新型固調(diào)式磁控電抗器在鐵路貫通電力線路中的應(yīng)用

陳修延，戴 謙，韓冬竹

（

1 北京鐵路局 供電處，北京100038； 2 北京鐵路局 石家莊供電段，河北石家莊050000；3 河北省送變電公司，河北石家莊051130）

1 問題的提出

鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，設(shè)置在鐵路沿線，為自動(dòng)閉塞電力線路和電力貫通線路供電的10 k V配電所之間的距離應(yīng)根據(jù)電源分布情況和方便檢修的原則確定，一般條件下宜為40～60 km，當(dāng)受電源條件限制時(shí)，自動(dòng)閉塞電力線路允許延長(zhǎng)至70 km。40～60 km的供電臂帶5～7個(gè)車站，每個(gè)車站供信號(hào)用的變壓器容量在20～30 k VA，在供電線路為架空的情況下，一個(gè)供電臂10 k V側(cè)輸出電流在2～3 A。變電所的自閉、貫通母線段隔離變壓器容量在200～315 k VA。

由于鐵路自閉、貫通電力線路的感性負(fù)荷較少，線路基本呈容性狀態(tài)。近年來由于環(huán)境的變化，自閉、貫通電力線路中的電纜比例在逐步上升，在高速鐵路貫通電源設(shè)計(jì)中基本上采用了全電纜的自閉、貫通電力線路。10 k V電力電纜每千米電容電流1.0 A，架空線路每千米電容電流0.03 A［2］。電纜比例的提高，顯著加大了供電系統(tǒng)的對(duì)地電容電流與相間電容電流。10 k V自閉、貫通電力線路大量采用高壓電纜，在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生以下問題：一是鐵路10 k V自閉、貫通電力線路目前采用的是中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式，中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)是允許帶單相接地故障運(yùn)行2 h，供電可靠性高，這種運(yùn)行方式適用于電容電流小的線路。對(duì)于含有一定比例電纜的線路或全電纜線路，對(duì)地電容電流可能大到致使單相接地電弧不能熄滅的程度。在系統(tǒng)帶單相接地故障運(yùn)行時(shí)，電弧反復(fù)重燃或穩(wěn)定燃燒，會(huì)導(dǎo)致瞬間接地故障發(fā)展到永久性接地，甚至擴(kuò)大為相間短路接地。二是自閉、貫通電力線路呈容性線路負(fù)荷，這樣會(huì)大量的從供電系統(tǒng)中吸收容性無功能量，使得功率因數(shù)過補(bǔ)。根據(jù)供用電規(guī)則，功率因數(shù)過補(bǔ)或欠補(bǔ)供電部門都要對(duì)用電單位進(jìn)行經(jīng)濟(jì)處罰。因此，應(yīng)在鐵路自閉、貫通電力線路中采取無功補(bǔ)償措施。

2 運(yùn)行中補(bǔ)償設(shè)備存在的問題

2.1 固定并聯(lián)無功補(bǔ)償方式

這種補(bǔ)償方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低，但有兩個(gè)問題。一是補(bǔ)償量不能調(diào)節(jié)，會(huì)造成過補(bǔ)或欠補(bǔ)。二是固定電抗器在線路上安裝時(shí)，只能用熔絲保護(hù)，一但熔絲熔斷一相，在變電所會(huì)顯示出單相接地報(bào)警信號(hào)，值班人員一般會(huì)按線路接地故障組織處理。這類故障如果沒有經(jīng)驗(yàn)處理起來很是麻煩。

2.2 SVG無功補(bǔ)償方式

SVG是指由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來進(jìn)行發(fā)生和吸收無功功率的無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置。SVG由交流環(huán)節(jié)和直流環(huán)節(jié)組成。交流環(huán)節(jié)與系統(tǒng)相連接，SVG將系統(tǒng)的交流電能經(jīng)變流器轉(zhuǎn)換成直流并保存在直流側(cè)的儲(chǔ)能器內(nèi)，同時(shí)直流側(cè)電壓電流經(jīng)過變流器變成交流電壓電流輸送到系統(tǒng)。由于SVG是采用自換相的變流器，它把變流器電路看成是一個(gè)產(chǎn)生基波和諧波電壓的交流電壓源，控制補(bǔ)償器基波電壓大小與相位，可改變基波無功電流的大小與相位。當(dāng)變流器基波電壓比交流電源電壓高時(shí)，變流器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)超前無功電流。反之，當(dāng)變流器基波電壓比交流電源電壓低時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)滯后無功電流［3］。

根據(jù)上述原理從1980年日本研制出第一臺(tái)20 Mvar的強(qiáng)迫自換相的橋式SVG之后，1991年和1994年日本和美國(guó)又相繼研制出80 Mvar和100 Mvar的SVG。在1994年清華大學(xué)和河南省電力局立項(xiàng)共同研制中國(guó)第一臺(tái)SVG，其容量為20 Mvar，1999年在洛陽(yáng)投入運(yùn)行開辟了中國(guó)研制SVG補(bǔ)償設(shè)備的先河。目前，國(guó)內(nèi)SVG市場(chǎng)正處于起步階段，主要生產(chǎn)廠商有4家，在國(guó)內(nèi)SVG尚未大規(guī)模普及。目前SVG只是在國(guó)家電網(wǎng)中，有幾處試驗(yàn)性運(yùn)行。在部分企業(yè)、鐵路行業(yè)僅得到部分運(yùn)用。在國(guó)家電網(wǎng)中沒有推廣運(yùn)用［4］。

SVG補(bǔ)償技術(shù)理論是很先進(jìn)的，但它的功率模塊是串聯(lián)運(yùn)行，在運(yùn)行中一旦某一個(gè)功率模塊發(fā)生問題，整個(gè)系統(tǒng)就要退岀運(yùn)行。由于這類設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜沒有生產(chǎn)廠家的專業(yè)技術(shù)人員是很難修復(fù)的。因此，每個(gè)模塊的生產(chǎn)質(zhì)量及確保每個(gè)電子器件的產(chǎn)品質(zhì)量是很難控制的問題。石太客運(yùn)專線配電所配備的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置SVG共8套。這8套SVG設(shè)備自2009－04開通以來因功率模塊故障及控制系統(tǒng)故障一直不能正常投入運(yùn)行，故障頻發(fā)不但造成功率因數(shù)無法完成，供電部門每月的巨額罰款，還因SVG不能投入運(yùn)行先后燒毀了500 k VA隔離變圧器兩臺(tái)，還有400 k VA隔離變壓器一臺(tái)。嚴(yán)重威脅了石太客運(yùn)專線的行車安全。

3 解決方法

針對(duì)目前所使用的固定并聯(lián)電抗器在運(yùn)行中的過、欠補(bǔ)及熔絲熔斷后故障判斷困難，SVG補(bǔ)償裝置在功率模塊發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)都要退出運(yùn)行的問題。2010年北京鐵路局開始立項(xiàng)研制適合鐵路10 k V自閉、貫通電力線路專用的無功補(bǔ)償系統(tǒng)。經(jīng)過調(diào)研提出了新型固調(diào)式磁控電抗器方案。在這個(gè)方案中要解決傳統(tǒng)的磁閥式可控電抗器電抗量必須從零起調(diào)的問題。新型固調(diào)式磁控電抗器的創(chuàng)新點(diǎn)，是在磁閥式可控電抗器設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置了基本補(bǔ)償段和可調(diào)補(bǔ)償段?；狙a(bǔ)償段不受控制器的控制，在電抗器送電后，基本補(bǔ)償段投入運(yùn)行。可調(diào)補(bǔ)償段是在運(yùn)行后根據(jù)運(yùn)行需要由控制器調(diào)整可調(diào)補(bǔ)償段進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)現(xiàn)了電抗器在控制裝置出現(xiàn)故障時(shí)仍可實(shí)現(xiàn)一定量的補(bǔ)償，從而避免因補(bǔ)償設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)故障而退出運(yùn)行引發(fā)的系統(tǒng)故障［5］。

3.1 磁閥式可控電抗器的工作原理

磁閥式可控電抗器的主鐵芯分裂為兩半，見圖1，面積各為Sb，長(zhǎng)度為L(zhǎng)－L1。不同的是每一半鐵芯都具有一長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的小截面，其面積為A b1，兩個(gè)半鐵芯柱上分別對(duì)稱地繞有兩個(gè)匝數(shù)為N／2的繞組，每一半鐵芯柱的上下兩繞組各有一抽頭比為δ＝N2／N的抽頭，它們之間接有可控硅T1（T2），不同鐵芯的上下兩個(gè)繞組交叉連接后，并聯(lián)至電網(wǎng)電源，二極管D則橫跨在交叉端點(diǎn)［6］。

當(dāng)可控硅T1，T2均不導(dǎo)通時(shí)，由繞組結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性可知，其與空載變壓器作用相同。當(dāng)電源電壓處于正半波時(shí)，可控硅T1承受正向電壓，T2承受反向電壓。此時(shí)，若觸發(fā)T1使之導(dǎo)通，電源通過變比為δ的“自耦變壓器”，由匝數(shù)為N k的線圈向電路提供直流控制電壓和電流。當(dāng)T2在電源的負(fù)半波被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，同樣也產(chǎn)生直流控制電壓和電流，而且控制電流的方向與T1導(dǎo)通時(shí)一致。這樣，T1和T2在一個(gè)工頻周波內(nèi)輪流導(dǎo)通，構(gòu)成全波整流，二極管D起續(xù)流作用，保證晶閘管在相應(yīng)的正向電壓過零時(shí)能夠順利關(guān)斷。改變T1和T2的導(dǎo)通角，便可改變被控電流的大小，從而改變鐵芯的飽和度。平滑地調(diào)節(jié)可控電抗器容量［6］。實(shí)現(xiàn)電抗器無功容量輸出從空載容量到額定容量之間的無級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)。

對(duì)照組患者給予常規(guī)護(hù)理。研究組患者在常規(guī)護(hù)理的基礎(chǔ)上給予優(yōu)質(zhì)護(hù)理,主要分為術(shù)前護(hù)理、術(shù)中護(hù)理及術(shù)后護(hù)理三個(gè)階段[1~2]。(1)術(shù)前護(hù)理:監(jiān)測(cè)血壓、血糖,評(píng)估耐受性,講解手術(shù)流程與注意事項(xiàng),緩解患者焦慮情緒,增強(qiáng)信任度;(2)術(shù)中護(hù)理:器械準(zhǔn)備,注重隱私保護(hù),密切注意生命體征,術(shù)中注意突發(fā)狀況的及時(shí)處理;(3)術(shù)后護(hù)理:護(hù)理人員在病員進(jìn)入病房后做好交接,著重觀察生命體征變化與并發(fā)癥的發(fā)生。患者蘇醒后將手術(shù)具體情況告知患者,消除患者負(fù)面情緒。給予疼痛護(hù)理,對(duì)患者進(jìn)行正確體位指導(dǎo),按時(shí)查看手術(shù)切口,提升整體護(hù)理效果,避免感染發(fā)生。

圖1 磁閥式可控電抗器

3.2 基本補(bǔ)償段電抗量的實(shí)現(xiàn)

通過磁閥式可控電抗器的工作原理可知，電抗量的大小是調(diào)節(jié)可控硅管T1和T2的導(dǎo)通角，便可改變被控電流的大小，從而改變鐵芯的飽和度，平滑地調(diào)節(jié)可控電抗器容量。實(shí)現(xiàn)電抗器無功容量輸出從空載容量到額定容量之間的無級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)?；狙a(bǔ)償段的實(shí)現(xiàn)思路就是令可控硅T2不受控制器控制，采用自觸發(fā)方式，自行保持導(dǎo)通狀態(tài)?；狙a(bǔ)償段補(bǔ)償量的大小取決于可控硅T2提供的直流電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，這個(gè)直流磁感應(yīng)強(qiáng)度與基本補(bǔ)償量的關(guān)系如式（1）。

式中Bs為鐵芯飽和磁密；B d為直流磁感應(yīng)強(qiáng)度。

式中直流磁感應(yīng)強(qiáng)度B d的大小與可控硅T2兩端抽頭比δ2為線性正比關(guān)系。在設(shè)計(jì)制造時(shí)先按照普通磁控電抗器計(jì)算出抽頭比δ，然后根據(jù)基本補(bǔ)償量占額定補(bǔ)償量的比例得出可控硅T2兩端抽頭比δ2，T1兩端的抽頭比為2×δ與δ2的差值。

3.3 可調(diào)補(bǔ)償段電抗量的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)電抗器投入運(yùn)行后可控硅T2自觸發(fā)導(dǎo)通，根據(jù)設(shè)定值通過電流產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)基本補(bǔ)償，基本補(bǔ)償段能夠滿足運(yùn)行參數(shù)的要求時(shí)可控硅T1在關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)容性負(fù)荷增加基本補(bǔ)償段不能滿足運(yùn)行參數(shù)的要求時(shí)，控制器發(fā)出指命觸發(fā)可控硅T1，可控硅開啟角度的大小由控制器根據(jù)運(yùn)行參數(shù)計(jì)算結(jié)果決定。這樣就完成可調(diào)補(bǔ)償段的補(bǔ)償。

4 運(yùn)行效果

2011－03－25 石家莊供電段在京九線饒陽(yáng)配電室自閉母線段上，安裝10 k V、70 kvar三相固、調(diào)磁閥式可控電抗器無功補(bǔ)償裝置一套。設(shè)備投入運(yùn)行后，筆者對(duì)投入前后的無功情況、諧波含量、補(bǔ)償效果進(jìn)行了測(cè)試。

4.1 諧波含量測(cè)試儀

4.1.1 自閉饋出投入運(yùn)行，電抗器退出運(yùn)行諧波測(cè)試

測(cè)試時(shí)系統(tǒng)cosφ＝0.76、P＝ 33.2 k W、Q＝－28.4 kvar，各次電流諧波含量如圖2所示；各次電壓諧波含量如圖3所示。

圖2 電流諧波含量

圖3 電壓諧波含量

4.1.2 自閉饋出投入運(yùn)行，電抗器投入運(yùn)行諧波測(cè)試

測(cè)試時(shí)系統(tǒng)cosφ＝0.998、P＝29.4 k W、Q＝＋1.6 kvar，各次電流諧波含量如圖4所示；各次電壓諧波含量如圖5所示。

圖4 電流諧波含量

圖5 電壓諧波含量

4.1.3 諧波測(cè)試結(jié)論

分析測(cè)試參數(shù)，自閉饋出投入運(yùn)行，電抗器退出運(yùn)行，5次諧波電流在所測(cè)的60次諧波電流中最高為0.167 A，3次諧波電壓在所測(cè)的60次諧波電壓中最高為0.37%，總諧波畸變率0.70%。

自閉饋出投入運(yùn)行，電抗器投入運(yùn)行，5次諧波電流在所測(cè)的60次諧波電流中最高為0.155 A。3次諧波電壓在所測(cè)的60次諧波電壓中最高為0.49%，總諧波畸變率0.63%。

從以上數(shù)據(jù)看出，電抗器投入與否諧波含量沒有大的變化，電流各次諧波含量都低于GB／T 14549－93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)允許的10 k V各次諧波電流允許值，電壓各次諧波含量都低于GB／T 14549－93標(biāo)準(zhǔn)允許的10 k V電壓各次諧波畸變率，偶次1.6%、奇次3.2%、總諧波畸變率4%［7］。說明電抗器向電網(wǎng)注入的電壓、電流諧波都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 功率因數(shù)補(bǔ)償效果

從測(cè)試數(shù)據(jù)看投入自閉饋出線路，電抗器未投運(yùn)時(shí)，電流為2.34 A，cosφ＝0.76，此時(shí)有功電流i P＝2.34×0.76＝1.78 A；投運(yùn)電抗器并投入自閉饋出，電流為1.691 A，cosφ＝0.998，說明補(bǔ)償效果明顯。

2010、2011 年同期6，7，8月份無功功率對(duì)比，2010年6月份無功功率為－32.76 kvar，7月份無功功率為－38.23 kvar，8月份無功功率為－28.64 kvar，2011年6月份無功功率為＋2.3 kvar，7月份無功功率為＋2.8 kvar，8月份無功功率為＋1.6 kvar，補(bǔ)償效果非常明顯。

4.3 固、調(diào)磁閥式可控電抗器運(yùn)行溫升測(cè)試

表1 饒陽(yáng)配電室磁控電抗器測(cè)溫記錄

從表1測(cè)試情況可以看出，運(yùn)行溫度小于設(shè)計(jì)溫度，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 設(shè)備噪聲測(cè)試情況

2011－09－09 在饒陽(yáng)配電室對(duì)安裝的固、調(diào)磁閥式可控電抗器噪聲進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試距離1 m，直測(cè)噪聲68 d B，考慮背景噪聲，計(jì)算噪聲63 d B，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

新型固調(diào)式磁控電抗器經(jīng)過上線運(yùn)行，補(bǔ)償效果明顯，運(yùn)行可靠。通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行后測(cè)試情況看，系統(tǒng)諧波含量、設(shè)備運(yùn)行溫升、設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲、功率因數(shù)等都達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，是鐵路自閉、貫通電力線路無功補(bǔ)償較為理想的設(shè)備。

［1］TB 10008－2006.鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)鐵道岀版社，2007.

［2］［蘇］拉里昂諾夫主偏.高電壓技術(shù)［M］.北京：水利電力出版社，1994.

［3］粟時(shí)平，劉桂英.靜止無功功率補(bǔ)償技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力岀版社，2006.

［4］深圳前瞻商業(yè)資訊有限公司.中國(guó)無功補(bǔ)償裝置彷業(yè)產(chǎn)銷需求與投資預(yù)測(cè)分析報(bào)告［上］［R］.2010.

［5］河北省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究院 新型固調(diào)式磁控電抗器［R］.2011.

［6］陳柏超.新型可控飽和電抗器理論及應(yīng)用［M］.武漢：武漢水利電力大學(xué)出版社，1999.

［7］GB／T14549－93.電能質(zhì)量、公用電網(wǎng)諧波［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.