孫禹文

過零投切型動態(tài)無功補償裝置的應用

孫禹文

通過對電氣化鐵道牽引變電所中動態(tài)無功補償裝置的分析和比選，分析計算動態(tài)無功補償裝置的主要技術(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動態(tài)無功補償裝置，取得了良好的運行效果。

動態(tài)無功補償；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施，牽引變電所動態(tài)無功補償裝置的選用及主要技術(shù)參數(shù)的確定成為該項工程的技術(shù)關(guān)鍵，太原鐵路局供電處及設(shè)計院的相關(guān)人員進行了認真分析研究，確定采用過零投切型MCR動態(tài)無功補償裝置作為牽引變電所的無功補償裝置，并通過分析計算確定了該裝置的主要技術(shù)參數(shù)。該裝置投運后，運行狀態(tài)穩(wěn)定，效果良好。

1 牽引變電所動態(tài)無功補償裝置選用分析

1.1 牽引變電所常用的動態(tài)無功補償裝置

1.1.1 TCR型SVC

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

運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償濾波支路構(gòu)成。自耦有載調(diào)壓器在計算機測控系統(tǒng)控制下，改變FC支路兩端電壓來動態(tài)補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，即：可做到投入無涌流沖擊，切除不產(chǎn)生過電壓；有功損耗??；運行不產(chǎn)生諧波電流；運行可靠性高。

但該裝置在運行中存在的主要問題是有載調(diào)壓裝置的響應速度和動作次數(shù)滿足不了電力牽引負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。

FC實現(xiàn)基波相移感性無功功率固定補償、高次諧波電流濾波功能。在有機車時，SVG與FC共同承擔基波相移感性無功功率補償。在無機車時，SVG補償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償和高次諧波電流濾波應用領(lǐng)域是一項有前景的方案，但目前SVG性能受開關(guān)元器件性能限制，運行中故障率高，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、無功功率動態(tài)補償濾波支路、無功功率固定補償濾波支路、高壓容性交流晶閘管開關(guān)和計算機測控系統(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，無功功率動態(tài)補償濾波支路主要是實現(xiàn)基波相移無功功率動態(tài)補償，對高次諧波電流濾波功能十分有限。無功功率固定補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償濾波支路容量配置大。

直接電壓型SVC的優(yōu)點是運行可靠性高，運行有功功率損耗小，運行中裝置本身不產(chǎn)生高次諧波電流，基波相移無功功率補償響應速度快，功率因數(shù)補償、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。由于磁控電抗器勵磁功率是從主繞組抽取出的一個低電壓，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。其它性能指標與TCR型SVC基本相當。

1.1.6 MCRV型SVC

MCRV型SVC是MCR型SVC改進型，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，同時還摒棄了它們的不足。

該裝置主要運行性能：運行安全、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償范圍內(nèi)，動態(tài)功率因數(shù)可補償?shù)?.98～1.0；平均功率因數(shù)補償可在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償范圍和功率因數(shù)補償指標；MCR控制基波相移無功功率補償?shù)捻憫俣?，使裝置處于安全、可靠、經(jīng)濟狀態(tài)運行。

1.2 牽引變電所動態(tài)無功補償裝置的選用分析

（1）動態(tài)無功補償裝置運行可靠性分析比選。

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

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

b.SVG+FC，該裝置發(fā)生過較為嚴重的故障。

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行3年多，未發(fā)生故障，平均功率因數(shù)達到0.9以上，能夠滿足運行要求。

綜上所述，MCR型SVC運行穩(wěn)定，能夠滿足牽引供電運行要求。

（2）動態(tài)無功補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MCR型SVC投入27.5 kV牽引供電系統(tǒng)時，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磁控電抗器勵磁涌流2部分組成，當MCR型SVC從27.5 kV牽引供電系統(tǒng)切除時，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支路在投入運行時，其暫態(tài)過程中，電容元件相當于短路，其FC支路僅有電抗器的感抗，當FC支路的補償比為0.12時，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，合閘涌流分析計算如下：

a.FC支路基波涌流計算。

電容器的額定電壓為Ue= 42 kV，

FC支路的補償比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算。

MCR磁控電抗器的容量為FC支路的實發(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)各牽引變電所重負荷臂的補償容量均在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，實現(xiàn)磁控電壓型SVC對牽引負荷的動態(tài)補償。ZVT由自耦變壓器和真空有載分接開關(guān)VMD組成，實現(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，通過每個繞組的電流較2繞組的減少50%，使鐵心磁保護裕度增加，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)計方案改進

MCRV型SVC在榆次牽引變電所試運行時，發(fā)現(xiàn)無功補償裝置投入時，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相補償安裝容量 S = 16 800 kvar，MCR的容量為FC支路的實發(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倍計算，

由此看出，該裝置投入運行時，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的接線進行改進，將磁控電抗器也改為過零投切，電路圖如圖3所示，改進后，經(jīng)過6個月的運行未發(fā)生投切沖擊現(xiàn)象。

2.3 主要參數(shù)的確定

（1）動態(tài)無功補償計算容量的確定。

式中，Qx為無功補償計算容量，kvar；cos?1為補償前電源側(cè)功率因數(shù)，按0.79計算；cos?2為補償后電源側(cè)功率因數(shù)標準值，按0.9計算；PL為供電臂95%概率最大電流計算的功率，kW。

計算結(jié)果與實測值進行比較，經(jīng)過修訂后最終確定無功補償容量。

圖3 改進后的MCRV型SVC接線圖

（2）電容器組標稱額定電壓。按4組電容串聯(lián)計算，應大于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，按最大補償比 0.16計算，電容器組的額定電壓應大于 29 / 0.84 = 34.5 kV，每組電容器標稱額定電壓按10.5 kV計算，電容器組標稱額定電壓為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)器傳導容量。即為 FC支路的實發(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個支路，補償功率因數(shù)的同時兼做3次、5次濾波，以消減牽引負荷中的主要諧波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個抽頭，為3次、5次諧波諧振點的1.03、1.08倍。

3 運行效果

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，整個裝置運行正常，未發(fā)生任何故障，實現(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。