功率平衡裝置提高變壓器容量利用率的工程應用研究

沈 菊，李漢卿

0 引言

某重載鐵路樞紐車站的一座既有牽引變電所近年來發生多次牽引變壓器過負荷保護報警和動作，所內開關跳閘，造成線路停電，影響了正常的運輸秩序。對該所的牽引變壓器進行更新改造，但由于該所的地方110 kV電源容量相對較小，導致牽引變壓器的過負荷定值設置受到限制。

本文將對功率平衡裝置在提高既有牽引變壓器容量利用率及改善電能質量、解決過負荷問題方面進行工程應用分析。

1 既有牽引變壓器過負荷跳閘分析

1.1 過負荷情況

該既有牽引變電所的牽引變壓器于2019年12月投運，采用110/2×27.5 kV Scott接線型式，安裝容量為75 MV·A，T座和M座繞組等容設置。牽引變壓器過負荷保護整定為1.7倍60 s告警、90 s動作，對應的過負荷電流設置為656 A。

2020年1月4日、5月30日、6月16日該所110 kV側A相出現過負荷告警和跳閘。其中，5月30日2#B高壓側A相過負荷Ⅰ段出現告警，此時電流709.73 A，過負荷倍數1.801；同日2#B高壓側A相過負荷Ⅱ段出現跳閘，此時電流710.77 A，過負荷倍數1.804。

1.2 過負荷跳閘原因分析

牽引變電所內牽引變壓器T座、M座繞組分別為運行于左右2個供電臂內的電力機車供電。雖然牽引變壓器采用了Scott接線型式，但由于左右供電臂的牽引負荷大小不等，形成了重負荷供電臂和輕負荷供電臂，造成牽引變壓器T座、M座的出力不同，反映到牽引變壓器110 kV側出現三相電流不平衡，并導致某一相出現電流尖峰以及較大的負序電流。

電氣化鐵路牽引負荷為單相沖擊性負荷，供電臂范圍內多列重載列車牽引電流疊加產生短時沖擊性牽引負荷以及電流不平衡，造成了牽引變壓器的T座和M座繞組容量不能被充分利用，從而引起牽引變壓器過負荷告警和跳閘。

2 功率平衡裝置的工作原理及容量配置

2.1 工作原理

功率平衡裝置的主要功能是提高牽引變壓器容量利用率，有效抑制110 kV側電流不平衡，降低其電流最大值，主要工作原理示意見圖1。

圖1 功率平衡裝置工作原理

功率平衡裝置設置在牽引變壓器的2個低壓繞組之間。當牽引變壓器M座繞組為重負荷供電臂供電，有功電流（Im）大于T座繞組有功電流（It）時，功率平衡裝置會按照預先設置的控制策略將M座繞組的一部分有功電流（Ip）傳輸到T座繞組，降低M座繞組的輸出電流，增大此時刻輕負荷側T座繞組的輸出電流，從而有效減小牽引變壓器M座對應的110 kV側電流，適當增大牽引變壓器T座對應的110 kV側電流，達到牽引變壓器110 kV側整體過負荷情況有效改善的目的。

同理，當牽引變壓器T座繞組為重負荷供電臂供電，有功電流（It）大于M座繞組有功電流（Im）時，功率平衡裝置按照預先設置的控制策略將T座繞組的一部分有功電流（Ip）傳輸到M座繞組，降低T座繞組的輸出電流，增大此時刻輕負荷側M座繞組的輸出電流，從而有效減小牽引變壓器T座對應的110 kV側電流，適當增大牽引變壓器M座對應的110 kV側電流。

2.2 容量配置

結合既有牽引變電所的現場測試和仿真結果，分別在牽引變壓器M座和T座之間安裝12、24、36 MV·A 3種容量的功率平衡裝置進行仿真。安裝容量為12 MV·A時，功率平衡裝置投入后的三相電流最大值降低了約112 A；安裝容量為24 MV·A時，功率平衡裝置投入后的三相電流最大值降低了約191 A；安裝容量為36 MV·A時，功率平衡裝置投入后的三相電流最大值降低了約200 A。可見，功率平衡裝置安裝容量按24 MV·A設置對110 kV側電流平衡效果及性價比最好。但綜合考慮既有所現場條件及目前工程的可實施性、經濟性，先期安裝容量按12 MV·A配置，并進行工程實施驗證。

3 功率平衡裝置接入系統仿真分析

結合既有牽引變電所的測試結果，利用Matlab軟件平臺按裝置容量12 MV·A進行運行效果仿真，仿真結果如圖2所示。

圖2 仿真結果

由圖2可以看出：功率平衡裝置投入后，牽引變壓器M座的電流降低約174 A，T座的電流降低約193 A，110 kV側三相電流最大值降低約112 A；平衡裝置投入后，可以有效抑制110 kV電流不平衡及110 kV側負序電流。

4 功率平衡裝置工程實施方案建議

4.1 裝置接入方案

設置一組功率平衡裝置，在直流側并聯構成背靠背拓撲結構。功率平衡裝置的兩側通過開關設備接至牽引變壓器T座和M座2×27.5 kV母線。功率平衡裝置在2×27.5 kV側設置獨立饋線，饋線側設置電流互感器用于測量和保護，設置避雷器用于過電壓保護。裝置接入建議方案見圖3。

圖3 功率平衡裝置接入建議方案

4.2 設備平面布置方案

功率平衡裝置設置在既有牽引變電所內，設備選型應盡量小型化、集成化、施工便利化，適應既有所布局，其中功率單元和控制單元安裝在室內，其他部分布置在室外。

4.3 控制保護設置

功率平衡裝置內部設置有過壓、失壓、過流等本體保護，其所在的外部饋線設置有電流速斷保護、過電流保護。饋線保護與裝置本體保護進行接口配合，需要時可聯跳饋線側開關。

4.4 主要設備技術參數

功率平衡裝置容量選擇應充分結合變壓器兩供電臂的牽引負荷功率平衡需求確定。結合上述分析和仿真驗證，用于該既有牽引變電所的功率平衡裝置主要技術參數建議如表1所示。

表1 主要技術參數建議

5 結語

電氣化鐵路牽引變電所負擔的左右供電臂牽引負荷大小不等，重負荷供電臂和輕負荷供電臂會造成牽引變壓器的2個低壓繞組供電不平衡，嚴重時還會出現過負荷情況。在2個低壓繞組間設置功率平衡裝置，將重載側有功功率向輕載側轉移，使2個繞組的負荷趨近相等，有功功率也趨近于平衡，可實現既有牽引變壓器安裝容量的充分利用，有效改善電能質量，解決牽引變壓器過負荷問題，具有較高的工程應用推廣價值。