过零投切型动态无功补偿装置的应用

孙禹文

过零投切型动态无功补偿装置的应用

孙禹文

通过对电气化铁道牵引变电所中动态无功补偿装置的分析和比选，分析计算动态无功补偿装置的主要技术参数，在石太线阳太段牵引变电所改造工程中采用过零投切型MCR动态无功补偿装置，取得了良好的运行效果。

动态无功补偿；过零投切；分析

0 引言

2012年石太线（太原铁路局管内）牵引变电所改造工程开始实施，牵引变电所动态无功补偿装置的选用及主要技术参数的确定成为该项工程的技术关键，太原铁路局供电处及设计院的相关人员进行了认真分析研究，确定采用过零投切型MCR动态无功补偿装置作为牵引变电所的无功补偿装置，并通过分析计算确定了该装置的主要技术参数。该装置投运后，运行状态稳定，效果良好。

1 牵引变电所动态无功补偿装置选用分析

1.1 牵引变电所常用的动态无功补偿装置

1.1.1 TCR型SVC

TCR型静止无功补偿装置（下文简称SVC）即晶闸管相控电抗器型 SVC。基波相移无功功率固定补偿、高次谐波电流滤波功能由FC实现，TCR相控电抗器作为基波相移无功功率校正。

运行中存在的主要问题：晶闸管串全压相控电抗器，工作可靠性低；运行有功损耗大，谐波电流大；投入有涌流冲击，切除产生过电压；运行安全可靠性差。

1.1.2 自耦调压型SVC

自耦调压型SVC由自耦有载调压器、基波相移无功功率固定补偿滤波支路构成。自耦有载调压器在计算机测控系统控制下，改变FC支路两端电压来动态补偿装置对基波相移无功功率的需求。

该装置具有明显的优点，即：可做到投入无涌流冲击，切除不产生过电压；有功损耗小；运行不产生谐波电流；运行可靠性高。

但该装置在运行中存在的主要问题是有载调压装置的响应速度和动作次数满足不了电力牵引负荷急剧频繁变化的要求。

1.1.3 SVG+FC

SVG+FC装置，FC容量配置以满足高次谐波电流滤波功能要求，SVG的容量配置与FC所发的基波相移感性无功功率相当。

FC实现基波相移感性无功功率固定补偿、高次谐波电流滤波功能。在有机车时，SVG与FC共同承担基波相移感性无功功率补偿。在无机车时，SVG补偿FC所发出的基波相移感性无功功率。

SVG+FC装置在铁道电气化牵引变电所基波相移无功功率补偿和高次谐波电流滤波应用领域是一项有前景的方案，但目前SVG性能受开关元器件性能限制，运行中故障率高，可靠性差，有功损耗大。

1.1.4 直接电压型SVC

直接电压型SVC是由自耦均压变压器、无功功率动态补偿滤波支路、无功功率固定补偿滤波支路、高压容性交流晶闸管开关和计算机测控系统构成。自耦均压变压器将27.5 kV母线电压均分成适合高压容性交流晶闸管开关工作电压范围，无功功率动态补偿滤波支路主要是实现基波相移无功功率动态补偿，对高次谐波电流滤波功能十分有限。无功功率固定补偿滤波支路主要功能是高次谐波电流滤波，基本不发基波相移无功功率，所以无功功率固定补偿滤波支路容量配置大。

直接电压型SVC的优点是运行可靠性高，运行有功功率损耗小，运行中装置本身不产生高次谐波电流，基波相移无功功率补偿响应速度快，功率因数补偿、电压调整效果明显，投入无涌流冲击，切除无过电压现象。该装置存在问题是考虑高次谐波电流滤波，需要配置容量大所，需要的晶闸管开关数量较多，相对故障概率较高，且必须安装在室内，模块化结构较复杂。

1.1.5 MCR型SVC

MCR型SVC即磁控电抗器型SVC，与TCR型SVC相比较，只是用磁控电抗器MCR取代晶闸管相控电抗器 TCR。由于磁控电抗器励磁功率是从主绕组抽取出的一个低电压，晶闸管不需要串联工作，晶闸管工作电压低，所以MCR装置工作可靠性大大增强。其它性能指标与TCR型SVC基本相当。

1.1.6 MCRV型SVC

MCRV型SVC是MCR型SVC改进型，是在MCR型SVC的基础上增加了自耦调压部分，将原MCR支路、FC支路由27.5 kV母线接于自耦调压器的输出端。MCRV型SVC具有自耦调压型SVC和MCR型SVC的所有优点，同时还摒弃了它们的不足。

该装置主要运行性能：运行安全、可靠；可做到零电压零电流投入，即投入无涌流冲击；零电压零电流切除，即切除不产生过电压现象；在基波相移无功功率补偿范围内，动态功率因数可补偿到0.98～1.0；平均功率因数补偿可在0.95～1.0间选择；自耦调压装置与MCR组成协调控制。自耦调压装置控制基波相移无功功率补偿范围和功率因数补偿指标；MCR控制基波相移无功功率补偿的响应速度，使装置处于安全、可靠、经济状态运行。

1.2 牵引变电所动态无功补偿装置的选用分析

（1）动态无功补偿装置运行可靠性分析比选。

太原铁路局管辖范围已投入运行的动态无功补偿装置的运行情况综合分析如下：

a.TCR型SVC，主要存在晶闸管发热较为严重现象，存在安全隐患。

b.SVG+FC，该装置发生过较为严重的故障。

c.自耦调压型SVC，调节速度慢，故障率较高，不能完全满足运行要求。

d.直接电压型 SVC内部晶闸管开关数量较多，故障概率相对较高，且装置占地较大，石太线（太原铁路局管内）牵引变电所既有场地不能完全满足占地要求。

e.MCR型SVC在阳曲牵引变电所投入运行3年多，未发生故障，平均功率因数达到0.9以上，能够满足运行要求。

综上所述，MCR型SVC运行稳定，能够满足牵引供电运行要求。

（2）动态无功补偿装置可能对牵引供电系统产生的影响分析。

MCR型SVC典型电路图如图1所示。

图1 MCR型SVC典型电路图

从图1可以看出，当MCR型SVC投入27.5 kV牵引供电系统时，其暂态过程会产生合闸涌流，合闸涌流由FC支路合闸涌流和MCR磁控电抗器励磁涌流2部分组成，当MCR型SVC从27.5 kV牵引供电系统切除时，会产生操作过电压，最大操作过电压为9～11倍额定电压。

FC支路在投入运行时，其暂态过程中，电容元件相当于短路，其FC支路仅有电抗器的感抗，当FC支路的补偿比为0.12时，暂态过程中，FC支路总阻抗为其额定阻抗的 0.13倍，其基波涌流为其额定工作电流的 7.33倍。以安装容量 S = 8 000 kvar为例，合闸涌流分析计算如下：

a.FC支路基波涌流计算。

电容器的额定电压为Ue= 42 kV，

FC支路的补偿比α = 0.12

电抗器的感抗XL= α×Xc= 26.4 Ω

FC支路额定工作电流Igz_e= 27 500 / (Xc− XL) = 141.68 A

FC 支路基波合闸涌流 I_hz= 7.33×Igz_e= 1 038.5 A

b.磁控电抗器合闸涌流计算。

MCR磁控电抗器的容量为FC支路的实发容量Ssk：

MCR磁控电抗器的额定电流为

磁控电抗器合闸涌流一般为其额定电流的9～11倍，按10倍计算，

c.MCR型SVC合闸涌流为FC支路合闸涌流与磁控电抗器合闸涌流的叠加，约为2 285 A。

由此可以看出，大容量MCR型SVC的合闸涌流比较大，石太线太原铁路局管内各牵引变电所重负荷臂的补偿容量均在10 000 kvar以上，合闸涌流会对牵引变电设备造成安全危害，必须采取措施消除合闸涌流。

2 方案制定及主要技术参数的确定

2.1 MCRV型SVC的设计方案

MCRV型SVC由磁控电抗器（MCR）、自耦电压调节器（ZVT）、磁控电抗器（MCR）及 FC支路组成。其中：MCR其基波感性电流平衡 FC支路的基波容性电流，实现磁控电压型SVC对牵引负荷的动态补偿。ZVT由自耦变压器和真空有载分接开关VMD组成，实现FC零电压零电流投入，零电压零电流切除。典型电路图如图2所示。

MCR采用4绕组结构，节省铁心材料，降低铁损，通过每个绕组的电流较2绕组的减少50%，使铁心磁保护裕度增加，减少高次谐波的产生。

VMD真空有载分接开关采用过渡电阻分级切换，避免了由于开关切换造成的暂态过程。

图2 MCRV型SVC典型电路图

2.2 MCRV型SVC的设计方案改进

MCRV型SVC在榆次牵引变电所试运行时，发现无功补偿装置投入时，牵引变压器响声很大，说明牵引变压器受到较大电流的冲击，分析如下：

榆次牵引变电所 B相补偿安装容量 S = 16 800 kvar，MCR的容量为FC支路的实发容量Ssk：

MCR的额定电流为

磁控电抗器合闸涌流一般为其额定电流的9～11倍，按10倍计算，

由此看出，该装置投入运行时，虽然FC支路是过零投切，但磁控电抗器是全压投切，产生较大的冲击涌流，牵引变压器存在较大的安全隐患。

故此，对MCRV型SVC的接线进行改进，将磁控电抗器也改为过零投切，电路图如图3所示，改进后，经过6个月的运行未发生投切冲击现象。

2.3 主要参数的确定

（1）动态无功补偿计算容量的确定。

式中，Qx为无功补偿计算容量，kvar；cosϕ1为补偿前电源侧功率因数，按0.79计算；cosϕ2为补偿后电源侧功率因数标准值，按0.9计算；PL为供电臂95%概率最大电流计算的功率，kW。

计算结果与实测值进行比较，经过修订后最终确定无功补偿容量。

图3 改进后的MCRV型SVC接线图

（2）电容器组标称额定电压。按4组电容串联计算，应大于27.5 kV母线最高电压29 kV，考虑到串联电抗器的转移电压，按最大补偿比 0.16计算，电容器组的额定电压应大于 29 / 0.84 = 34.5 kV，每组电容器标称额定电压按10.5 kV计算，电容器组标称额定电压为42 kV。

（3）磁控电抗器安装容量。即为 FC支路的实发容量Ssk= S×(27.52/Ue2)，S为FC支路安装容量，kvar。

（4）自耦电压调节器传导容量。即为 FC支路的实发容量Ssk= S×(27.52/Ue2)，kvar。

（5）真空有载分接开关分级数量自耦电压调节器。其分级数量为11级，自耦电压调节器每级电压2.5 kV。

（6）FC设2个支路，补偿功率因数的同时兼做3次、5次滤波，以消减牵引负荷中的主要谐波3次、5次谐波。3次谐波滤波支路串联电抗器的感抗XL与电容器容抗Xc之比大于0.11，5次谐波滤波支路串联电抗器的感抗XL与电容器容抗Xc之比大于0.04，3次、5次滤波支路的串联电抗器分别设2个抽头，为3次、5次谐波谐振点的1.03、1.08倍。

3 运行效果

MCRV型SVC于2014年7月在太原铁路局榆次牵引变电所投入运行，日平均功率因数由原来的0.83上升到0.95，母线最低电压由原来的22.3 kV提高到23.5 kV，27.5 kV母线侧3次谐波由原来最大228.91 A降低至57.04 A，27.5 kV母线侧5次谐波由原来最大81.46 A降低至16.26 A，磁控电抗器、自耦电压调节器、串联电抗器温度正常，无过热现象，整个装置运行正常，未发生任何故障，实现了改造目的。

On basis of analysis and comparison of dynamic reactive power compensation device for traction substation of electrified railway, analyzes and calculates main technical parameters of dynamic reactive power compensation device; and the zero-crossing switching MCR dynamic reactive power compensation device applied in reconstruction of traction substation on Yangtai section of Shijiazhuang-Taiyuan railway has obtained good operation effect.

Dynamic reactive power compensation; zero-crossing switching; analysis

U223.5+3

：B

：1007-936X(2015)03-0011-04

2015-03-24

孙禹文.太原铁路局供电处，高级工程师，电话：13703523488。