc装置中阀组的频繁投切，使得线路中电压、电流的波动比较大，导致输电可靠性不高的高压电缆更容易出现烧坏或者中间接头爆炸等事故。那么，供电系统运行的可靠性将会大大降低。(2) 施工过程中必须敷设电缆时，电缆的耐压等级要相对选的高些；(3) 设计中电缆选型时，不能选择铠装电缆作为输电线路；图3.7 铠装电缆电磁感应简化示意图铠装电缆的外部是金属保护层，这使得它的结构相当于在导线上绕了n圈闭合的线圈，如图3.7所示。一般电压基本恒定的输电线路中采用铠装电缆，由于电压电流不会经常发生变化，即磁通量不发生变化，就不会在金属保护层中感应出感应电流；而在svc装置的输电线路中采用铠装电缆，由于阀组的频繁投切，导致线路中电压、电流经常发生突变，即磁通量发生突变，就会在金属保护层中感应出很大的涡流，进而导致铠装