铁路牵引变电所提高牵引变电所电能质量的措施

铁路牵引变电所提高牵引变电所电能质量的措施

1提高用电网络的几何模型及由标准引发的技术措施牵引装置的电源为电池，电力机车为单脉冲负荷，负序波很大，导致引导供电网络的源减少，给电气系统带来负面影响。随着《电力法》的实施,我国电力部门对电气化铁道供电系统功率因数的要求已由过去的0.85提高到0.9,并执行“返送正计”,即过补偿视为欠补偿,因此如何提高功率因数在经济、技术方面都具有重要意义。为了提高牵引供电网络的功率因数,目前采用的技术措施主要是无功补偿。对牵引变电所进行无功补偿的方法有很多种,如英国采用晶闸管投切电容器组(TSC)方式,澳大利亚采用静止无功补偿器(SVC)方式等。我国普遍采用的是在牵引变电所27.5kV侧安装固定并联电容补偿装置。2牵引变压器中的电流、转速和应力并联电容补偿装置的原理接线如图1所示,等值电路图如图2所示。图2中,U1为电源电压,γ1+jX1为电源内阻抗、线路阻抗及牵引变压器折算到低压侧每相的阻抗,U2为牵引变电所牵引侧母线电压,XC为并联补偿电容器组的容抗,XL为与电容器组串联的电抗器的感抗,Z为牵引负荷阻抗,IC为并联电容无功补偿电流,Iq为牵引负荷电流。在牵引侧安装并联电容补偿装置之前,牵引变压器中流过的电流为:Ιq=˙U1Ζ+γ1+jX1(1)Iq=U˙1Z+γ1+jX1(1)安装补偿装置后,牵引变压器中流过的电流为:Ι=˙U1Ζ(XC+XL)Ζ+XC+XL+γ1+jX1(2)I=U˙1Z(XC+XL)Z+XC+XL+γ1+jX1(2)由式(1)、(2)可看出,在并入补偿装置后,牵引变压器中流过的电流由Iq减小为I,而电路的有功功率不变,无功功率减少,即Ρ=˙U1ΙqcosΦ1=˙U1ΙcosΦ2(3)Q1=˙U1ΙqsinΦ1Q2=˙U1ΙsinΦ2＜Q1P=U˙1IqcosΦ1=U˙1IcosΦ2(3)Q1=U˙1IqsinΦ1Q2=U˙1IsinΦ2＜Q1由式(3)可看出,在安装补偿装置后,牵引侧的功率因数可以从cosΦ1提高到cosΦ2。由图3可见:Ιc=ΙqsinΦ1-ΙsinΦ2=ΡU(tanΦ1-tanΦ2)Ιc=UXc=2πfCUIc=IqsinΦ1−IsinΦ2=PU(tanΦ1−tanΦ2)Ic=UXc=2πfCU所以,将功率因数从cosΦ1提高到cosΦ2,需要补偿的电容量为:C=Ρ2πfU2(tanΦ1-tanΦ2)(4)C=P2πfU2(tanΦ1−tanΦ2)(4)在牵引供电系统中,计算和确定并联电容器的容量时,要以牵引负荷的最大平均值为重要依据。另外,还必须考虑到母线电压变化对电容器发出的无功功率的影响,合理选择并联电容装置。3动态滤波器svc的电抗器nf近几年,结合国外的先进技术,我国电气化铁道变电所无功补偿与谐波综合治理提出了多种方案。这些方案通过在基波下补偿牵引负荷的感性无功功率,以提高功率因数,滤除(或抵消)指定谐波。常用的有真空断路器投切电容器、无源补偿器+有源补偿器、静止无功功率发生器(SVG)、固定电容器(FC)+可控饱和电抗器、固定电容器(FC)+电容器(TC)+电抗器(TL)调压、静止型动态无功补偿装置SVC等方案。SVC的基本类型有晶闸管可控电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)两种。其中,技术经济较合适的有可控饱和电抗器方案、晶闸管电容器方案(TSC)、固定电容器(FC)+晶闸管可控电抗器(TCR)方案、静止无功功率发生器方案(SVG)。下面对这几种方案分别进行介绍。3.1电源负半周时触发导通可控饱和电抗器是在前苏联技术的基础上加以改进而成,如图4所示。电抗器两柱分别绕有线圈,具有双级小截面段,即磁阀。可控硅K1、K2及二极管D连接于绕组的抽头。当K1、K2不导通时,根据绕组的对称性可知,此时电抗器类似于空载变压器。当电源处于正半周时,K1承受正向电压,K2承受反向电压。当K1被触发导通时,电源经绕组自耦合变压后向电路提供滞留控制电压和电流,同理,若K2在电源负半周时触发导通,也会产生直流控制电压和电流,而且,控制电流的方向与K1导通时一致。在一个工频周期内,2个可控硅被轮流触发而导通,在绕组中形成直流电流。该直流电流使小截面磁阀分级饱和,磁阻增大。可控饱和电抗器方案基于偏磁可调原理,通过改变可控硅的触发角来改变直流励磁的大小,进而改变铁心的饱和度,达到平滑调节无功的目的。3.2tsc的特性晶闸管投切电容器的单相电路图如图5所示,其中2个反并联晶闸管起着将电容器接入电网或从电网断开的作用,而串联的电感主要用来抑制高次谐波。因此,当电容器投入时,TSC的电压-电流特性就是该电容的伏安特性。TSC方案是将电容器分为几组,每组由晶闸管阀组控制以实现快速无触点的投切。再根据负荷的实际运行无功量,按照一定的投切策略跟踪负荷变化进行投切动作。TSC的技术较为成熟,可以国产化,寿命与开关次数无关,使用寿命长,可实现无暂态或少暂态投切。缺点是技术上比真空开关方式复杂,一次投资高,且只能实现容性无功功率的阶跃调节。3.3动态无功补偿方案一般来说,动态无功补偿采用的是无源谐波吸收和无功补偿相结合的配置方案,具有滤波和补偿双重功能。固定电容器(FC)+晶闸管调节电抗器(TCR)方案是一种常见的动态无功补偿方案。如图6所示,该方案由TCR、FC两部分组成。其中TCR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级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。3.4动态无功补偿SVG利用交流电抗器把全控型开关器件组成的逆变器并接至交流电网(如牵引变电所等),通过对逆变器交流侧输出电压相位和幅值的适当调整,或者直接控制其交流侧电流,使该电路吸收或发出满足要求的无功电流,以达到动态无功补偿的目的。如图7所示,理想条件下:①系统电压三相平衡,正弦无谐波;②三相桥式逆变器与系统间连接的电抗器为纯感性;③电容器C可看作已充电的电压源Vd;④SVG无功率损耗,其交流侧输出电压的相位可以超前或滞后于系统电压,因此能够与系统进行有功、无功的交换。当系统相电压有效值保持恒定时,只要控制逆变器输出相电压有效值的大小,即可快速、平滑地调节SVG发出(或吸收)的无功功率。与静止型动态无功补偿装置(SVC)相比,SVG的调节速度更快、运行范围更宽、性能更优,所用电抗器和电容器的容量也大为降低(见表1)。3.5保护进行晶闸管开关该方案是一种通过晶闸管开关装置直接调节电容两端电压来调节电容无功的方法。其接线原理如图8所示,图中TB为辅助变压器,一次绕组直接接于装置的工作母线,而此绕组通过晶闸管开关装置VT和电容器组C串联后再接于同一工作母线。装置可通过断路器QF进行投切操作和故障切除,但QF不作为调级使用。VT装置的晶闸管开关由两个反向并联的晶闸管构成,其作用是改变TB二次绕组的等效匝数以改变TB的变比K。改变K的同时,也改变了TB二次绕组附加电势˙E的大小,从而改变电容电压˙Uc和无功。由图8可见,电容电压˙UC=˙U-△˙E=˙U(1-Κ),电容器组发出的无功为QC=U2CXC=U2XC(1-Κ)2(5)式中K=n2/n1,n1、n2分别为TB一、二次绕组的等效匝数;U为电网的工作母线电压;XC为电容器组容抗。由式(5)可见,n1不变时,改变n2可改变K,从而可以调节电容器组发出的无功QC。该方法可显著降低晶闸管的工作电压和工作容量,控制简单。但它只能分级调节容性无功功率。3.6不同动态无功补偿装置的svd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模式,大都采用手工投切,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。要从根本上解决问题,最好的方法是采用性能优良的动态无功补偿装置。静止型动态无功补偿装置SVC能够快速、平滑地调节无功功率,以实现动态补偿和快速电压调整,是一种较为实用的、基本符合电气化铁道牵引供电系统特点和要求的无功补偿装置,但是SVC不可能做到瞬时无功控制。基于瞬时无功功率的概念和补偿原理,静止无功功率发生器SVG目前尚未大规模应用,一方面是由于该类无功补偿装置的工程造价比SVC高;另一方面,此类无功补偿装置还有许多技术问题有待解决。不少专家认为,由于电力电子器件的价格会不断下降,因此随着造价的降低和技术的完善,在不远的将来SVG将成为无功补偿技术的发展方向。另外,串联可调变比变压器的无功补偿装置虽然现在未没有大规模应用,但它可以做到三相独立换级,不产生高次谐波,因此以其独特的无功补偿原理和优良的补偿性能,相信未来也会成为无功补偿技术领域的重要研究课题之一。4动态无功补偿装置cf(1)我国牵引变电所普遍采用的固定并联电容补偿方式仅能补偿固定的无功功率,容易造成轻载无功的过补偿或重载无功的欠补偿,导致系统功率因数降低。因此,为提高无功补偿的效果,有必要采用动态无功补偿方案。(2)可控电抗器方案一般在线路无车时投入,线路空载时间越长损耗越大,同时还会产生谐波。TSC方案解决了电容器组频繁投切的问题,但只能提供分级的容性无功功率,且其分组越多,滤波效果越差。TCR+FC型SVC方案能适应无功功率冲击大、变化速率快负荷,是治理系统电压波动、闪变干扰和滤除指定谐波的有效措施。但是当补偿器吸收很小的容性或感性无功时,电抗器和电感器上有很大的谐波电流流过。(3)SVG的平衡调节特性可使牵引负荷的不平衡效应得到改善,提高牵引变压器的容量利用率。若以并联电容器固定补偿为基础,用SVG来调节无功补偿容量的峰谷差,这样不仅能实现无功功率的平滑、连续地调节,而且可减小SVG的容量,使设备投资减小。鉴于SVG所具有的良好的补偿特性