單相組合式同相供電裝置中性點(diǎn)電位漂移影響

王 卓，趙晴晴，蔡雨昌，呂 忠

單相組合式同相供電裝置中性點(diǎn)電位漂移影響

王 卓，趙晴晴，蔡雨昌，呂 忠

通過分析同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式對(duì)中性點(diǎn)電位漂移的影響，提出了減弱單相組合式同相供電裝置中性點(diǎn)電位漂移的建議。

同相供電；中性點(diǎn)；負(fù)序；牽引變電所

0 引言

近年來，國(guó)內(nèi)高速鐵路快速發(fā)展，在國(guó)家資源配置中起到了重要作用[1]。但由于國(guó)內(nèi)采取單相工頻交流制供電模式，會(huì)隨之產(chǎn)生負(fù)序、無功、諧波等電能質(zhì)量問題[2]。隨著交直交電力機(jī)車的投入使用，無功和諧波問題已經(jīng)得到了極大的改善，但負(fù)序問題一直困擾著鐵路部門[3]。同相供電裝置利用特殊的變壓器接線及相應(yīng)的電力電子裝置，成功實(shí)現(xiàn)三相到單相平衡變換。可以最大限度地減弱電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的負(fù)序影響，甚至取消電分相，使高速及重載列車更加高效率的運(yùn)行。

單相組合式同相補(bǔ)償裝置由于變壓器無法將中性點(diǎn)直接接地。因此當(dāng)同相補(bǔ)償裝置中有功率通過時(shí)，會(huì)造成變壓器中性點(diǎn)電位偏移，使供電電壓的幅值與相角發(fā)生變化，從而影響供電質(zhì)量及負(fù)序補(bǔ)償效率。

本文通過對(duì)同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行情況進(jìn)行分析，建立同相補(bǔ)償裝置的數(shù)學(xué)模型，在實(shí)測(cè)負(fù)荷的情況下，對(duì)負(fù)序完全補(bǔ)償情況下造成的中性點(diǎn)電位偏移量進(jìn)行仿真分析，從而對(duì)同相補(bǔ)償裝置的中性點(diǎn)電位偏移量進(jìn)行研究。

1 單相組合式同相供電

單相組合式同相供電方案如圖1所示。

圖1 單相組合式同相供電方案示意圖

單相組合式同相供電變電所由主變壓器TT、同相補(bǔ)償裝置CPD組成，其中同相補(bǔ)償裝置CPD包括高壓匹配變壓器HMT、交直交變流器ADA、牽引匹配變壓器TMT及交流電抗器L等。

單相組合式同相供電方案相對(duì)于以前的裝置，通過改進(jìn)變壓器的接線使高壓匹配變壓器HMT與主變壓器TT兩者形成平衡變壓器。交直交變流器由此前在平衡變壓器兩臂之間傳遞功率變?yōu)橥ㄟ^交直交變流器直接分擔(dān)主變壓器的負(fù)荷，使得在正常負(fù)荷情況下通過主變壓器的功率減少，且同相補(bǔ)償裝置提供的功率可以減少通過主變壓器的負(fù)序功率。

由圖1所示，主變壓器與高壓匹配變壓器組成的平衡變壓器中，中性點(diǎn)是沒有直接接地的。因?yàn)槿绻麑⒅行渣c(diǎn)直接接地會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生零序電流，對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)生不良影響。因此當(dāng)同相補(bǔ)償裝置進(jìn)行負(fù)序補(bǔ)償時(shí)，隨著負(fù)序補(bǔ)償量的增加，通過同相補(bǔ)償裝置的功率會(huì)變大，且中性點(diǎn)電位的偏移量也變大。同性補(bǔ)償裝置可按以下2種方式運(yùn)行[4]：

（1）方式1。同相補(bǔ)償裝置使用熱備用的形式，當(dāng)負(fù)荷功率引起的三相不平衡度符合國(guó)標(biāo)要求時(shí)，由牽引變壓器承擔(dān)全部負(fù)荷；負(fù)荷功率引起三相不平衡度超標(biāo)時(shí)，同相補(bǔ)償裝置補(bǔ)償負(fù)荷功率與負(fù)序允許功率差值的1/2，使三相不平衡度滿足國(guó)標(biāo)要求。

（2）方式2。同相補(bǔ)償裝置持續(xù)運(yùn)行，當(dāng)負(fù)荷功率小于等于同相補(bǔ)償裝置容量2倍時(shí)，同相補(bǔ)償裝置分擔(dān)牽引變壓器一半的負(fù)荷功率；當(dāng)負(fù)荷功率大于同相補(bǔ)償裝置容量2倍時(shí)，同相補(bǔ)償裝置按照額定容量補(bǔ)償，其余負(fù)荷功率由牽引變壓器提供。此時(shí)會(huì)產(chǎn)生剩余負(fù)序功率，但符合國(guó)標(biāo)要求。

2 中性點(diǎn)電位計(jì)算模型

由圖1可知，主變壓器與高壓匹配變壓器共同組成一個(gè)Scott變壓器。主變壓器與高壓匹配變壓器組成的Scott變壓器的中性點(diǎn)應(yīng)該位于主變壓器繞組的2/3處[5]。

當(dāng)牽引變電所中不需要進(jìn)行負(fù)序補(bǔ)償時(shí)，同相補(bǔ)償裝置中沒有功率通過，此時(shí)相當(dāng)于主變壓器自身運(yùn)行。主變壓器的電流如圖2所示。

圖2 主變壓器單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的電流分布示意圖

圖2對(duì)應(yīng)的相量圖如圖3所示。

圖3中，由于主變壓器中漏抗的存在，當(dāng)有負(fù)荷電流通過主變壓器時(shí)，在CD、DB繞組中產(chǎn)生的壓降分別為UCC′、UBB′。EB′C′為BC繞組中主磁通對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。但是由于C、B的電位是由電網(wǎng)提供的，電位相對(duì)固定，而中性點(diǎn)電位也不發(fā)生改變，因此當(dāng)主變壓器單獨(dú)運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)電位不發(fā)生漂移。

圖3 主變壓器單獨(dú)運(yùn)行時(shí)相量圖

當(dāng)同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行時(shí)，假設(shè)主變壓器及高壓匹配變壓器繞組漏抗均勻分布，負(fù)荷電流為IA，則相量圖如圖4所示。

圖4 同相補(bǔ)償裝置有負(fù)荷電流通過時(shí)的相量圖

UAA1表示高壓匹配變壓器的漏抗引起的壓降，A2在UAA1的2/3處，過A2作A1D′的平行線與AD′的交點(diǎn)O′即為中性點(diǎn)電位。中性點(diǎn)電位的偏移量為UOO′。可以證明UOO′= (2/3)UDD′。如圖4所示，造成中性點(diǎn)漂移的主要原因是主變壓器兩半線圈的分流電抗。由磁勢(shì)平衡關(guān)系，分流電抗的計(jì)算可以按照一般雙線圈的單相變壓器的計(jì)算方法。

3 中性點(diǎn)電位漂移仿真分析

某牽引變電所一天的負(fù)荷過程如圖5所示。

圖5 某牽引變電所一天負(fù)荷過程示意圖

采用如下方法設(shè)計(jì)單相組合式牽引變電所[4]。若短路容量為sd，三相電壓不平衡度限值為uε%，通過牽引變壓器的功率為sT，通過同相補(bǔ)償裝置的功率為sC，系統(tǒng)允許的負(fù)序功率為sε，負(fù)荷過程提取的最大值為s，則

根據(jù)牽引變壓器的過負(fù)荷倍數(shù)確定安裝容量，這里牽引變壓器取過負(fù)荷倍數(shù)kT= 1.75，不考慮同相補(bǔ)償裝置過負(fù)荷能力。假設(shè)該牽引變電所的短路容量為500 MV·A，則該牽引變電所的負(fù)序功率允許值為10 MV·A，牽引變壓器容量為10 MV·A。同相補(bǔ)償裝置采用方式1進(jìn)行補(bǔ)償，此時(shí)造成的中性點(diǎn)電位漂移量的瞬時(shí)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 方式I單相組合式同相補(bǔ)償裝置造成的中性點(diǎn)電位漂移量曲線圖

同相補(bǔ)償裝置采用方式2進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)的中性點(diǎn)電位漂移量如圖7所示。

圖7 方式2單相組合式同相補(bǔ)償裝置造成的中性點(diǎn)電位漂移量曲線圖

由圖6、圖7可以看出，牽引負(fù)荷需要的負(fù)序補(bǔ)償量越大，則造成中性點(diǎn)漂移越嚴(yán)重。減弱中性點(diǎn)電位漂移的方法一個(gè)是增加底座繞組的電磁耦合程度，減少分流阻抗。另外一個(gè)是通過改變同相補(bǔ)償裝置的運(yùn)行方式，由同相補(bǔ)償裝置持續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)換為熱備用方式。熱備用形式下，中性點(diǎn)電位漂移的密度顯著減弱，在大部分情況下中性點(diǎn)電位不發(fā)生漂移。在保證負(fù)序補(bǔ)償?shù)那疤嵯?，盡量減少同相補(bǔ)償裝置的負(fù)荷通過量，以此減弱中性點(diǎn)電位漂移量。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)單相組合式同相供電裝置中性點(diǎn)電位漂移原理分析，結(jié)合既有線牽引變電所負(fù)荷過程，對(duì)單相組合式同相供電裝置中性點(diǎn)電位漂移進(jìn)行了仿真分析。得出以下結(jié)論：

（1）單相組合式同相供電裝置中性點(diǎn)電位漂移主要是由通過同相補(bǔ)償裝置的負(fù)荷造成的。

（2）中性點(diǎn)電位漂移會(huì)使變壓器二次側(cè)電壓波形產(chǎn)生畸變，從而對(duì)同相補(bǔ)償裝置負(fù)序的補(bǔ)償效率產(chǎn)生影響。

（3）通過改變同相補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式可以減弱中性點(diǎn)電位漂移。

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By analyzing the influence caused by the neutral point potential drifting under co-phase compensation device operation mode, the paper puts forward proposals to minimize the potential drifting of neutral point of single phase combined co-phase power supply equipment.

Co-phase power supply system; natural point; negative sequence; traction substation

U223.5+4

：B

：1007-936X(2016)03-0004-03

2015-11-25

王 卓.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生，電話：18606350057；趙晴晴，蔡雨昌，呂 忠.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生。