新型固調式磁控電抗器在鐵路貫通電力線路中的應用

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

鐵路電力設計規范規定，設置在鐵路沿線，為自動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根據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，當受電源條件限制時，自動閉塞電力線路允許延長至70 km。40～60 km的供電臂帶5～7個車站，每個車站供信號用的變壓器容量在20～30 k VA，在供電線路為架空的情況下，一個供電臂10 k V側輸出電流在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荷較少，線路基本呈容性狀態。近年來由于環境的變化，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計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的對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，在運行中會產生以下問題：一是鐵路10 k V自閉、貫通電力線路目前采用的是中性點不接地運行方式，中性點不接地運行方式的優點是允許帶單相接地故障運行2 h，供電可靠性高，這種運行方式適用于電容電流小的線路。對于含有一定比例電纜的線路或全電纜線路，對地電容電流可能大到致使單相接地電弧不能熄滅的程度。在系統帶單相接地故障運行時，電弧反復重燃或穩定燃燒，會導致瞬間接地故障發展到永久性接地，甚至擴大為相間短路接地。二是自閉、貫通電力線路呈容性線路負荷，這樣會大量的從供電系統中吸收容性無功能量，使得功率因數過補。根據供用電規則，功率因數過補或欠補供電部門都要對用電單位進行經濟處罰。因此，應在鐵路自閉、貫通電力線路中采取無功補償措施。

2 運行中補償設備存在的問題

2.1 固定并聯無功補償方式

這種補償方式結構簡單造價低，但有兩個問題。一是補償量不能調節，會造成過補或欠補。二是固定電抗器在線路上安裝時，只能用熔絲保護，一但熔絲熔斷一相，在變電所會顯示出單相接地報警信號，值班人員一般會按線路接地故障組織處理。這類故障如果沒有經驗處理起來很是麻煩。

2.2 SVG無功補償方式

SVG是指由自換相的電力半導體橋式變流器來進行發生和吸收無功功率的無功功率動態補償裝置。SVG由交流環節和直流環節組成。交流環節與系統相連接，SVG將系統的交流電能經變流器轉換成直流并保存在直流側的儲能器內，同時直流側電壓電流經過變流器變成交流電壓電流輸送到系統。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產生基波和諧波電壓的交流電壓源，控制補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。當變流器基波電壓比交流電源電壓高時，變流器就會產生一個超前無功電流。反之，當變流器基波電壓比交流電源電壓低時，則會產生一個滯后無功電流［3］。

根據上述原理從1980年日本研制出第一臺20 Mvar的強迫自換相的橋式SVG之后，1991年和1994年日本和美國又相繼研制出80 Mvar和100 Mvar的SVG。在1994年清華大學和河南省電力局立項共同研制中國第一臺SVG，其容量為20 Mvar，1999年在洛陽投入運行開辟了中國研制SVG補償設備的先河。目前，國內SVG市場正處于起步階段，主要生產廠商有4家，在國內SVG尚未大規模普及。目前SVG只是在國家電網中，有幾處試驗性運行。在部分企業、鐵路行業僅得到部分運用。在國家電網中沒有推廣運用［4］。

SVG補償技術理論是很先進的，但它的功率模塊是串聯運行，在運行中一旦某一個功率模塊發生問題，整個系統就要退岀運行。由于這類設備結構復雜沒有生產廠家的專業技術人員是很難修復的。因此，每個模塊的生產質量及確保每個電子器件的產品質量是很難控制的問題。石太客運專線配電所配備的動態無功補償裝置SVG共8套。這8套SVG設備自2009－04開通以來因功率模塊故障及控制系統故障一直不能正常投入運行，故障頻發不但造成功率因數無法完成，供電部門每月的巨額罰款，還因SVG不能投入運行先后燒毀了500 k VA隔離變圧器兩臺，還有400 k VA隔離變壓器一臺。嚴重威脅了石太客運專線的行車安全。

3 解決方法

針對目前所使用的固定并聯電抗器在運行中的過、欠補及熔絲熔斷后故障判斷困難，SVG補償裝置在功率模塊發生故障，整個系統都要退出運行的問題。2010年北京鐵路局開始立項研制適合鐵路10 k V自閉、貫通電力線路專用的無功補償系統。經過調研提出了新型固調式磁控電抗器方案。在這個方案中要解決傳統的磁閥式可控電抗器電抗量必須從零起調的問題。新型固調式磁控電抗器的創新點，是在磁閥式可控電抗器設計時，設置了基本補償段和可調補償段。基本補償段不受控制器的控制，在電抗器送電后，基本補償段投入運行?？烧{補償段是在運行后根據運行需要由控制器調整可調補償段進行補償。實現了電抗器在控制裝置出現故障時仍可實現一定量的補償，從而避免因補償設備在運行中出現故障而退出運行引發的系統故障［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，長度為L－L1。不同的是每一半鐵芯都具有一長度為L1的小截面，其面積為A b1，兩個半鐵芯柱上分別對稱地繞有兩個匝數為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繞組交叉連接后，并聯至電網電源，二極管D則橫跨在交叉端點［6］。

當可控硅T1，T2均不導通時，由繞組結構的對稱性可知，其與空載變壓器作用相同。當電源電壓處于正半波時，可控硅T1承受正向電壓，T2承受反向電壓。此時，若觸發T1使之導通，電源通過變比為δ的“自耦變壓器”，由匝數為N k的線圈向電路提供直流控制電壓和電流。當T2在電源的負半波被觸發導通時，同樣也產生直流控制電壓和電流，而且控制電流的方向與T1導通時一致。這樣，T1和T2在一個工頻周波內輪流導通，構成全波整流，二極管D起續流作用，保證晶閘管在相應的正向電壓過零時能夠順利關斷。改變T1和T2的導通角，便可改變被控電流的大小，從而改變鐵芯的飽和度。平滑地調節可控電抗器容量［6］。實現電抗器無功容量輸出從空載容量到額定容量之間的無級連續調節。

對照組患者給予常規護理。研究組患者在常規護理的基礎上給予優質護理,主要分為術前護理、術中護理及術后護理三個階段[1~2]。(1)術前護理:監測血壓、血糖,評估耐受性,講解手術流程與注意事項,緩解患者焦慮情緒,增強信任度;(2)術中護理:器械準備,注重隱私保護,密切注意生命體征,術中注意突發狀況的及時處理;(3)術后護理:護理人員在病員進入病房后做好交接,著重觀察生命體征變化與并發癥的發生。患者蘇醒后將手術具體情況告知患者,消除患者負面情緒。給予疼痛護理,對患者進行正確體位指導,按時查看手術切口,提升整體護理效果,避免感染發生。

圖1 磁閥式可控電抗器

3.2 基本補償段電抗量的實現

通過磁閥式可控電抗器的工作原理可知，電抗量的大小是調節可控硅管T1和T2的導通角，便可改變被控電流的大小，從而改變鐵芯的飽和度，平滑地調節可控電抗器容量。實現電抗器無功容量輸出從空載容量到額定容量之間的無級連續調節。基本補償段的實現思路就是令可控硅T2不受控制器控制，采用自觸發方式，自行保持導通狀態?；狙a償段補償量的大小取決于可控硅T2提供的直流電流產生的磁感應強度，這個直流磁感應強度與基本補償量的關系如式（1）。

式中Bs為鐵芯飽和磁密；B d為直流磁感應強度。

式中直流磁感應強度B d的大小與可控硅T2兩端抽頭比δ2為線性正比關系。在設計制造時先按照普通磁控電抗器計算出抽頭比δ，然后根據基本補償量占額定補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 可調補償段電抗量的實現

當電抗器投入運行后可控硅T2自觸發導通，根據設定值通過電流產生磁感應強度實現基本補償，基本補償段能夠滿足運行參數的要求時可控硅T1在關閉狀態，當系統容性負荷增加基本補償段不能滿足運行參數的要求時，控制器發出指命觸發可控硅T1，可控硅開啟角度的大小由控制器根據運行參數計算結果決定。這樣就完成可調補償段的補償。

4 運行效果

2011－03－25 石家莊供電段在京九線饒陽配電室自閉母線段上，安裝10 k V、70 kvar三相固、調磁閥式可控電抗器無功補償裝置一套。設備投入運行后，筆者對投入前后的無功情況、諧波含量、補償效果進行了測試。

4.1 諧波含量測試儀

4.1.1 自閉饋出投入運行，電抗器退出運行諧波測試

測試時系統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 自閉饋出投入運行，電抗器投入運行諧波測試

測試時系統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 諧波測試結論

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

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

從以上數據看出，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《電能質量 公用電網諧波》標準允許的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標準允許的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］。說明電抗器向電網注入的電壓、電流諧波都遠遠低于標準要求。

4.2 功率因數補償效果

從測試數據看投入自閉饋出線路，電抗器未投運時，電流為2.34 A，cosφ＝0.76，此時有功電流i P＝2.34×0.76＝1.78 A；投運電抗器并投入自閉饋出，電流為1.691 A，cosφ＝0.998，說明補償效果明顯。

2010、2011 年同期6，7，8月份無功功率對比，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，補償效果非常明顯。

4.3 固、調磁閥式可控電抗器運行溫升測試

表1 饒陽配電室磁控電抗器測溫記錄

從表1測試情況可以看出，運行溫度小于設計溫度，滿足設計要求。

4.4 設備噪聲測試情況

2011－09－09 在饒陽配電室對安裝的固、調磁閥式可控電抗器噪聲進行了測試，測試距離1 m，直測噪聲68 d B，考慮背景噪聲，計算噪聲63 d B，滿足設計要求。

5 結束語

新型固調式磁控電抗器經過上線運行，補償效果明顯，運行可靠。通過對設備運行后測試情況看，系統諧波含量、設備運行溫升、設備所產生的噪聲、功率因數等都達到了設計指標，是鐵路自閉、貫通電力線路無功補償較為理想的設備。

［1］TB 10008－2006.鐵路電力設計規范［S］.北京：中國鐵道岀版社，2007.

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

［3］粟時平，劉桂英.靜止無功功率補償技術［M］.北京：中國電力岀版社，2006.

［4］深圳前瞻商業資訊有限公司.中國無功補償裝置彷業產銷需求與投資預測分析報告［上］［R］.2010.

［5］河北省科學技術情報研究院 新型固調式磁控電抗器［R］.2011.

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

［7］GB／T14549－93.電能質量、公用電網諧波［S］.北京：中國標準出版社，1994.