单相组合式同相供电装置中性点电位漂移影响

王 卓，赵晴晴，蔡雨昌，吕 忠

单相组合式同相供电装置中性点电位漂移影响

王 卓，赵晴晴，蔡雨昌，吕 忠

通过分析同相补偿装置运行方式对中性点电位漂移的影响，提出了减弱单相组合式同相供电装置中性点电位漂移的建议。

同相供电；中性点；负序；牵引变电所

0 引言

近年来，国内高速铁路快速发展，在国家资源配置中起到了重要作用[1]。但由于国内采取单相工频交流制供电模式，会随之产生负序、无功、谐波等电能质量问题[2]。随着交直交电力机车的投入使用，无功和谐波问题已经得到了极大的改善，但负序问题一直困扰着铁路部门[3]。同相供电装置利用特殊的变压器接线及相应的电力电子装置，成功实现三相到单相平衡变换。可以最大限度地减弱电力机车运行时对电网产生的负序影响，甚至取消电分相，使高速及重载列车更加高效率的运行。

单相组合式同相补偿装置由于变压器无法将中性点直接接地。因此当同相补偿装置中有功率通过时，会造成变压器中性点电位偏移，使供电电压的幅值与相角发生变化，从而影响供电质量及负序补偿效率。

本文通过对同相补偿装置运行情况进行分析，建立同相补偿装置的数学模型，在实测负荷的情况下，对负序完全补偿情况下造成的中性点电位偏移量进行仿真分析，从而对同相补偿装置的中性点电位偏移量进行研究。

1 单相组合式同相供电

单相组合式同相供电方案如图1所示。

图1 单相组合式同相供电方案示意图

单相组合式同相供电变电所由主变压器TT、同相补偿装置CPD组成，其中同相补偿装置CPD包括高压匹配变压器HMT、交直交变流器ADA、牵引匹配变压器TMT及交流电抗器L等。

单相组合式同相供电方案相对于以前的装置，通过改进变压器的接线使高压匹配变压器HMT与主变压器TT两者形成平衡变压器。交直交变流器由此前在平衡变压器两臂之间传递功率变为通过交直交变流器直接分担主变压器的负荷，使得在正常负荷情况下通过主变压器的功率减少，且同相补偿装置提供的功率可以减少通过主变压器的负序功率。

由图1所示，主变压器与高压匹配变压器组成的平衡变压器中，中性点是没有直接接地的。因为如果将中性点直接接地会在系统中产生零序电流，对继电保护产生不良影响。因此当同相补偿装置进行负序补偿时，随着负序补偿量的增加，通过同相补偿装置的功率会变大，且中性点电位的偏移量也变大。同性补偿装置可按以下2种方式运行[4]：

（1）方式1。同相补偿装置使用热备用的形式，当负荷功率引起的三相不平衡度符合国标要求时，由牵引变压器承担全部负荷；负荷功率引起三相不平衡度超标时，同相补偿装置补偿负荷功率与负序允许功率差值的1/2，使三相不平衡度满足国标要求。

（2）方式2。同相补偿装置持续运行，当负荷功率小于等于同相补偿装置容量2倍时，同相补偿装置分担牵引变压器一半的负荷功率；当负荷功率大于同相补偿装置容量2倍时，同相补偿装置按照额定容量补偿，其余负荷功率由牵引变压器提供。此时会产生剩余负序功率，但符合国标要求。

2 中性点电位计算模型

由图1可知，主变压器与高压匹配变压器共同组成一个Scott变压器。主变压器与高压匹配变压器组成的Scott变压器的中性点应该位于主变压器绕组的2/3处[5]。

当牵引变电所中不需要进行负序补偿时，同相补偿装置中没有功率通过，此时相当于主变压器自身运行。主变压器的电流如图2所示。

图2 主变压器单独运行时的电流分布示意图

图2对应的相量图如图3所示。

图3中，由于主变压器中漏抗的存在，当有负荷电流通过主变压器时，在CD、DB绕组中产生的压降分别为UCC′、UBB′。EB′C′为BC绕组中主磁通对应的感应电动势。但是由于C、B的电位是由电网提供的，电位相对固定，而中性点电位也不发生改变，因此当主变压器单独运行时中性点电位不发生漂移。

图3 主变压器单独运行时相量图

当同相补偿装置运行时，假设主变压器及高压匹配变压器绕组漏抗均匀分布，负荷电流为IA，则相量图如图4所示。

图4 同相补偿装置有负荷电流通过时的相量图

UAA1表示高压匹配变压器的漏抗引起的压降，A2在UAA1的2/3处，过A2作A1D′的平行线与AD′的交点O′即为中性点电位。中性点电位的偏移量为UOO′。可以证明UOO′= (2/3)UDD′。如图4所示，造成中性点漂移的主要原因是主变压器两半线圈的分流电抗。由磁势平衡关系，分流电抗的计算可以按照一般双线圈的单相变压器的计算方法。

3 中性点电位漂移仿真分析

某牵引变电所一天的负荷过程如图5所示。

图5 某牵引变电所一天负荷过程示意图

采用如下方法设计单相组合式牵引变电所[4]。若短路容量为sd，三相电压不平衡度限值为uε%，通过牵引变压器的功率为sT，通过同相补偿装置的功率为sC，系统允许的负序功率为sε，负荷过程提取的最大值为s，则

根据牵引变压器的过负荷倍数确定安装容量，这里牵引变压器取过负荷倍数kT= 1.75，不考虑同相补偿装置过负荷能力。假设该牵引变电所的短路容量为500 MV·A，则该牵引变电所的负序功率允许值为10 MV·A，牵引变压器容量为10 MV·A。同相补偿装置采用方式1进行补偿，此时造成的中性点电位漂移量的瞬时数据如图6所示。

图6 方式I单相组合式同相补偿装置造成的中性点电位漂移量曲线图

同相补偿装置采用方式2进行补偿时的中性点电位漂移量如图7所示。

图7 方式2单相组合式同相补偿装置造成的中性点电位漂移量曲线图

由图6、图7可以看出，牵引负荷需要的负序补偿量越大，则造成中性点漂移越严重。减弱中性点电位漂移的方法一个是增加底座绕组的电磁耦合程度，减少分流阻抗。另外一个是通过改变同相补偿装置的运行方式，由同相补偿装置持续运行转换为热备用方式。热备用形式下，中性点电位漂移的密度显著减弱，在大部分情况下中性点电位不发生漂移。在保证负序补偿的前提下，尽量减少同相补偿装置的负荷通过量，以此减弱中性点电位漂移量。

4 结论

本文通过对单相组合式同相供电装置中性点电位漂移原理分析，结合既有线牵引变电所负荷过程，对单相组合式同相供电装置中性点电位漂移进行了仿真分析。得出以下结论：

（1）单相组合式同相供电装置中性点电位漂移主要是由通过同相补偿装置的负荷造成的。

（2）中性点电位漂移会使变压器二次侧电压波形产生畸变，从而对同相补偿装置负序的补偿效率产生影响。

（3）通过改变同相补偿装置运行方式可以减弱中性点电位漂移。

[1] 李群湛. 我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题[J]. 铁道学报，2010，32（4）：119-124.

[2] 李群湛，贺建闽. 牵引供电系统分析[M]. 成都：西南交通大学出版社，2012：155-158.

[3] 陈民武，宫衍圣，李群湛，等. 电气化铁路电能质量评估及新型控制方案研究[J]. 电力系统保护与控制，2012，40（16）：141-147.

[4] 李群湛. 论新一代牵引供电系统及其关键技术[J]. 西南交通大学学报，2014，（4）：559-568.

[5] 吴命利，范瑜，辛成山. Scott 接线牵引变压器运行特性与等值模型研究[J]. 电工技术学报，2003，18（4）：75-80.

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.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生，电话：18606350057；赵晴晴，蔡雨昌，吕 忠.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生。