功率平衡装置提高变压器容量利用率的工程应用研究

沈 菊，李汉卿

0 引言

某重载铁路枢纽车站的一座既有牵引变电所近年来发生多次牵引变压器过负荷保护报警和动作，所内开关跳闸，造成线路停电，影响了正常的运输秩序。对该所的牵引变压器进行更新改造，但由于该所的地方110 kV电源容量相对较小，导致牵引变压器的过负荷定值设置受到限制。

本文将对功率平衡装置在提高既有牵引变压器容量利用率及改善电能质量、解决过负荷问题方面进行工程应用分析。

1 既有牵引变压器过负荷跳闸分析

1.1 过负荷情况

该既有牵引变电所的牵引变压器于2019年12月投运，采用110/2×27.5 kV Scott接线型式，安装容量为75 MV·A，T座和M座绕组等容设置。牵引变压器过负荷保护整定为1.7倍60 s告警、90 s动作，对应的过负荷电流设置为656 A。

2020年1月4日、5月30日、6月16日该所110 kV侧A相出现过负荷告警和跳闸。其中，5月30日2#B高压侧A相过负荷Ⅰ段出现告警，此时电流709.73 A，过负荷倍数1.801；同日2#B高压侧A相过负荷Ⅱ段出现跳闸，此时电流710.77 A，过负荷倍数1.804。

1.2 过负荷跳闸原因分析

牵引变电所内牵引变压器T座、M座绕组分别为运行于左右2个供电臂内的电力机车供电。虽然牵引变压器采用了Scott接线型式，但由于左右供电臂的牵引负荷大小不等，形成了重负荷供电臂和轻负荷供电臂，造成牵引变压器T座、M座的出力不同，反映到牵引变压器110 kV侧出现三相电流不平衡，并导致某一相出现电流尖峰以及较大的负序电流。

电气化铁路牵引负荷为单相冲击性负荷，供电臂范围内多列重载列车牵引电流叠加产生短时冲击性牵引负荷以及电流不平衡，造成了牵引变压器的T座和M座绕组容量不能被充分利用，从而引起牵引变压器过负荷告警和跳闸。

2 功率平衡装置的工作原理及容量配置

2.1 工作原理

功率平衡装置的主要功能是提高牵引变压器容量利用率，有效抑制110 kV侧电流不平衡，降低其电流最大值，主要工作原理示意见图1。

图1 功率平衡装置工作原理

功率平衡装置设置在牵引变压器的2个低压绕组之间。当牵引变压器M座绕组为重负荷供电臂供电，有功电流（Im）大于T座绕组有功电流（It）时，功率平衡装置会按照预先设置的控制策略将M座绕组的一部分有功电流（Ip）传输到T座绕组，降低M座绕组的输出电流，增大此时刻轻负荷侧T座绕组的输出电流，从而有效减小牵引变压器M座对应的110 kV侧电流，适当增大牵引变压器T座对应的110 kV侧电流，达到牵引变压器110 kV侧整体过负荷情况有效改善的目的。

同理，当牵引变压器T座绕组为重负荷供电臂供电，有功电流（It）大于M座绕组有功电流（Im）时，功率平衡装置按照预先设置的控制策略将T座绕组的一部分有功电流（Ip）传输到M座绕组，降低T座绕组的输出电流，增大此时刻轻负荷侧M座绕组的输出电流，从而有效减小牵引变压器T座对应的110 kV侧电流，适当增大牵引变压器M座对应的110 kV侧电流。

2.2 容量配置

结合既有牵引变电所的现场测试和仿真结果，分别在牵引变压器M座和T座之间安装12、24、36 MV·A 3种容量的功率平衡装置进行仿真。安装容量为12 MV·A时，功率平衡装置投入后的三相电流最大值降低了约112 A；安装容量为24 MV·A时，功率平衡装置投入后的三相电流最大值降低了约191 A；安装容量为36 MV·A时，功率平衡装置投入后的三相电流最大值降低了约200 A。可见，功率平衡装置安装容量按24 MV·A设置对110 kV侧电流平衡效果及性价比最好。但综合考虑既有所现场条件及目前工程的可实施性、经济性，先期安装容量按12 MV·A配置，并进行工程实施验证。

3 功率平衡装置接入系统仿真分析

结合既有牵引变电所的测试结果，利用Matlab软件平台按装置容量12 MV·A进行运行效果仿真，仿真结果如图2所示。

图2 仿真结果

由图2可以看出：功率平衡装置投入后，牵引变压器M座的电流降低约174 A，T座的电流降低约193 A，110 kV侧三相电流最大值降低约112 A；平衡装置投入后，可以有效抑制110 kV电流不平衡及110 kV侧负序电流。

4 功率平衡装置工程实施方案建议

4.1 装置接入方案

设置一组功率平衡装置，在直流侧并联构成背靠背拓扑结构。功率平衡装置的两侧通过开关设备接至牵引变压器T座和M座2×27.5 kV母线。功率平衡装置在2×27.5 kV侧设置独立馈线，馈线侧设置电流互感器用于测量和保护，设置避雷器用于过电压保护。装置接入建议方案见图3。

图3 功率平衡装置接入建议方案

4.2 设备平面布置方案

功率平衡装置设置在既有牵引变电所内，设备选型应尽量小型化、集成化、施工便利化，适应既有所布局，其中功率单元和控制单元安装在室内，其他部分布置在室外。

4.3 控制保护设置

功率平衡装置内部设置有过压、失压、过流等本体保护，其所在的外部馈线设置有电流速断保护、过电流保护。馈线保护与装置本体保护进行接口配合，需要时可联跳馈线侧开关。

4.4 主要设备技术参数

功率平衡装置容量选择应充分结合变压器两供电臂的牵引负荷功率平衡需求确定。结合上述分析和仿真验证，用于该既有牵引变电所的功率平衡装置主要技术参数建议如表1所示。

表1 主要技术参数建议

5 结语

电气化铁路牵引变电所负担的左右供电臂牵引负荷大小不等，重负荷供电臂和轻负荷供电臂会造成牵引变压器的2个低压绕组供电不平衡，严重时还会出现过负荷情况。在2个低压绕组间设置功率平衡装置，将重载侧有功功率向轻载侧转移，使2个绕组的负荷趋近相等，有功功率也趋近于平衡，可实现既有牵引变压器安装容量的充分利用，有效改善电能质量，解决牵引变压器过负荷问题，具有较高的工程应用推广价值。