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MCR型SVC说明书






1、MSVC 装臵概述……………………………………(1) 2、磁控电抗器(MCR)………………………………(2) 3、补偿技术比较………………………………………(7) 4、磁控电抗器结构……………………………………(9) 5、设计参考资料………………………………………(10) 附一、MSVC 在水泥行业中的应用…………………(1

7) 附二、MSVC 在煤炭行业中的应用…………………(21) 附三、MSVC 在电气化铁路行业中的应用…………(27)

1.MSVC 装臵概述:
目前,无功补偿的主要装臵是电容器、电抗器和少量的动态无功补偿装 臵。开关(断路器)投切电容器组的调节方式是离散的,不能取得理想的补 偿效果。 开关投切电容所造成的涌流和过电压对系统和设备本身都十分有害。 现有静补装臵如相控电抗器(TCR)型 SVC 不仅价格贵,而且占地面积大、 结构复杂,不能推广。杭州银湖电气设备有限公司自 1998 年开始研制新型 磁控电抗器(MCR) 型 SVC(简称 MSVC),该装臵具有输出谐波小、功耗 低、免维护、结构简单、可靠性高、价格低廉、占地面积小等显著优点,是 理想的动态无功补偿和电压调节设备。 MSVC 装臵由补偿(滤波)支路和磁控电抗器(简称 MCR)并联支路 组成,其中补偿(滤波)支路经隔离开关固定接于母线,通过调节磁控电抗 器的输出容量(感性无功),实现无功的柔性补偿。因与原各类补偿装臵的 主要区别在于磁控电抗器,故下面集中对磁控电抗器(MCR)作介绍。

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图 1 动态无功补偿装臵(MSVC)一次系统图

2.磁控电抗器(MCR)
2.1.基本工作原理
磁控电抗器采用直流助磁原理,利用附加直流励磁磁化铁心,改变铁心 磁导率,实现电抗值的连续可调,其内部为全静态结构,无运动部件,工作 可靠性高。

图 2 单相磁控电抗器铁心、线圈示意图
2

磁控电抗器采用小截面铁心和极限磁饱和技术,单相四柱铁心结构电抗 器结构如图 2 所示, 在中间套有线圈的两工作铁心柱上分布着多个小截面段, 在电抗器的整个容量调节范围内,大截面段始终工作于未饱和线性区,仅有 小截面段铁心磁路饱和,且饱和的程度很高。 图 3 为铁心理想磁化曲线示意图,曲线中间部分为未饱和线性区,左、 右两边为极限饱和线性区。若使电抗器工作在极限饱和线性区,不仅可以减 小谐波含量,同时亦能大幅降低铁心磁滞损耗,电抗器铁损控制在理想状态。

图 3 铁心磁饱和特性

2.2.原理接线图
磁控电抗器控制原理接线图如图 4 所示。在磁控电抗器的工作铁心柱上分 别对称地绕有两个线圈,其上有抽头,它们之间接有可控硅 T1 、 T2 ,不同铁心的 上下两个主绕组交叉连接后并联至电源,续流二极管 D 接在两个线圈的中间。
A
N 2 NK N 2
X

T1

D

T2

图 4 磁控电抗器原理接线图 当磁控电抗器主绕组接至电源电压时, 在可控硅两端感应出 1% 左右的系
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统电压。在电源电压正半周触发导通可控硅 T1 ,形成图 5(a)所示的等效电路, 在回路中产生直流控制电流; 在电源电压负半周触发导通可控硅 T2 , 形成图 5 (b) 所示的等效电路,在回路中产生直流控制电流。两个可控硅在一个工频周期轮 流触发导通,产生直流控制电流,使电抗器工作铁心饱和,输出电流增加。磁 控电抗器输出电流大小取决于可控硅控制角,控制角越小,产生的控制电流越 强,从而电抗器工作铁心磁饱和度越高,输出电流越大。因此,改变可控硅控 制角,可平滑调节电抗器容量。由上分析可知, 磁控电抗器具有自耦励磁功能 , 省去了单独的直流控制电源。

(a)
图 5 可控硅导通等效电路

(b)

2.3.技术特性 2.3.1 谐波特性
磁控电抗器产生的谐波比相控电抗器(TCR)小 50%。如图 6 所示,图中横 坐标为电抗器输出基波电流标幺值,基准值为额定基波电流,纵坐标为电抗器 产生谐波电流标幺值,基准值为额定基波电流。可见最大 3 次谐波电流为额定 基波电流的 7%左右,5 次谐波电流为 2.5%左右。

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基波电流/10 总谐波电流含量 3次谐波 电流含量

7次 5次

图 6 磁控电抗器谐波电流分布

2.3.2 伏安特性
磁控电抗器伏安特性如图 7 所示,可见,在一定控制导通角(等于 180 度 -触发角)下,磁控电抗器伏安特性近似线性。

图 7 磁控电抗器伏安特性 2.3.3 控制特性
磁控电抗器控制特性图 8 所示,图中横坐标为可控硅控制角度,纵坐标为 电抗器在额定电压下的基波电流幅值标幺值,基准值为额定基波电流幅值。由 图可见,磁控电抗器输出电流(容量)随控制角增加而减少。

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图 8 磁控电抗器控制特性

2.4.技术优势:
2.4.1 可靠性 2.4.1.1.磁控电抗器不需要外接直流励磁电源,完全由电抗器的内部绕组来 实现自动控制 2.4.1.2. 通过控制可控硅的控制角进行自动控制, 实现容量连续可调,并且 从最小容量到最大容量的过渡时间很短,因此可以真正实现柔性补偿。 2.4.1.3. 网侧绕组不需要抽头, 所有绕组的联接也很简单,保证高压或特高 压磁控电抗器的可靠性。

2.4.2 安全性:
2.4.2.1.与 TCR 相比,MCR 仅仅需一只二极管、两只可控硅,可控硅两端 电压只有系统电压的 1%~2%,无需串、并联,不容易被击穿,运行稳定可靠。 2.4.2.2.可控硅整流控制产生的谐波不流入外交流系统,无二次谐波污染。 2.4.2.3.即使可控硅或二极管损坏,磁控电抗器也仅相当于一台空载变压器, 不影响系统其他装臵的运行。 2.4.2.4.接入三相系统的 MCR 采用△连接, 并不是将磁控电抗器取代滤波电 容中的串联电抗器, 因此与电容器不会产生谐振。 当 MCR 容量与电容器容量相 等时,发生并联谐振,等效阻抗为无穷大,相当于从系统中断开。
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2.5.经济优势
2.5.1.采用低电压可控硅控制,设备投资少,后期免维护。 2.5.2.在相同电压下可提高 30%的输电容量,降低输电线路的损耗。 2.5.3.可取消自耦变压器第三绕组以及补偿电容器,工程总造价降低 2.5.4.磁控电抗器结构简单、占地面积小,基础投资大大压缩。 2.5.5.MSVC 自身有功损耗低,仅为 TCR 的 50%。

3、补偿技术比较
3.1 典型技术比较表
比较项目 投资 运行方式 可靠性 谐波水平 投切涌流 有功损耗 占地面积 调节时间 过载能力 电磁污染 MCR 型 SVC 中 无级调节 (连续) 免维护, 使用寿 命25年 比 TCR 型小 50% 无 0.5%--0.8% 为 TCR 的 1/10 0.3S 150% 无

TCR 型 SVC
大 无级调节 (连续) 维护量大 5 次:6.5%, 7 次:3.7% 无 1%--1.5% 很大,难布臵 40ms 无 辐射大量工频磁 场,对人体危害

开关投切 中 分级投切 (离散) 维护量很大 无 7 倍以上 很小 大 0.8S 无 无

TSC 大 分级投切 (离散) 维护量大 小 无 小 大 40ms 无 无

3.2. TCR 型 SVC 的特点:
电感平衡部分的结构一般是由可控硅、平衡电抗器、控制设备及相应的辅 助设备组成,其优缺点大致表现在以下几方面: 3.2.1 晶闸管要长期运行在高电压和大电流工况下,容易被击穿, 3.2.2 晶闸管发热量大,一般情况采用纯水冷却,除了要有一套水处理装臵
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可靠的水源而外,还需配有监护维修人员。 3.2.3 由于调整主电抗电感量只能靠控制可控硅器件的导通角,关闭则需靠 交流电的过零特性,所以必然会产生不同程度的谐波电压污染电网。 3.2.4 TCR 型 SVC 最大的优点是调节速度很快,可以在毫秒时间内补偿系 统的感性需求。 3.2.5 需要较大的设备安装和运行工作位臵,即占地面积很大。

3.3 MCR 型 SVC 的特点:
电感平衡部分的结构是由一台磁控电抗器组成,其优缺点大致表现在以下 几方面: 3.3.1 磁控电抗器控制部分的可控硅一般工作在系统额定电压的百分之几 的水平上,由于是在控制磁阀的饱和度,所以无需很大的控制功率,晶闸管工 作在低电压小电流的工况下,大大提高了系统的稳定运行系数。 3.3.2 磁控电抗器本体就像一台变压器,可以采用不同的冷却方式,在 35 千伏电压等级以下均采用风冷和油冷两种自然冷却方式,所以没有辅助冷却设 备,可以为无人值守的变配电系统配套使用。 3.3.3 由于可控部分工作在直流运行方式,所以不会产生谐波电压,近乎 于 TCR 型所产生谐波量一半以下的谐波是因为磁化的非线性过程造成的。 3.3.4 磁控电抗器的缺点是反应速度比 TCR 型要慢,在 0.3 秒以上,与饱 和速度成反比。目前正开发反应速度更快的产品。 3.3.5 磁控电抗器免维护、占地面积小、安装方便。

4、磁控电抗器结构
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4.1 磁控电抗器的结构(如图 10):

图 10 磁控电抗器的外围结构

4.2 外型尺寸:
型 号 额定电压 (kV) 10(6) 10(6) 10(6) 额定容量 (kvar) 1000 2100 3000
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长 (mm) 1800 1900 1950

宽(mm)
(含散热器)

高(mm)
(含套管)

BKCK-Y/10-1000 BKCK-Y/10-2100 BKCK-Y/10-3000

1200 1500 1600

1600 1700 1750

BKCK-Y/10-4000 BKCK-Y/10-5000 BKCK-Y/10-10000 BKCK-Y/10-15000 BKCK-Y/35-25000 BKCK-Y/35-35000

10(6) 10(6) 10(6) 10(6) 35 35

4000 5000 10000 15000 25000 35000

2000 2100 2500 2800 3600 4300

1700 1750 2200 2400 3200 4000

1800 1800 1900 2200 2400 2400

5、设计参考资料
5.1 动态无功补偿装臵(MSVC)总系统图(XX 项目)

图 11 三相电抗器的系统接线图

XX 项目电压控制目标为 10kV 电压稳定,功率因数的控制目标是 110kV 功率 因数最优。电抗器控制器控制目标信号由 10kV 侧电压互感器 YH2 二次侧输入 (Ua、 Ub、 Uc) ,由于变电站有两台 110kV 主变压器,其电压电流信号都需要 接入控制器,即图中 110kV 侧的电压互感器 YH1(Ua、 Ub、 Uc、Un,Un 为中
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性点) ,一号主变压器电流互感器 LH1(Ia、Ib、Ic) ,二号主变压器电流互感器 LH2(Ia、Ib、Ic) 。 由控制器输出电抗器控制信号分别为控制接于 Uab 间的电抗器控制信号 M0-Lab、M1-Lab、M2-Lab,控制接于 Ubc 间的电抗器控制信号 M0-Lbc、M1-Lbc、 M2-Lbc,控制接于 Uca 间的电抗器控制信号 M0-Lca、M1-Lca、M2-Lca。

5.1.1 磁控电抗器控制器接线图如下表所示: 磁控电抗器控制器接线图 名称 电源 220V AC/DC + - UA 110kV 电压 YH1 输入信号 UB UC Un Ia 110kV 一号主变 电流 LH1 输入信号 Ib Ic Ia 110kV 二号主变 电流 LH2 输入信号 Ib Ic 10kV 电压 输入信号 Ua Ub Uc in out in out in out in out in out in out 端子排号 ○D1-1 ○D1-2 ○D1-3 ○D1-4 ○D1-5 ○D1-6 ○D1-7 ○D1-8 ○D1-9 ○D1-10 ○D1-11 ○D1-12 ○D1-13 ○D1-14 ○D1-15 ○D1-16 ○D1-17 ○D1-18 ○D1-19 ○D1-20 ○D1-21
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说明 电抗器控制器工作电源 220V(或 110V)交流或直流 0~100V 0~100V 0~100V

0~5A (A 相线路电流一进一出) 0~5A(B 相线路电流一进一出) 0~5A(C 相的电流可以不输入) 0~5A (A 相线路电流一进一出) 0~5A(B 相线路电流一进一出) 0~5A(C 相的电流可以不输入) 0~100V 0~100V 0~100V

○D1-22 I_Lab 三相电抗器 电流输入 I_Lbc I_Lca 电抗器 AB 控制脉冲输出 电抗器 BC 控制脉冲输出 电抗器 CA 控制脉冲输出 电抗器故障 信号输出 预留 信号输入 RS232 接口 in out in out in out ○D1-23 ○D1-24 ○D1-25 ○D1-26 ○D1-27 ○D1-28 ○D1-29 ○D1-30 ○D1-31 ○D1-32 ○D1-33 ○D1-34 ○D1-35 ○D1-36 ○D1-37 + - + - ○D1-38 ○D1-39 ○D1-40 ○D1-41 九针标准通讯接口 到电抗器本体控制箱接线盒 到电抗器本体控制箱接线盒 到电抗器本体控制箱接线盒 0~5A(接 AB 相电抗器电流互感器) 0~5A(接 BC 相电抗器电流互感器) 0~5A(接 CA 相电抗器电流互感器)

M0_Lab M1_Lab M2_Lab M0_Lbc M1_Lbc M2_Lbc M0_Lca M1_Lca M2_Lca 开关量 输出 开关量 输入

1.由于电压与功率的考核是在 110kV 侧,因此需要输入 110kV 的电压电流信号 2.三相电抗器 AB、BC、CA 分别装于 10kV 系统的 Uab、Ubc、Uca 间,需要输入电抗 器两端的电压值,三相电抗器的输出电流值

5.1.2 控制系统晶闸管控制箱的接线图 电抗器控制装臵,使用直流 220V 电源,电抗器控制脉冲的三相输出信号 M0,M1,M2 分别接如晶闸管控制箱的相应端子, 晶闸管控制箱的三相输出 K1、 D1、 D2、K2 分别经过高压套管连接至电抗器本体对应的三相端子 K1、D1、D2、K2。
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可 控 电 抗 器 微 机 控 制 装 置

Lab:M0,M1,M2 Lbc:M0,M1,M2 Lca:M0,M1,M2

晶 闸 管 控 制 箱

Lab:K1,K2,D1,D2 Lbc:K1,K2,D1,D2 Lca:K1,K2,D1,D2 电 抗 器 本 体

图 12 为控制系统晶闸管控制箱的接线图

5.1.3 硬件结构框图 装臵的硬件控制逻辑结构如图所示
1号变压器110kV 侧电流信号 110kV侧电压信号 2号变压器110kV 侧电流信号 10kV侧电压信号 电抗器电流信号 传感器 传感器 功率变送器 有功、无功 #2 功率变送器 有功、无功 #1 液晶显示 键盘 时钟

CPU 系统

通讯 脉冲 光电 隔离 脉冲 光电 隔离 脉冲 光电 隔离

RS232

前置处理 前置处理

A/D 转换

功率 放大 功率 放大 功率 放大

脉冲变 隔离 脉冲变 隔离 脉冲变 隔离

电抗器Lab 晶闸管 电抗器Lbc 晶闸管 电抗器Lca 晶闸管

开关量输出 状态量输入

继电器输出 光电隔离

图 13 装臵硬件结构图

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5.2 成套装臵安装基础图

不小于1600mm
8×80槽钢
100mm

G01
1200

(G01)
600

G02
1200 TBBC-6-1200

G03
1200 TBBC-6-1200

G04
1200 TBBC-6-2400

(G04)

TBBC-6-2400

操作面

操作面

图 14MSVC-Y/6-600 成套装置安装基础图

14

1600mm

进线电缆沟

5.3 成套装臵接线图 F.C 支路原理图

图 15 F.C 支路原理图 15

MCR 支路原理图

图 16 MCR 支路原理图〈控制目标电压、功率因数都为 10(6)kV 侧)

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附一 MSVC 在水泥行业中的应用
1、水泥行业的典型设备
水泥生产线的主要设备为原料磨机、水泥磨机、风机、破碎机等大功率电机, 运行工况比较平稳, 主要在峰谷电时负荷变化很大, 而生产线中一些设备 (如定辊、 动辊)负荷变化很快,所以用传统的开关自动投切技术难以取得理想的补偿效果 。

2、主要测试数据分析(浙江某 5000t/d 生产线)
2.1 有功功率: 21: 00---13: 00 负荷运行基本平稳, 有功功率稳定在 30000KW 左右,13:00---5:00 有功功率为 22000KW,18:00---21:00 为峰电,电费较高, 功率最小,为 17000KW。 2.2 无功功率:最小值为 5000KVar,最大值为 11000KVar,变化规律与有功 功率吻合。

有功、无功变化曲线图 2.3 谐波含量:3 次 0.41%,5 次 1.5%,7 次 0.53%,可见系统的主要谐波为 5
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次,但没有超限值,详见电能质量报表

电流、电压波型图

谐波频谱 2.4 电压畸变率:Ua 为 1.054%,Ub 为 1.003%,Uc 为 0.084%。

3. 补偿方案(MCR 型 SVC)
3.1 方案说明: 结合水泥行业实际,其无功变化总体上很大,但在特定时段相对平稳,为了 取得理想的补偿效果,同时降低投资,本方案采用真空接触器自动投切和磁控电抗 器调节相结合的方案。
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3.2 补偿容量及分组: 系统无功补偿容量为 9600KVar, 共分两组, 容量分别为 6000KVar、 3600KVar, 其中第一组 6000KVar 采用固定投切,另外一组采用真空接触器自动投切,磁控电 抗器的容量为 3600KVar,可实现 2400KVar 至 9600KVar 的连续补偿,同时根据 谐波含量,电抗器的电抗率选用 6%。 3.3 主要配臵: 电容器组采用柜式安装,主要配臵为电容器、电抗器(空心,柜后安装)、喷 逐式熔断器、真空接触器、隔离开关、高压熔断器、放电线圈、DWK/BR 型自动控 制器等。 磁控电抗器支路主要由磁控电抗器、自动控制器、晶闸管阀柜等。 附一次系统图:

3.4 该方案的优点 3.4.1 与纯开关自动投切相比, 本方案采用 MCR 技术与自动补偿相结合的方
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法,完全可以达到无功功率的连续平滑补偿,避免过补或欠补。 3.4.2 该方案大大降低真空接触器的投切次数,避免了对系统的冲击,同时 延长补偿设备的使用寿命。 3.4.3 该方案能够在保证补偿效果的同时,可以降低设备投资约 1/4。

4. 投资效益评估
1.按浙江某项目方案估算,使用原方案一般投资应在 150 万左右;按 MCR 型 SVC 方案计,投资在 140 万左右,基本持平,且略低于原方案投资。 2.投资回报期计算:1年左右

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附二、 MSVC 在煤炭行业中的应用
1、行业工况概述:
煤炭行业的矿井主要有立井和斜井两种,斜井的主要负荷是高压风机,还有 传输带等,不存在快速变化的负载,运行工况很平稳。但现在的矿井主要还是立井 居多,其运行功况相对复杂,为了更好地了解其无功变化及谐波情况,我公司对安 徽淮南潘三矿(年产 400 万吨)的配电系统进行了测量,并以此为依据,提出了 MCR 型 SVC 在煤炭行业中的典型方案。 煤炭行业的高压负载主要是通风机和提升机,其中通风机为连续运行设备, 变化部分体现在提升机,它的特点是变化周期快,谐波含量较大。用传统的开关投 切技术不能同时有效解决无功补偿和谐波治理。

2、测试数据分析:
2.1 无功功率: 母线无功功率的变化没有明显时间规律,波动范围很大,最大的时候达到 8200KVar,而最小的时候是 2000KVar,在提升机启动的瞬间甚至更小,而且变化 周期很短,母线无功变化曲线见图 21。其变化部分主要由提升机造成,当提升机启 动的时候功率因数趋于零,正常运行后也只有 0.5(见图 22),而提升机的无功变 化呈周期性变化。

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图 21 母线无功变化曲线

图 22 提升机功率因数变化曲线

22

图 23 2.2 谐波水平

提升机无功功率变化曲线

该系统的主要谐波源为 12 脉动直流电机(提升机),主要谐波成分为 11 次(2.31%)、13 次(2.26%)、23 次(0.95%)、25 次(0.98%),使电流波形严重 畸变(图 24)。

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图 24 提升机波形图及频谱 母线上的谐波情况:由于变化器采用星型接法,而系统存在少量的单相 负载,造成三相不平衡,产生了 3 次谐波(图 25)。

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图 25 母线谐波及频谱图 由以上可见,母线的主要谐波为 3 次、11 次、13 次。故在考虑设计滤波 装臵时建议采用四个滤波支路,即 3 次支路、5 次支路、7 次支路、11 次兼高 通支路。

3.补偿滤波方案
3.1 基于以上分析,该系统无功补偿容量为 5400KVar ,电容器安装容量为 7200KVar, 设 3 次、 5 次、 7 次、 11 次兼高通四个滤波支路, 容量分别为 1200KVar、 2400KVar、1200KVar、2400KVar,采用固定连接,同时配容量为 4000KVar 的 磁控电抗器,可以实现 1400KVar—5400KVar 的连续补偿,保证功率因数稳定在 0.95 以上。

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注:综合考虑滤波效果及设备成本,建议把提升机放在同一段母线,这样对于 系统的两段母线来说,可以在有提升机的母线上装一套 MCR 型 SVC,而在另 一段母线装一套自动补偿即可满足要求。 3.2 主要配臵 电容器组采用柜式安装,主要配臵为电容器、电抗器、喷逐式熔断器、隔离开 关、高压熔断器、放电线圈等。 磁控电抗器支路主要由磁控电抗器、自动控制器、晶闸管阀柜等。 3.3 该方案的优点 3.3.1 与纯开关自动投切相比,本方案采用 MCR 技术,完全可以达到无功功率 的连续平滑补偿,避免过补或欠补。 3.3.2 该方案大大降低真空接触器的投切次数,避免了对系统的冲击,同时延长 补偿设备的使用寿命。 3.3.3 该方案能够在保证补偿效果的同时,大大降低设备的投资。

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附三、MSVC 在电气化铁路行业中的应用
电气化铁路自然功率因数低,现有的并联电容补偿方式难以使系统达到标准要 求,影响了企业的经济效益。用磁控电抗器调节电气化铁路系统的无功功率,主要 需要解决的内容有非线性电路的无功功率的测量和快速调节,保证功率因数保持在 0. 9 以上。 以利用直流电流控制铁芯的磁饱和度来达到平滑调节目的的磁控电抗器 为补偿元件,晶闸管为执行元件,用 80C196KC 单片机进行控制,保证了补偿的 快速性、准确性、合理性。实验和样机试运行均表明:该动态无功补偿系统能快速 补偿系统无功,使功率因数保持在较高水平,很好地改善了供电质量,提高了供电 系统的经济效益。

1、引言
随着电网规模的不断扩大,以及各种用电设备接入电网消耗大量的无功,无功 不足和电压波动大的问题日益突出。这时仅靠调节发电机励磁电流的手段已经不能 满足要求。从20世纪初开始,人们就对无功补偿技术进行了大量的研究,为改善负 荷功率因素,逐步采用了同步调相机、并联电容器、并联电抗器、串联电容器、现 代静止补偿器等无功补偿手段。控制方式也有集中控制、分散控制和关联控制等方 式,控制策略更是从经典控制转入了智能控制。 电气化铁路是重要的电力用户,其无功问题也一直很严重。电气化铁路电力机 车和牵引变电所无功补偿装臵的技术状态,直接关系到运输生产的经济效益。提高 电气化铁路功率因数有两种方法:一是提高负荷(电力机车)的功率因数,这可通 过改造原有电力机车或研制高功率因数的电力机车来实现;二是实时监测、调节系 统的无功功率,使功率因数始终保持较高值。前一种方式由于需要大量的资金,短 时间内还不能实现。现在比较常用的无功补偿装臵有两种:一是开关投切电容器组, 但是当供电馈线没有电力机车通过时,并联的电容器组向系统倒送无功,而电力部 门对无功补偿装臵实行"反转正计"(即把用户反送电力系统的无功与取用的无功 电量绝对值相累加),使功率因数达不到0.9标准;开关投切电容器组还产生涌流 和电磁暂态,造成过电压,实际运行曾出现过用开关投切电容器组而引发的系统过 电压事故;二是使用晶闸管控制电抗器(TCR),但价格贵,占地面积大,谐波含量 大。
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采用磁控电抗器配合并联电容器组(MCR型SVC),能满足电力机车运行方式多 变,负荷变化快的特点,并且该装臵能平滑调节无功功率,造价低,可靠性高,产 生谐波小,是电气化铁路系统动态无功补偿的较好选择。

2、电气化铁路工况分析
电气铁道电力机车牵引负荷为波动性很大的大功率单相整流负荷, 对于电力系统 的供电具有以下特点: (1)不对称性。在供电系统中产生负序分量。 (2)非线性。在供电系统中产生高次谐波。 (3)波动性。使供电系统电压波动。 (4)功率大,分布广。对供电系统影响严重。

2.1电气铁道牵引供电系统
电气铁道的供电是在铁道沿线相隔一定距离建立若干个牵引变电站, 由电力系统 110KV( 三相双电源供电,经牵引变压器降压为27.KV) 或55KV后后,向牵引网及电力 机车单相供电。电力机车采用25KV 单相工频交流电压,在架空接触导线和钢轨之间 行驶。 图1-1 为电气铁道牵引供电系统简化图

110KV 双电源

110KV 双电源

牵引站
a

分区亭
b b

牵引站
c

机车
c c

图1-1 电气铁路牵引供电系统简图

电力机车牵引负荷对于电网来说为三相不对称负荷,为了减小其产生的负序(基波) 电流对供电系统的影响,各牵引站高压侧接人系统时要进行换相,使机车负荷较均匀 地分配在系统各相E,Y,d11和V,v接线的牵引变压器接入系统时的换相连接如图1-2 所示。对于供电系统来说,只要经过三个牵引站的换相,即完成了轮换一周的循环。 对于牵引网来说,为了机车运行上的方便,换相过程中应使相邻供电臂的电压相位相 同,因此需要经过六个牵引站的换相,才能完成一个循环。
28

A B C (A) (B) (C) (A) (B) (C)

A B C (A) (B) (C)

A B C

(a) C -U co

(b)

(c) A U AO A

(a) U A0

(b)

(c) B -U BO B

(a) -UBO

(b)

(c) C U CO

图1-2 电气铁路牵引供电系统简图

牵引变压器的换相,使机车负荷接到系统不同的相上,对系统总体来说,达到三相比 较平衡的状态。但因各牵引站在不同的地点接入系统,以及各供电臂的机车负荷在不 断变化, 因此对于供电系统的局部地区来说, 电气铁道不平衡负荷产生的负序 (基波) 分量仍有较大的影响。

2.2电气铁道牵引负荷
当前我国电气铁道上使用的电力机车有国产韶山-1(SS-1)、韶山-3(SS-3)、 韶山一4(SS-4)型以及进口8G,8K型等。下面主要介绍国产电力机车,并以韶山一1 型为例进行分析。 一、韶山-1型电力机车整流回路波形分析 韶山-1 型电力机车整流回路的原理接线如图1-3所示。当略去整流变压器的漏 抗时,整流器V1、V2 在换流过程中的重叠角为零,两者互不相关,轮换导通。 图1-3 韶山-1 型电力机车原理图
25KV i T U11 U1 U22 M i2 V2 i1 V1

图1-3 韶山-1 型电力机车原理图
29

2.3、电力机车的谐波特征
电力机车产生的谐波具有以下特征: (1)当机车在牵引工作状态、整流回路投入工作时,便产生谐波。而在制动状态 或靠惯性前进的隋行状态时,整流回路切除,不产生谐波。 (2)电力机车的牵引力正比于取自系统、经整流后的直流电流,该电流不因系统 外界条件和运行方式而改变, 而由机车的非线性特性产生的谐波电流成分与基波电流 具有一定的比例关系。因此,电力机车为谐波电流源。 (3)电力机车采用单相全波不控或半控整流,交流侧的电流波形与横轴成镜对称。 整流电路在整流过程中交流电压每一周期内直流侧整流电压的脉动数、 即整流设备的 脉冲数户P=2,故其产生的特征谐波次数为h=2k±1,k=1,2,3,4 .除h=1 的基波外, 特征谐波为全部奇次谐波。 (4)比较各型电力机车的整流、调压方式和整流电压波形,在相同的条件下,韶 山-1型的机车电流较接近于正弦波,产生的谐波相对较小,韶山-3型产生的谐波与韶 山-4型相近而稍大,韶山-4 型产生的谐波较前两型为大,在控制过程中各次谐波电 流含有率的变化也较大。

3、电气化铁道动态无功补偿装臵原理
图2为电气化铁道供电系统和动态无功补偿器接线方式。动态无功补偿系统由单 相磁控电抗器和固定电容器组成。当电力机车进入牵引变电所所辖范围时,固定电容 器组充分补偿机车感性无功,磁控电抗器的容量调到最小(空载);当电力机车驶出 所辖电网以外后,电容器向系统倒送无功,此时,迅速调节磁控电抗器的容量到最大 值,以吸收容性无功;在电力机车负荷变化的过程中,磁控电抗器快速跟踪补偿剩余 容性无功,从而保证了高功率因数。与此同时,电容器组同时还起着3次,5次以及高 次谐波滤波器的作用。
110KV

可控电抗器

27.5KV

电容器组

图1-4 动态无功补偿器接线方式

30

4、MSVC在电气化典型应用
4.1 意义
我国电气化铁路牵引变电所一般采用固定无功补偿装臵, 由于电力部门在一些地 区对牵引变电所功率因数考核,采用无功反转正计的计费办法。在这样的记费办法条 件下,当牵引负荷大时,无功欠补;而当无牵引负荷或轻负荷时,无功补偿装臵产生 的无功向电网反送无功,而此时无功表仍按消耗的无功进行累加。这样,牵引变电所 高压侧功率因数达不到0.9的要求。 在一些单线区域或车流密度不大、机车有再生制动的牵引变电所,仅装设固定电 容补偿装臵,造成功率因数偏低而被罚款。 1998年,北京局支付功率因数罚款高达2400万元,北京局丰沙大线牵引变电所, 采用固补装臵,功率因数平均在0.65-0.75左右,罚款严重。以官厅西牵引变电所为 例,改造前7月的功率因数及罚款情况如下,从表中可以看出,每月功率因素罚款为 8-15万元。 改造前7个月的功率因素及罚款情况: 时间 2001/1 2001/2 2001/3 2001/4 2001/5 2001/6 2001/7 功率因数 0.78 0.76 0.78 0.8 0.77 0.76 0.7 用电量(度) 2993700 3858300 2944200 3567900 3650400 3756000 3060090 罚款(元) 80243 110553 79639 75112 99910 109366 153351

为此,通过技术改造,将固补改为可调无功补偿方式,根据实际负荷情况进行自 动调节,彻底解决了电铁功率因数罚款的难题,对提高用电质量,减少电能损耗具有 重要意义。 目前我国电气化铁路单线占全部电气化铁路的一半以上, 单线的货运能力在1500 万吨/年,但也有些区段才几百吨。单线区段实际最大通过能力每天只有30~35对车, 单线电气化区段的带电时间远比双线小,一般无负荷时间占全天的50%左右,这样固 定补偿时功率因素难于达到0.9的标准。 目前电业部门对工业、交通等部门用电的价格,根据其功率因数的高低,进行奖励与 处罚。一般用户的功率为0.9时,不奖不惩按正常电价收费;功率因数低于0.9时,减
31

收电费。其增收与减收电费的百分比见下表: 电费增减表(%) 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 功率因素 0.95 0.92 0.90 0.85 0.83 0.80 0.76 0.74 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 电费增减收 -2.5 -0.20 0 +2.5 +3.5 +5.0 +7.0 +8.0 +10 +20 +30 +40 +50 +60 +70 +80

从表中可见,当COSФ=0.6时,需多支出电费30%,而补偿到0.9时,可以达到少支 出30%电费的经济效果。 综上所述,可调无功补偿装臵在单线电气化区段,具有较广泛的市场前景,此外, 在机车有再生制动的牵引区段, 可调无功补偿装臵对于提高高压侧的功率因素同样具 有广阔的市场前景。

4.2 官厅西牵引变电所改造情况
官厅西牵引变电所设两台 Y/? 接线牵引变压器,容量为15000KVA,牵引变压器 变比为110/27.5KV,移动备用方式。变电所二次侧为双母线分段,A,B相各设并联电 容补偿装臵, A相补偿电容器为4串7并, 电容单元单台容量80KVAR, 总容量为2240KVAR, 单台额定电压为10.5KV;B相补偿电容器为4串5并,电容单元单台容量100KVAR,总容 量2000KVAR,单台额定电压8.4KV。 电费计量办法:电力部门采用“有功反送不计,无功反送正计”方式 8K机车牵引功率: 6400KW 机车电容补偿容量:1800KVAR(半功率时),3600KVAR(全功率时) 8K机车采用可控硅全控整流桥和半控整流桥相结合的二段桥可控整流调压方式。 牵引工况时,两级桥串联,向两台牵引电动机供电;再生制动时,全控桥作为再生逆变 桥,半控桥为励磁控制桥。1998~2000年功率因数统计:
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1998年功率因数统计 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 功率因数 0.67 0.66 0.71 0.72 0.71 0.71 0.73 0.7 0.74 0.75 0.72 0.7 有功(度) 4187300 3590400 2913900 3200340 3260070 3259080 2581260 3144240 2864070 2910600 3201000 3250500 无功(度) 4682041 4042830 3010260 3067680 3252150 3256110 2413950 3243240 2573340 2577350 3135000 3316500

1999年功率因数统计 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 功率因数 0.68 0.66 0.67 0.68 0.7 0.73 0.71 0.68 0.7 0.68 0.7 0.69 有功(度) 3402300 3649800 3154800 3587100 3296700 3194400 3016200 3088800 3191100 3448500 3478200 3238300 无功(度) 3569700 4131600 3494700 3867600 3408900 3036000 3012900 3342900 3309900 3692700 3778500 3214200

2000年功率因数统计(1-6月份) 月份 功率因数 有功(度)
33

无功(度)

1 2 3 4 5 6

0.67 0.65 0.67 0.68 0.7 0.83

3392400 3481500 3177900 3534300 3415500 3389100

3626700 4121700 3649800 3844500 3524400 2819900

通过现场测试,掌握官司厅西变电所负荷的现状 ,测试有功,无功,功率因数变化 规律,并分析谐波分量及补偿效果,为改善无功补偿方案以及提高功率因数的研究,提 供基础依据. 测试结果曲线(见附件) 以测试的全日负荷曲线为基础 , 当采用不同容量的固定无功电容补偿 , 计算得 110KV侧的功率因数,如下面图表所示:

固定电容出力和变电所功率因数曲线
0.86 0.84 0.82 0.80 0.78 0.76 0.74 0.72 0.70 0.68 0.66 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000

无功补偿出力(kvar)

从表中可以得出结论:采用固定无功电容补偿方案是不可行的.为了将功率因数提高 到0.9以上,应该采用可调无功补偿方案.

4.3 可调无功补偿方案选择
我国采用可调无功补偿一般采用以下几个方案:第一种是通过降压变压器将 27.5KV电压降至6~10KV后,采用接触器投切电容器组.第二种是通过自耦变压器自动 调压开关改变电容器组的端电压,以调节电容器组的无功输出容量.第三种是采用固 定电容补偿加磁控电抗器方案,磁控电抗器产生的感性无功与过补容性无功抵销,实 现并联电容投切的软开断,从而使110KV功率因数达到0.9以上.

34

LAMSC(雁翅变电所) ATC(西八里变电所)

MCR(官厅变电所)

补偿方 式简图
功率因素

0.9
复杂
阶梯投切
带降压变压器

0.9
稍复杂
阶梯投切

0.9
简单
低电压 小电流调节 晶闸管开放角调电感 连续自动可调
直接并联在27.5KV 母线 无投切,维护费用低 低(108万元) 满足电力部门要求

主 接线
调节方式 无功调整

接触器投切电容器组 有载开关投切电容器组

带有自动有载调压, AT 运行情况 投切频繁,维护费用高 投切频繁,维护费 用教高

造 谐

价 波

高(330万元) 满足电力部门要求

中(230万元) 满足电力部门要求

官厅西牵引变电所采用固定无功补偿装臵功率因数达不到0.9,必须采用可调无 功补偿装臵.官厅西可调无功补偿装臵是由固定电容补偿装臵和磁阀式可调电抗器组 成.该装臵技术特点如下: a. 主接线简单,占地面积小,运行可靠性高,能够将功率因数补偿到0.9以上. b. 全自动跟踪系统的无功进行补偿,响应速度快; c.投切无过渡过程,设备简单,可靠,计算机控制系统结构先进,自动化程度高. 27.5KV侧母线电压稳定,经测试基本稳定在28.9KV(未投入此套装臵前母线电压 在25-31.5KV波动),为机车提供了稳定可靠的电源,有利于运行机车正常发挥功率. 磁控电抗器所产生的谐波电流不大于5%(实测值3.57%),并联电容器滤掉了约70% 左右的谐波.当机车通过时,电抗器不投入,机车经过后,电抗器投入,这样电抗器与机 车产生的谐波不同时出现.因此,电抗器产生谐波对系统的影响符合国标的规定.

4.4 固定电容补偿加磁控电抗器方案
以测试的全日负荷曲线为基础,并分析了1998~2000年负荷及功率因数实际情况, 再综合考虑牵引负荷可能产生的变化以及机车功率因数的变化,确定补偿方案,使本 装臵具有较宽的调节范围,从而使110KV侧的功率因数均能达到0.9以上. 根据计算机的模拟计算结果提出补偿方案:在A,B相上设无功电容补偿,同时在B 相设磁调电抗器(如下图所示).

35

27.5KV

A相

27.5KV

B相

C

C

L

L1

L2

并联无功补偿装臵的参数参见下表: 无功并联补偿装臵电容器,串联电抗器主要参数 A相 无功补偿装臵额定电压Un(kv) 无功补偿装臵容量Qn(kvar) 无功补偿装臵补偿度 a 电容器采用类型 电容器容量 串*并*单台 (kvar) 串联电抗器额定容量 Qln(kvar) 串联电抗器额定端压 Qln(kvar) 串联电抗器额定电流 串联电抗器额定电流Iln (A) 电抗器额定电感LN (mh) 29 2708.84 0.12 电铁专用电容器,额定电压8.4KV,单台容 量100KVA(全膜介质) 4*8*100 369.38 3.95 93.4 42.33 134.82 163.46 24.19 77.04 4*14*100 646.42 4740.48 B相

4.5无功补偿装臵经济性分析
官厅西牵引变电所2001年9月无功补偿改造工程竣工并正式并网运行。到目前为 止,设备安全稳定运行5年,这期间的功率因数情况列表如下: 时间 2001/9 2001/10 功率因数 0.92 0.94
36

奖励(无) 4672 9080

2001/11 2001/12 2002/1 2002/2 2002/3 2002/4 2002/5 2002/6 2002/7 2002/8 2002/9 2002/10 2002/11

0.94 0.95 0.97 0.91 0.91 0.9 0.9 0.9 0.91 0.9 0.9 0.91 0.94

9500 11966 12464 2586 2256 0 0 0 2457 0 0 2434 9650

注:2001年8月可调无功补偿装臵投入运行,2002年2月至4月,官厅西牵引变电 所更换主变压器,将原来的移动备用改为固定备用,原主变为Y/? -11变压器,更换 为平衡变压器。由于主变更换时110KV侧功率变送器单元工作异常,造成功率因数偏 低(2月至10月间功率因数为0.9-0.91)。经现场测试后,于2002年10月16日更换功 率变送器,功率因数提高至原设计水平。 其经济效果为:改造前月均罚款10.1万元;改造运行后1年内不但没有罚款,还 得到电力部门奖励总计:5.5万元。1年的直接经济效益为126. 7万元。计算资金回收 期时,运行损耗费用一项,可忽略串联电抗器和并联电容器的损耗,因为改造前也有 串联电抗器和并联电容器。 这样扣除运行损耗费用后, 设备运行20个月即可收回投资。 5.总结 可调无功补偿方案,技术可靠,经济合理,有效的将牵引变电所高压侧的功率因 数提高至0.9以上,不仅提高了牵引变压器等供电设备能力的利用率,而且大大减轻 了对电力系统的发电机出力、 供电网络电能损失、 输变电设备供电能力等方面的影响, 对国民经济的发展具有重要意义。

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