CN2309659Y - 电铁牵引供电系统无功动态补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种用于电气化铁道牵引供电系统的低压无功动态补偿装置,其构成是调谐于指定谐波的滤波器组经开关接于协调变压器(Tn)的低压绕组,由协调变压器耦合于牵引供电网。可以有调谐于不同谐波的几个变压器一滤波器并联。所述开关为低压晶闸管组成的晶闸管阀。本实用新型方案避免使用价贵、运行维护困难的高压晶闸管,又满足调压、补偿功率因数、滤波、平衡等达到电网高质量的要求。

Description

电铁牵引供电系统无功动态补偿装置

本实用新型涉及电气化铁道牵引站的无功功率补偿装置，更具体地，涉及电铁牵引站低压无功动态补偿装置。

我国电气化铁道发展很快，其供电网为额定电压25KV，通常按27.5KV运行。电铁供电网的负载有如下特性：

(1)．间歇性冲击负荷：由于在一个供电区内的列车数目及位置每时每刻都在变化，每列车牵引重量和运行状态也不尽相同，因此供电区馈线牵引负荷实际上是在不断的大幅度变化。机车在长大坡道线路上爬坡，行驶中的频繁换级和启停又造成有功功率和无功功率的不断冲击，引起电压大幅度波动，特别是在机车分相或分段时产生的励磁涌流对电力系统安全运行危害很大。

(2)．流动性非均衡负荷：电力机车是一个移动负荷，供电区负荷率很低，平均小于10％，但高峰负荷却很大，特别是铁路运输正向高速方向发展，最大负荷电流已接近甚至超过了线路最小短路电流，而且全天用电无避峰条件，使整个供电系统运行恶化，并造成发电和送变电设备的巨大浪费。

(3)．不对称负荷：单相区段供电必然造成电力系统不对称运行，机车电力负荷向电网注入大量负序电流并引起三相电压严重不平衡，这些负序分量会危害电厂发电机正常工作，也造成该供电系统内的电动机发热甚至烧毁。

(4)．谐波严重：电力机车是一个非对称谐波源，谐波电流含有率达23％以上，这已大大超过国家标准。这些谐波不仅危害牵引供电系统的安全运行，使通讯线路受到大量干扰，而且上窜到上一级电网，造成电能质量大面积恶化，已成为“公害”。

(5)．功率因数低：据对多种电力机车功率因数测定表明，各类机车平均功率因数不足0.8，有的甚至低至0.5，由于功率因数过低，每年征收的罚款以北京局为例，1996年已达1700万元。

综上所述，电气化铁路负荷状态极其恶劣，它使牵引供电系统电能质量严重恶化并造成电能巨大浪费，同时也使机车牵引力大大下降，因而降低了整个线路的运输能力。

面对牵引供电系统电能质量的恶劣状态，我国目前广泛采用的在牵引供电母线两臂分别装设固定连接的滤波器的补偿方式，对建立无功电源、提高功率因数具有一定的作用，但是这种补偿方式存在重大缺陷：当牵引变承受电力机车牵引负载时或当电网电压水平降低时不能因应提高电压(例如供电网始端电压＜21KV，末端电压＜19KV)，因而大大损失了机车有效出力，使牵引电机过载，严重影响牵引电机的使用寿命甚至损坏，增大机车大修费用；由于它不能根据负荷状态的变化进行无功补偿的调节控制，因而无法对随机频繁的冲击阶跃动态负荷进行跟踪补偿，往往不是欠补就是过补，补偿效果很差，补偿后的功率因数远低于国家标准；由于它在机车通过后或停车时都不能自动切除电容器，造成无功返送电网，引起无行车期电压大幅度上升，严重影响电气设备的安全运行；无论欠补还是过补，无功潮流都增大了线路和变压器的损耗，造成电能的巨大浪费；由于它不能分相调节，因此也无法解决非对称性负荷造成的三相不平衡；由于它不能根据负荷谐波分量的变化进行滤波器的投切调整，因此它的滤波效果也是很差的，有时甚至会造成系统谐振。

事实证明这种静态补偿方式根本不能满足电铁牵引变电所的电压和无功控制要求。

国外部分发达国家已有采用具有平衡化功能的SVC装置，一种由分相TCR和TSC所组成的控制系统。

国内曾对SVC应用到我国电气化铁道上也作过不少研究，但是该装置价格昂贵，能耗费和运行费甚高，并不适合我国当前的国情，因此至今未能实际运用。

本实用新型的目的是提供一种低压无功动态补偿装置，由其控制投切滤波器组，按机车负荷无功电流值调节投切补偿容量，从而全面改善上述电铁电网牵引站工作质量。

本实用新型的技术方案为：一种电铁牵引站低压无功动态补偿装置，包括至少一组滤波器，其特征是具有协调变压器(Tn)，其数目和所述滤波器组相对应，相互并联于牵引站供电网上；所述至少一组滤波器各自经无触点投切开关接于所述协调变压器低压绕组，通过协调变压器耦合于牵引站供电网端；所述各组滤波器由调谐于指定谐波的滤波电感(Ln)及滤波电容(Cn)构成。所述投切滤波器的无触点开关可以是形成半控式晶闸管管阀，它由反并联连接的晶闸管(Vn)及整流管(Dn)组成。本方案中半控式晶闸管阀对滤波器作快速投切。

滤波器组可由二个或二个以上分支并联构成，各分支各具有该组滤波器总量的一部分。

本实用新型方案的示意图示于图1，该图中表示了只有一组变压器一滤波器，但滤波器有三个分支，滤波电感及电容均由半控式晶闸管阀接到各自的变压器低压绕组。

本方案补偿装置还可以同时设置固定连接于牵引站供电网的调谐于主要的谐波(例如三次谐波)的滤波器作为基本的(静态的)补偿。

所述控制器的控制信号取机车负荷的无功电流值、牵引站供电网电压值及谐波量，用以优化控制无功补偿投入量。此种控制的示意图见图2，图中有二个分支，各占总容量的1/3和2/3，由控制器G控制各分支的投切，例如按二进制码实现1,2,3级调节，控制器G可以是一种微机调节器，输入牵引站供电网25KV电压信号、总负荷电流信号等，计算检测出应补偿无功功率、电压、谐波等参数输出相应的对晶闸管Vn1、Vn2触发电流。由于控制器G部分的控制在现有技术中习见，且不属本实用新型的范围，将不在这里详细描述。

本实用新型的优点在于：

1．使用了协调变压器，隔离了27.5KV高压，便于在低压侧进行维护及运行，无需使用价格昂贵水冷系统供水不便，且缺乏维护运行经验的高压晶闸管阀和高压无功动补装置而代以价廉和易于维护运行的低压晶闸管阀和低压无功动补装置；

2．协调变压器低压绕组分为若干组，成倍地增大了低压无功补偿量，并且不需低压侧作为总汇流的大型母线；

3．按机车负荷跟踪投入适量无功功率后，可以通过牵引站主变阻抗和110KV电网阻抗而调整牵引网网压；这种无功补偿分支在机车通过和电力负荷下降后便立即自动退出，不会引起网压过高问题；

4．由于无功补偿分支主要是滤波器分支，故可以兼起谐波滤波和净化谐波污染的作用；

5．通过提高受电功率因数而大幅度节省电费支出，所用装置的费用可从节支效益中于短期内回收；

6．由于单相负荷的无功部份就地给予补偿或基本补偿，并由于电网负荷电压主要是不平衡无功在电流侧电抗中流过所造成的压降形成的，所以，本装置可以显著削减负序电量，起平衡化作用；

图1为本实用新型技术方案示意图。

图2为本实用新型滤波器分支控制示意图。

图3为本实用新型实施例电路图。

以下将结合附图描述实施例。

图3是本实用新型的一个实施例，它表示一个电铁牵引变电站供电网上电路连接的图。

一供电臂用一台20MVA的降压变压器，从110KV电网受电，向27.5KV牵引供电网供电，总共5600Kvar无功补偿容量配置为：

1．固定联接的三次谐波滤波器一组F3G，装置容量为700Kvar。

2．动态投切的三次谐波滤波器一组F₃，设三个分支F₃₁,F₃₂,F₃₃，每分支装置容量为700Kvar，通过一台2100KVA27.5KV/1KV的单相变压器T3协调接入，变压器低压侧有3个1KV绕组。3次滤波器是把1KV单绕组对电源的等值电抗与补充电感ΔL₃₁值的总和L₃₁，与电容C₃₁调谐于3次谐波，即： $3{\mathrm{\ω}}_1{L}_{31}=\frac{1}{3{\mathrm{\ω}}_1{C}_{31}}$

其中ω₁=314，为工程角频率2πf

    V₃₁为晶闸管

    D₃₁为整流管

    V₃₁与D₃₁组成半控式无触点开关，由一台微机调节器G控制，调节器取27.5KV(经Pt变换为0～100V)电压U值和机车总负荷电流(经CT变换为0～5A)电流I值作输入，输出信号V₃、V₅、V₇

3．动态投切的5次谐波滤波器一组F₅，共设三个分支F₅₁,F₅₂,F₅₃，每分支装置容量为700Kvar，由一台2100KVA变压器T₅协调供电。

4．动态投切的7次谐波滤波器一组F₇，只设一个分支，容量为700Kvar，由一台700KVA变压器T₇协调供电

3次、5次及7次滤波器均由同一台微机调节器G控制，机车通过时，根据无功负荷的大小，并且以谐波量作为辅助调节信号，跟踪投切各组滤波器，以达到调压(20％以上)，补偿无功功率(使功率因数提高到0.92以上)、滤波(达到谐波国际标准要求)诸目的。与此同时，因为27.5KV母线的无功负荷基本上都由本实用新型低压无功动态补偿装置作了补偿，所以，电网电压的不平衡影响便可基本抑制，达到三相电压不平衡的国际标准要求。

本实施例三、五次滤波器均由三个分支组成，这样做的附加优点是滤波器投切量有更灵活选择的可能，此外，还解决了积小容量无功动补滤波器为大容量滤波器问题，充分利用电磁耦合传变，不需要大电流汇流排。

Claims (5)

1．一种电气化铁道牵引站低压无功功率动态补偿装置，包括至少一组滤波器，其特征是有协调变压器(Tn)，其个数与所述滤波器组对应，互相并联于牵引站供电网上；所述至少一组滤波器各自经无触点投切开关接于所述协调变压器低压绕组，通过协调变压器耦合于牵引站供电网端；所述各组滤波器由调谐于指定谐波的滤波电感(Ln)及滤波电容(Cn)构成。

2．根据权利要求1的无功动态补偿装置，其特征是所述无触点投切开关是形成半控式晶闸管阀的反并联连接的晶闸管(Vn)及整流管(Dn)所构成。

3．根据权利要求1或2的无功动态补偿装置，其特征是所述各组滤波器包括至少一个分支；协调变压器有数目和分支数对应的低压绕组；同一组滤波器中各分支均由调谐于相同指定谐波的电感和电容经各自的所述开关接于对应的协调变压器低压绕组。

4．根据权利要求1或2的无功动态补偿装置，其特征是和所述各协调变压器并联连接有固定滤波器组，所述固定滤波器组由调谐于指定谐波的电感和电容组成。

5．根据权利要求3的无功动态补偿装置，其特征是和所述各协调变压器并联连接有固定滤波器组，所述固定滤波器组由调谐于指定谐波的电感和电容组成。

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