功率平衡裝置提高變壓器容量利用率的工程應(yīng)用研究

沈 菊，李漢卿

0 引言

某重載鐵路樞紐車(chē)站的一座既有牽引變電所近年來(lái)發(fā)生多次牽引變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)報(bào)警和動(dòng)作，所內(nèi)開(kāi)關(guān)跳閘，造成線(xiàn)路停電，影響了正常的運(yùn)輸秩序。對(duì)該所的牽引變壓器進(jìn)行更新改造，但由于該所的地方110 kV電源容量相對(duì)較小，導(dǎo)致?tīng)恳儔浩鞯倪^(guò)負(fù)荷定值設(shè)置受到限制。

本文將對(duì)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(zhì)量、解決過(guò)負(fù)荷問(wèn)題方面進(jìn)行工程應(yīng)用分析。

1 既有牽引變壓器過(guò)負(fù)荷跳閘分析

1.1 過(guò)負(fù)荷情況

該既有牽引變電所的牽引變壓器于2019年12月投運(yùn)，采用110/2×27.5 kV Scott接線(xiàn)型式，安裝容量為75 MV·A，T座和M座繞組等容設(shè)置。牽引變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)整定為1.7倍60 s告警、90 s動(dòng)作，對(duì)應(yīng)的過(guò)負(fù)荷電流設(shè)置為656 A。

2020年1月4日、5月30日、6月16日該所110 kV側(cè)A相出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷告警和跳閘。其中，5月30日2#B高壓側(cè)A相過(guò)負(fù)荷Ⅰ段出現(xiàn)告警，此時(shí)電流709.73 A，過(guò)負(fù)荷倍數(shù)1.801；同日2#B高壓側(cè)A相過(guò)負(fù)荷Ⅱ段出現(xiàn)跳閘，此時(shí)電流710.77 A，過(guò)負(fù)荷倍數(shù)1.804。

1.2 過(guò)負(fù)荷跳閘原因分析

牽引變電所內(nèi)牽引變壓器T座、M座繞組分別為運(yùn)行于左右2個(gè)供電臂內(nèi)的電力機(jī)車(chē)供電。雖然牽引變壓器采用了Scott接線(xiàn)型式，但由于左右供電臂的牽引負(fù)荷大小不等，形成了重負(fù)荷供電臂和輕負(fù)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(cè)出現(xiàn)三相電流不平衡，并導(dǎo)致某一相出現(xiàn)電流尖峰以及較大的負(fù)序電流。

電氣化鐵路牽引負(fù)荷為單相沖擊性負(fù)荷，供電臂范圍內(nèi)多列重載列車(chē)牽引電流疊加產(chǎn)生短時(shí)沖擊性牽引負(fù)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(guò)負(fù)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(cè)電流不平衡，降低其電流最大值，主要工作原理示意見(jiàn)圖1。

圖1 功率平衡裝置工作原理

功率平衡裝置設(shè)置在牽引變壓器的2個(gè)低壓繞組之間。當(dāng)牽引變壓器M座繞組為重負(fù)荷供電臂供電，有功電流（Im）大于T座繞組有功電流（It）時(shí)，功率平衡裝置會(huì)按照預(yù)先設(shè)置的控制策略將M座繞組的一部分有功電流（Ip）傳輸?shù)絋座繞組，降低M座繞組的輸出電流，增大此時(shí)刻輕負(fù)荷側(cè)T座繞組的輸出電流，從而有效減小牽引變壓器M座對(duì)應(yīng)的110 kV側(cè)電流，適當(dāng)增大牽引變壓器T座對(duì)應(yīng)的110 kV側(cè)電流，達(dá)到牽引變壓器110 kV側(cè)整體過(guò)負(fù)荷情況有效改善的目的。

同理，當(dāng)牽引變壓器T座繞組為重負(fù)荷供電臂供電，有功電流（It）大于M座繞組有功電流（Im）時(shí)，功率平衡裝置按照預(yù)先設(shè)置的控制策略將T座繞組的一部分有功電流（Ip）傳輸?shù)組座繞組，降低T座繞組的輸出電流，增大此時(shí)刻輕負(fù)荷側(cè)M座繞組的輸出電流，從而有效減小牽引變壓器T座對(duì)應(yīng)的110 kV側(cè)電流，適當(dāng)增大牽引變壓器M座對(duì)應(yīng)的110 kV側(cè)電流。

2.2 容量配置

結(jié)合既有牽引變電所的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和仿真結(jié)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(jìn)行仿真。安裝容量為12 MV·A時(shí)，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(shí)，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(shí)，功率平衡裝置投入后的三相電流最大值降低了約200 A?？梢?jiàn)，功率平衡裝置安裝容量按24 MV·A設(shè)置對(duì)110 kV側(cè)電流平衡效果及性?xún)r(jià)比最好。但綜合考慮既有所現(xiàn)場(chǎng)條件及目前工程的可實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)性，先期安裝容量按12 MV·A配置，并進(jìn)行工程實(shí)施驗(yàn)證。

3 功率平衡裝置接入系統(tǒng)仿真分析

結(jié)合既有牽引變電所的測(cè)試結(jié)果，利用Matlab軟件平臺(tái)按裝置容量12 MV·A進(jìn)行運(yùn)行效果仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 仿真結(jié)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(cè)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(cè)負(fù)序電流。

4 功率平衡裝置工程實(shí)施方案建議

4.1 裝置接入方案

設(shè)置一組功率平衡裝置，在直流側(cè)并聯(lián)構(gòu)成背靠背拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。功率平衡裝置的兩側(cè)通過(guò)開(kāi)關(guān)設(shè)備接至牽引變壓器T座和M座2×27.5 kV母線(xiàn)。功率平衡裝置在2×27.5 kV側(cè)設(shè)置獨(dú)立饋線(xiàn)，饋線(xiàn)側(cè)設(shè)置電流互感器用于測(cè)量和保護(hù)，設(shè)置避雷器用于過(guò)電壓保護(hù)。裝置接入建議方案見(jiàn)圖3。

圖3 功率平衡裝置接入建議方案

4.2 設(shè)備平面布置方案

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

4.3 控制保護(hù)設(shè)置

功率平衡裝置內(nèi)部設(shè)置有過(guò)壓、失壓、過(guò)流等本體保護(hù)，其所在的外部饋線(xiàn)設(shè)置有電流速斷保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)。饋線(xiàn)保護(hù)與裝置本體保護(hù)進(jìn)行接口配合，需要時(shí)可聯(lián)跳饋線(xiàn)側(cè)開(kāi)關(guān)。

4.4 主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)

功率平衡裝置容量選擇應(yīng)充分結(jié)合變壓器兩供電臂的牽引負(fù)荷功率平衡需求確定。結(jié)合上述分析和仿真驗(yàn)證，用于該既有牽引變電所的功率平衡裝置主要技術(shù)參數(shù)建議如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)建議

5 結(jié)語(yǔ)

電氣化鐵路牽引變電所負(fù)擔(dān)的左右供電臂牽引負(fù)荷大小不等，重負(fù)荷供電臂和輕負(fù)荷供電臂會(huì)造成牽引變壓器的2個(gè)低壓繞組供電不平衡，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷情況。在2個(gè)低壓繞組間設(shè)置功率平衡裝置，將重載側(cè)有功功率向輕載側(cè)轉(zhuǎn)移，使2個(gè)繞組的負(fù)荷趨近相等，有功功率也趨近于平衡，可實(shí)現(xiàn)既有牽引變壓器安裝容量的充分利用，有效改善電能質(zhì)量，解決牽引變壓器過(guò)負(fù)荷問(wèn)題，具有較高的工程應(yīng)用推廣價(jià)值。