新型固调式磁控电抗器在铁路贯通电力线路中的应用

陈修延，戴 谦，韩冬竹

（

1 北京铁路局 供电处，北京100038； 2 北京铁路局 石家庄供电段，河北石家庄050000；3 河北省送变电公司，河北石家庄051130）

1 问题的提出

铁路电力设计规范规定，设置在铁路沿线，为自动闭塞电力线路和电力贯通线路供电的10 k V配电所之间的距离应根据电源分布情况和方便检修的原则确定，一般条件下宜为40～60 km，当受电源条件限制时，自动闭塞电力线路允许延长至70 km。40～60 km的供电臂带5～7个车站，每个车站供信号用的变压器容量在20～30 k VA，在供电线路为架空的情况下，一个供电臂10 k V侧输出电流在2～3 A。变电所的自闭、贯通母线段隔离变压器容量在200～315 k VA。

由于铁路自闭、贯通电力线路的感性负荷较少，线路基本呈容性状态。近年来由于环境的变化，自闭、贯通电力线路中的电缆比例在逐步上升，在高速铁路贯通电源设计中基本上采用了全电缆的自闭、贯通电力线路。10 k V电力电缆每千米电容电流1.0 A，架空线路每千米电容电流0.03 A［2］。电缆比例的提高，显著加大了供电系统的对地电容电流与相间电容电流。10 k V自闭、贯通电力线路大量采用高压电缆，在运行中会产生以下问题：一是铁路10 k V自闭、贯通电力线路目前采用的是中性点不接地运行方式，中性点不接地运行方式的优点是允许带单相接地故障运行2 h，供电可靠性高，这种运行方式适用于电容电流小的线路。对于含有一定比例电缆的线路或全电缆线路，对地电容电流可能大到致使单相接地电弧不能熄灭的程度。在系统带单相接地故障运行时，电弧反复重燃或稳定燃烧，会导致瞬间接地故障发展到永久性接地，甚至扩大为相间短路接地。二是自闭、贯通电力线路呈容性线路负荷，这样会大量的从供电系统中吸收容性无功能量，使得功率因数过补。根据供用电规则，功率因数过补或欠补供电部门都要对用电单位进行经济处罚。因此，应在铁路自闭、贯通电力线路中采取无功补偿措施。

2 运行中补偿设备存在的问题

2.1 固定并联无功补偿方式

这种补偿方式结构简单造价低，但有两个问题。一是补偿量不能调节，会造成过补或欠补。二是固定电抗器在线路上安装时，只能用熔丝保护，一但熔丝熔断一相，在变电所会显示出单相接地报警信号，值班人员一般会按线路接地故障组织处理。这类故障如果没有经验处理起来很是麻烦。

2.2 SVG无功补偿方式

SVG是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行发生和吸收无功功率的无功功率动态补偿装置。SVG由交流环节和直流环节组成。交流环节与系统相连接，SVG将系统的交流电能经变流器转换成直流并保存在直流侧的储能器内，同时直流侧电压电流经过变流器变成交流电压电流输送到系统。由于SVG是采用自换相的变流器，它把变流器电路看成是一个产生基波和谐波电压的交流电压源，控制补偿器基波电压大小与相位，可改变基波无功电流的大小与相位。当变流器基波电压比交流电源电压高时，变流器就会产生一个超前无功电流。反之，当变流器基波电压比交流电源电压低时，则会产生一个滞后无功电流［3］。

根据上述原理从1980年日本研制出第一台20 Mvar的强迫自换相的桥式SVG之后，1991年和1994年日本和美国又相继研制出80 Mvar和100 Mvar的SVG。在1994年清华大学和河南省电力局立项共同研制中国第一台SVG，其容量为20 Mvar，1999年在洛阳投入运行开辟了中国研制SVG补偿设备的先河。目前，国内SVG市场正处于起步阶段，主要生产厂商有4家，在国内SVG尚未大规模普及。目前SVG只是在国家电网中，有几处试验性运行。在部分企业、铁路行业仅得到部分运用。在国家电网中没有推广运用［4］。

SVG补偿技术理论是很先进的，但它的功率模块是串联运行，在运行中一旦某一个功率模块发生问题，整个系统就要退岀运行。由于这类设备结构复杂没有生产厂家的专业技术人员是很难修复的。因此，每个模块的生产质量及确保每个电子器件的产品质量是很难控制的问题。石太客运专线配电所配备的动态无功补偿装置SVG共8套。这8套SVG设备自2009－04开通以来因功率模块故障及控制系统故障一直不能正常投入运行，故障频发不但造成功率因数无法完成，供电部门每月的巨额罚款，还因SVG不能投入运行先后烧毁了500 k VA隔离变圧器两台，还有400 k VA隔离变压器一台。严重威胁了石太客运专线的行车安全。

3 解决方法

针对目前所使用的固定并联电抗器在运行中的过、欠补及熔丝熔断后故障判断困难，SVG补偿装置在功率模块发生故障，整个系统都要退出运行的问题。2010年北京铁路局开始立项研制适合铁路10 k V自闭、贯通电力线路专用的无功补偿系统。经过调研提出了新型固调式磁控电抗器方案。在这个方案中要解决传统的磁阀式可控电抗器电抗量必须从零起调的问题。新型固调式磁控电抗器的创新点，是在磁阀式可控电抗器设计时，设置了基本补偿段和可调补偿段。基本补偿段不受控制器的控制，在电抗器送电后，基本补偿段投入运行。可调补偿段是在运行后根据运行需要由控制器调整可调补偿段进行补偿。实现了电抗器在控制装置出现故障时仍可实现一定量的补偿，从而避免因补偿设备在运行中出现故障而退出运行引发的系统故障［5］。

3.1 磁阀式可控电抗器的工作原理

磁阀式可控电抗器的主铁芯分裂为两半，见图1，面积各为Sb，长度为L－L1。不同的是每一半铁芯都具有一长度为L1的小截面，其面积为A b1，两个半铁芯柱上分别对称地绕有两个匝数为N／2的绕组，每一半铁芯柱的上下两绕组各有一抽头比为δ＝N2／N的抽头，它们之间接有可控硅T1（T2），不同铁芯的上下两个绕组交叉连接后，并联至电网电源，二极管D则横跨在交叉端点［6］。

当可控硅T1，T2均不导通时，由绕组结构的对称性可知，其与空载变压器作用相同。当电源电压处于正半波时，可控硅T1承受正向电压，T2承受反向电压。此时，若触发T1使之导通，电源通过变比为δ的“自耦变压器”，由匝数为N k的线圈向电路提供直流控制电压和电流。当T2在电源的负半波被触发导通时，同样也产生直流控制电压和电流，而且控制电流的方向与T1导通时一致。这样，T1和T2在一个工频周波内轮流导通，构成全波整流，二极管D起续流作用，保证晶闸管在相应的正向电压过零时能够顺利关断。改变T1和T2的导通角，便可改变被控电流的大小，从而改变铁芯的饱和度。平滑地调节可控电抗器容量［6］。实现电抗器无功容量输出从空载容量到额定容量之间的无级连续调节。

对照组患者给予常规护理。研究组患者在常规护理的基础上给予优质护理,主要分为术前护理、术中护理及术后护理三个阶段[1~2]。(1)术前护理:监测血压、血糖,评估耐受性,讲解手术流程与注意事项,缓解患者焦虑情绪,增强信任度;(2)术中护理:器械准备,注重隐私保护,密切注意生命体征,术中注意突发状况的及时处理;(3)术后护理:护理人员在病员进入病房后做好交接,着重观察生命体征变化与并发症的发生。患者苏醒后将手术具体情况告知患者,消除患者负面情绪。给予疼痛护理,对患者进行正确体位指导,按时查看手术切口,提升整体护理效果,避免感染发生。

图1 磁阀式可控电抗器

3.2 基本补偿段电抗量的实现

通过磁阀式可控电抗器的工作原理可知，电抗量的大小是调节可控硅管T1和T2的导通角，便可改变被控电流的大小，从而改变铁芯的饱和度，平滑地调节可控电抗器容量。实现电抗器无功容量输出从空载容量到额定容量之间的无级连续调节。基本补偿段的实现思路就是令可控硅T2不受控制器控制，采用自触发方式，自行保持导通状态。基本补偿段补偿量的大小取决于可控硅T2提供的直流电流产生的磁感应强度，这个直流磁感应强度与基本补偿量的关系如式（1）。

式中Bs为铁芯饱和磁密；B d为直流磁感应强度。

式中直流磁感应强度B d的大小与可控硅T2两端抽头比δ2为线性正比关系。在设计制造时先按照普通磁控电抗器计算出抽头比δ，然后根据基本补偿量占额定补偿量的比例得出可控硅T2两端抽头比δ2，T1两端的抽头比为2×δ与δ2的差值。

3.3 可调补偿段电抗量的实现

当电抗器投入运行后可控硅T2自触发导通，根据设定值通过电流产生磁感应强度实现基本补偿，基本补偿段能够满足运行参数的要求时可控硅T1在关闭状态，当系统容性负荷增加基本补偿段不能满足运行参数的要求时，控制器发出指命触发可控硅T1，可控硅开启角度的大小由控制器根据运行参数计算结果决定。这样就完成可调补偿段的补偿。

4 运行效果

2011－03－25 石家庄供电段在京九线饶阳配电室自闭母线段上，安装10 k V、70 kvar三相固、调磁阀式可控电抗器无功补偿装置一套。设备投入运行后，笔者对投入前后的无功情况、谐波含量、补偿效果进行了测试。

4.1 谐波含量测试仪

4.1.1 自闭馈出投入运行，电抗器退出运行谐波测试

测试时系统cosφ＝0.76、P＝ 33.2 k W、Q＝－28.4 kvar，各次电流谐波含量如图2所示；各次电压谐波含量如图3所示。

图2 电流谐波含量

图3 电压谐波含量

4.1.2 自闭馈出投入运行，电抗器投入运行谐波测试

测试时系统cosφ＝0.998、P＝29.4 k W、Q＝＋1.6 kvar，各次电流谐波含量如图4所示；各次电压谐波含量如图5所示。

图4 电流谐波含量

图5 电压谐波含量

4.1.3 谐波测试结论

分析测试参数，自闭馈出投入运行，电抗器退出运行，5次谐波电流在所测的60次谐波电流中最高为0.167 A，3次谐波电压在所测的60次谐波电压中最高为0.37%，总谐波畸变率0.70%。

自闭馈出投入运行，电抗器投入运行，5次谐波电流在所测的60次谐波电流中最高为0.155 A。3次谐波电压在所测的60次谐波电压中最高为0.49%，总谐波畸变率0.63%。

从以上数据看出，电抗器投入与否谐波含量没有大的变化，电流各次谐波含量都低于GB／T 14549－93《电能质量 公用电网谐波》标准允许的10 k V各次谐波电流允许值，电压各次谐波含量都低于GB／T 14549－93标准允许的10 k V电压各次谐波畸变率，偶次1.6%、奇次3.2%、总谐波畸变率4%［7］。说明电抗器向电网注入的电压、电流谐波都远远低于标准要求。

4.2 功率因数补偿效果

从测试数据看投入自闭馈出线路，电抗器未投运时，电流为2.34 A，cosφ＝0.76，此时有功电流i P＝2.34×0.76＝1.78 A；投运电抗器并投入自闭馈出，电流为1.691 A，cosφ＝0.998，说明补偿效果明显。

2010、2011 年同期6，7，8月份无功功率对比，2010年6月份无功功率为－32.76 kvar，7月份无功功率为－38.23 kvar，8月份无功功率为－28.64 kvar，2011年6月份无功功率为＋2.3 kvar，7月份无功功率为＋2.8 kvar，8月份无功功率为＋1.6 kvar，补偿效果非常明显。

4.3 固、调磁阀式可控电抗器运行温升测试

表1 饶阳配电室磁控电抗器测温记录

从表1测试情况可以看出，运行温度小于设计温度，满足设计要求。

4.4 设备噪声测试情况

2011－09－09 在饶阳配电室对安装的固、调磁阀式可控电抗器噪声进行了测试，测试距离1 m，直测噪声68 d B，考虑背景噪声，计算噪声63 d B，满足设计要求。

5 结束语

新型固调式磁控电抗器经过上线运行，补偿效果明显，运行可靠。通过对设备运行后测试情况看，系统谐波含量、设备运行温升、设备所产生的噪声、功率因数等都达到了设计指标，是铁路自闭、贯通电力线路无功补偿较为理想的设备。

［1］TB 10008－2006.铁路电力设计规范［S］.北京：中国铁道岀版社，2007.

［2］［苏］拉里昂诺夫主偏.高电压技术［M］.北京：水利电力出版社，1994.

［3］粟时平，刘桂英.静止无功功率补偿技术［M］.北京：中国电力岀版社，2006.

［4］深圳前瞻商业资讯有限公司.中国无功补偿装置彷业产销需求与投资预测分析报告［上］［R］.2010.

［5］河北省科学技术情报研究院 新型固调式磁控电抗器［R］.2011.

［6］陈柏超.新型可控饱和电抗器理论及应用［M］.武汉：武汉水利电力大学出版社，1999.

［7］GB／T14549－93.电能质量、公用电网谐波［S］.北京：中国标准出版社，1994.