（电气工程专业论文）多功能平衡牵引变压器滤波性能研究.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 由于电气化铁道负荷的波动性和电力机车上整流设备的特点， 产生了大量高次谐波反送电力系统，影响电力系统电能质量，电力、 铁道部门都十分重视电气化铁道谐波问题，电气化铁道谐波治理是 电气化铁路发展中的一个重要研究课题。目前，通过几种方法治理 电气化铁道产生的谐波。一是通过在机车上加装滤波装置，直接滤 除电力机车运行过程中产生的谐波；二是通过在牵引变电所2 7 5 k v 侧安装并联l c 滤波装置，进行集中补偿，电容与电抗参数的配置 必须避免产生谐波放大；三是正在研究的有源电力滤波器，但其技 术成熟度尚未达到工程使用。前两种方式为无源滤波方式，后一种 方式为有源滤波方式。 结合本人参与的外福铁路闽清牵引变电所“多功能平衡变压器 对有害干扰的治理”科研课题，本文论述了多功能平衡牵引变压器 副边通过阻抗匹配方式引出1 0 5 k v 抽头，接入三相滤波器进行滤 波的机理，提出了滤波器配置方案，对现场运行情况进行了测试， 并对测试数据进行分析，通过理论分析和实际运行测试结果，表明 该种滤波方式具有比常规在牵引变电所2 7 5 k v 侧加装滤波器具有 更好的谐波抑制效果，且由于所需补偿设备耐受电压大大降低，滤 波所需的工程投资大为减少。 关键词：谐波：电力滤波器；多功能平衡变压器 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h e f l u c t u a t i n g c h a r a c t e r i s t i co ft h el o a di ne l e c t r i f i c a t i o n r a i l w a y a n d r e c t i f y i n ge q u i p m e n t s ，l o t s o fh i g hh a r m o n i cw a v e sa r e p r o d u c e da n df e db a c kt o t h ep o w e rs y s t e m t h i sp h e n o m e n o nc a na f f e c t e l e c t r i c i t yq u a l i t y t h em i n i s t r y o fr a i l w a ya n dt h e m i n i s t r y o fp o w e r a t t a c hi m p o r t a n c et ot h ep r o b l e mf o ral o n gt i m ea n dh a r m o n i cw a v e si sa n i m p o r t a n ts c i e n t i f i cr e s e a r c ht a s ki nt h ed e v e l o p m e n t o ft h ee l e c t r i f i c a t i o n r a i l r o a d a tp r e s e n t ，s e v e r a lw a y sc a nd e p r e s st h eh a r m o n i cw a v e s f i r s t l y ， w ec a nf i xs o m e f i l t e r i n ge q u i p m e n t s i n e n g i n e s ，w h i c h c a nf i l t r a t e h a r m o n i cw a v e si nt h ec o u r s eo fr u n s e c o n d l y ，a tt h e2 7 5 k vs i d eo ft h e d r a u g h tt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n ，w e c a nf i x p a r a l l e l c o n n e c t i o n f i l t e r i n g e q u i p m e n t sa b o u tl c t oc o m p e n s a t et h er e a c t i v ep o w e r ，b u tt h ec o l l o c a t ei n p a r a m e t e r o f c a p a c i t a n c e a n dr e a c t a n c em u s ta v o i d m a g n i f y i n g t h e h a r m o n i c w a v e s t h i r d l y ，t h e r e c e n te l e c t r i c p o w e r f i l t e r sw h i c ha r e s t u d y i n gd o n ts a r i s f ye n g i n e e r i n g sn e e db e c a u s eo ft h ep o o rt e c h n i q u e t h et w of o r m e ra r et h ep a s s i v ef i l t e r m o d e ，w h i l et h el a t t e ri st h ea c t i v e f i l t e rm o d e c o m b i n e dw i t ht h es c i e n t i f i c r e s e a r c ht a s k “t h ee f f e c to ft h e m u l t i f u n c t i o nb a l a n c i n gt r a n s f o r m e rt or e d u c i n gh a r m o n i c s d i s t u r b a n c e ” w h i c hih a v ep a r t i c i p a t e di n ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h em e t h o dt h a tb yt h e m e a n so f i m p e d a n c em a t c h i n gt a p p i n g a10 5 k vw i r ef r o m t h e m u l t i f u n c t i o nb a l a n c i n gt r a n s f o r m e r ss e c o n d a r ya n d c o n n e c t i n gi tw i t ha t h r e e 。p h a s es y m m e t r yf i l t e r i n ge q u i p m e n t ，t h e nb r i n gf o r w a r dt h ep r o je c t a b o u tf i l t e r c o n f i g u r a t i o na n dt e s ti ti nt h ef i e l de n g i n e e r i n g a tl a s tb y m e a n so ft h e o r e t i ca n a l y s i sa n da n a l y z i n gt h et e s t i n gd a t a ，i ti n d i c a t e st h a t t h i sf i l t e r i n gh a v et h eb e t t e re f f e c ti nh a r m o n i cw a v e d e p r e s s i o n m e a n w h i l e ， b e c a u s eo ft h e v o l t a g e w h i c ht h e c o m p e n s a t i o ne q u i p m e n tm u s te n d u r e r e d u c e sm u c h ，t h ea m o u n to f i n v e s t m e n tw i l lc u td o w n d e e p l y k e y w o r d s ：h a r m o n i c w a v e ；p o w e rf i l t e r ；m u l t i f u n c t i o n b a l a n c i n g t r a n s f o r m e r ( m f b t ) 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 电气化铁道运营过程中产生的谐波污染对电力系统供电质量 的影响越来越得到铁道和电力两部门的重视。在电气化铁路建设和 运营过程中如何采取有效措施抑制谐波成为一个重要的研究课题。 1 1 谐波 在电力系统中，通常总是希望交流电压与交流电流呈正弦波 形。正弦电源电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上时， 所产生的电流和电压分别为比例、积分和微分关系，仍为同频率的 正弦波。但是，如果正弦电源电压施加在非线性电路上时，电流就 变为非正弦波，电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为 非正弦波。如果电源电压是非正弦波，则即使施加在线性电路上， 也将产生非正弦的电流和非正弦的电压【1 1 。 在电力系统中由于电源电压非正弦或由于电网器件非线性而 产生的非正弦电流和电压，一般具有周期特性( 或近似认为是服从 周期规律) 。对于周期为t = 2 州的非正弦电压，若满足狄里赫利 条件，可分解为如下形式的付里叶级数1 4 】： 三 “( f ) = u o + ( 氓。c o s n c o t + 瓯。s i n h o o t ) ( 1 一1 ) 月2 l 式中 吣知砸肛去卜( c o t ) d ( c o t ) = 亍2 触) c o s n o 础= 了蛔) c o s n a ) t d ( c o t ) = 7 2 胁) s i n n 脚砌= 了“( c o t ) s i n n c o t d ( c o t ) ( t 一1 ) 式也可表示为 “( ，) ：u o + 妻乩s i n f + 屯) 苴审 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 u = 厄w ，t g c ) = 挚 u 舢 在式( 卜1 ) 、( 卜3 ) 的付晕叶级数中，频率为1 t 的分量称为 基波，频率为基波频率的整数倍( 大于1 ) 的分量称为谐波，谐波 次数为谐波频率和基波频率的比。 n 次谐波电压、电流含有率定义为 r ， h r u 。= 二2 1 0 0 ( 1 4 ) 枷l = 争1 0 似 式中 乩，l 一分别为第n 次谐波电压、电流有效值( 或幅值) u ，一分别为基波电压、电流有效值( 或幅值) 谐波电压、电流含量u 。，。分别定义为 u h = i = 电压、电流总畸变率t h d 。，t h d ，分别定义为 1 2 谐波的危害 ( 1 5 ) ( 1 6 ) 理想的公用电网所提供的电压应该是单一且固定的频率以及 规定的电压幅值2 1 。由于谐波电流和谐波电压对公用电网的污染， 使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外 的设备带来危害。各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐 嵋 露 一。d 一。m f，uv r，uv 一 郴 嘲 势知 = i i 觋 觋 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 基 波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波 危害的严重性如今已引起各相关方面的高度关注。电气化铁路产生 的谐波也一直引起了电气化铁道和电力部门技术人员的重视，并曾 经多次研讨其对电力系统电能质量的影响，在鹰厦线电气化建设过 程中和成昆线电气化建设过程中，有关部门先后组织进行了测试， 以评估确定电力机车运行过程中产生的谐波对沙县卫星测控站、厦 门飞机场导航设备、西昌卫星发射中心等的影响【”，可见谐波问题 的影响已经越来越突出。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有 以下几个方面【3 4 】： ( 1 ) 、谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低 了发电、输电及用电设备的效率，大量的3 次谐波流过中性线时会 使线路过热甚至发生火灾。 ( 2 ) 、谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响 除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器 局部严重过热，降低输出功率。谐波使电容器、电缆等设备过热、 绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。 ( 3 ) 、谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从 而使谐波放大，这就使上述( 1 ) 和( 2 ) 的危害大大增加，甚至引 起严重事故。 ( 4 ) 、谐波会使电气测量仪表计量不准确，导致继电保护和自 动装置的误动作或不能正常工作。 ( 5 ) 、 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声， 降低通信信号质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 1 3 谐波抑制的依据 由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本 身都会造成很大的危害，2 0 世纪7 0 年代以来，世界各国都相继发 布了限制电网谐波的标准，或者由权威机构制定限制谐波的规定或 导则【6 7 e 。其目的是控制电网的谐波电压及谐波源注入电网的谐 波电流。英国、美国、瑞典、德国、澳大利亚、前苏联、荷兰等国 都先后颁布了供电网谐波限制或防止谐波干扰的标准。国际大电网 会议( c i g r e ) 和国际电工委员会( i e c ) 都成立了专门工作组制 定电网谐波以及用电设备的谐波限值标准do 。我国原水利电力部 在1 9 8 4 年制定了电力系统谐波管理暂行规定( s d l 2 6 8 4 ) 【1 1 1 ， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第4 页 1 9 9 3 年，又由国家技术监督局正式发布了中华人民共和国国家标 准电能质量公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 - 9 3 ) l t 2 ，1 9 9 8 至2 0 0 0 年，又等同采用国际标准i e c6 1 0 0 0 3 6 ：1 9 9 6 电磁兼容第3 部 分：限值第6 部分：中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估 而相继发布了电磁兼容限值系列国家标准和指导性技术文件 ( g b l 7 6 2 5 1 1 9 9 8 1 7 6 2 5 2 19 9 9 z 17 6 2 5 3 2 0 0 0 z 1 7 6 2 5 4 2 0 0 0 z 1 7 6 2 5 5 - 2 0 0 0 ) 1 3 , 1 4 。 1 4 电气化铁道谐波抑制现状 自我国电气化铁路建设以来，至2 0 0 2 年底，我国交流电气化 铁道运营里程已逾15 0 0 0 k m ，牵引供电制式均为单项工频2 5 k v 交 流制，电力机车大部分采用交直型电传动机车。对电气化铁道引起 的谐波问题，专业人员进行了深入研究和探讨，如文献 15 1 8 等。铁道、电力两部门的技术人员曾多次组织进行测试和研讨，但 由于缺乏明确的评判标准且对电气化铁道谐波治理存在的投入等 问题，至今未有明确结论和要求。但鉴于电气化铁道谐波与一般电 力谐波相比，具有各次奇次谐波含有率随谐波次数增加而快速衰减 和谐波从1 1 0 k v 或2 2 0 k v 电压级注入电网等明显的特殊性 3 6 1 ，为 加快电气化铁道谐波问题的合理解决，国家有关部门牵头，组成专 家组，多次组织研讨，在电气化铁道谐波计算条件和主要计算方法、 应进行综合治理试点等方面取得了共识，同时，确定在电气化铁道 谐波综合治理试点工作完成后，在联合测试和试验的基础上，研究 制定电气化铁道谐波电压限值标准。铁道部电铁谐波专家小组经过 大量工作，提出了电气化铁路谐波计算方法暂行规定( 草) 。电 气化铁道谐波治理的工作已提出议事日程，谐波治理方式的研究成 为电气化铁道设计、运营单位必须考虑的事情。 就目前而言，抑制谐波的方法无非就是两大类：其一是采用补 偿的方法，如电气化牵引变电所内设置并联电容补偿装置，在补偿 无功的同时兼顾滤除三次谐波。采用有源电力滤波器也是属于此种 方法。二是改造谐波源的方法，如设法提高电力系统中主要的谐波 源即整流装置的相数，或采用高功率因数整流器。对于作为主要谐 波源且功率因数较低的整流器来说，抑制谐波的办法就是对整流器 本身进行改进，使其尽量不产生谐波，且电流与电压同相位，如对 电气化铁道使用的电力机车直接进行改进，消除或大大减少其产生 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第5 页 的谐波，这当然是一种更积极的办法，但基于在我国电气化铁道上， 目前广泛使用的电力机车是工频交流整流器式电力机车( 即交直传 动机车) ，这种机车主要存在谐波电流大、功率因数低、产生负序 电流等问题，实际上是一个奇次谐波电流源。至今，我国已拥有超 过15 0 0 0 k m 的电气化线路，大量的此类电力机车运行在电气化线路 上，要完全更换机车是不可能的。针对目前实际运行的大量相控电 力机车所产生的谐波问题，主要还是应以设置谐波补偿装置即采用 补偿的方法来解决。目前电气化铁道采用的补偿方法是在牵引变电 所装设并联补偿装置，主要用于补偿无功，同时可加电感调谐到3 次谐波附近，补偿3 次谐波。牵引变电所内普遍采用真空开关投切 滤波器，但由于真空开关不能频繁投切，因而效果不够理想。目前 国外已有晶闸管投切滤波器( t s f ) 投入使用。我国正在积极研究这 种方案，并已投入试运行，其补偿无功和滤波均可达到较好的效果。 上述方法其本质是无源滤波器，可能与系统发生谐振。滤波器的频 偏对系统安全运行很重要，但频偏也影响滤波器的补偿效果。因此， 有源滤波器的研究方兴未艾。 1 4 1 无源电力滤波器( p p f ) 无源电力滤波器主要由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合 而成，与谐波源并联，除起滤波作用外，还起无功补偿的作用。设 计滤波器时，应考虑满足各种负载水平下对谐波限制的技术要求， 衡量滤波性能的各次谐波含有率、电压总谐波畸变率、注入电网的 各次谐波电流大小均应该满足国家制定的标准。并应考虑滤波所需 投资因素。 无源电力滤波器分为单调谐滤波器：将滤波器的谐振次数设定 为与需要滤除的谐波次数样，则该次谐波将大部分流入滤波器， 从而起到滤除该次谐波的作用：高通滤波器：又称为减幅滤波器， 该种滤波器表现为某一较宽的频带范围内呈现低阻抗，形成对次数 较高的谐波的低阻抗通路，使得这些谐波电流大部分流入高通滤波 器：双调谐滤波器：其作用等效于两个并联的单调谐滤波器，它有 两个谐振频率，同时吸收这两个频率的谐波。 无源电力滤波器结构简单、维护方便、设计制造技术较成熟， 是传统的谐波抑制和无功补偿的主要方法。存在的主要缺点是： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第6 页 ( 1 ) 、滤波特性受系统参数影响较大；( 2 ) 、会出现谐波放大现象； ( 3 ) 、重量和体积大。 1 4 2 有源电力滤波器( a p f ) 有源电力滤波器是利用电力电子器件实现的一种动态抑制谐 波、补偿无功的新型装置，其研究最早始于六七十年代f 1 9 2 0 1 ，于 8 0 年代后期成为研究热点，目前在一些国家已大量投入实际应用 【2 1 ，2 2 ，2 3 1 。我国于8 0 年代后期开始该方面的研究，取得了许多理论 成果，相对于无源滤波器，其有下列特点：( 1 ) 、具有高度可控性 和快速响应性；( 2 ) 、具有自适应功能，可自动跟踪补偿无功和谐 波；( 3 ) 、不受系统阻抗影响，消除与系统阻抗发生谐振的危险： ( 4 ) 、体积小、重量轻。考虑到我国电气化铁道的特点，采用有 源电力滤波器进行无功补偿和谐波抑制是研究方向。 有源电力滤波器的原理如图1 1 所示。图中检测控制电路主要是检 测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，因此有时也称之为谐波 和无功电流检测电路。主电路和驱动电路主要作用是根据检测控制电路 得出的补偿电流的指令信号，产生实际补偿电流。工作原理是，检测补 偿对象的电压和电流，经检测控制电路计算出补偿电流的指令信号，该 信号经驱动电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的 谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。 有源电力滤波器可以动态抑制谐波、补偿无功，能对大小和频率都 变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服l c 滤波器等传统 的谐波抑制和无功孙偿方法的缺点。是现代谐波抑制和无功补偿的主要 发展趋势。 i 。，厂 龟卜卜r r 一负载i 上一 一i 主电k 一驱动k 一检测i l 路ll 电路il 控i 图卜1 有源电力滤波器原理图 用于电气化铁道的有源电力滤波器( a p f ) 方案包括 2 4 , 2 5 1 西南交遵大学工程硕士研究生学位论文 第7 页 l 、单独使用静并联型a p f 。 2 、与电气化铁道殴有的滤波装置并联混合使用的a p f ( 注：已 有的滤波装溉主要作用是作为无功补偿电容器，通常加电感而成为 滤波装置，魏挂 主分缎缎切，发震趋势是采蠲熬阉管进行掇切，翱 t s f ，以下将该类滤波装鬟简称为t s f ) 。 3 、将a p f 与t s f 审联混合使用，a p f 串入电网侧。 4 、将a p f 与t s f 串联混合使用，a p f 统一串入t s f 中。 5 、将a p f 与t s f 攀联混合嫠愆，多个a p f 每天各茏t s f 中。 以上5 辩方案中，第1 种方案所需的a p f 装置容量大，仪用于 补偿谐波时，其容量即为补偿对象容量的2 5 4 0 ，飘不使用 融运行中的t s f ，显然不合理。 1 。5 本文研究的圭娶内容 目前我国的电气化铁道谐波抑制方案，主霭采用在牵引变电所 2 7 5 k v 侧集中补偿方式对无功功率进行补偿，黢滤滤波。出于滤波 装藿要承受2 7 。5 k v 离爨，嚣_ l 邈这黧灌渡撵鞠装鬟成本镶褒，实瑷 越来难度较大，所以有必要研究更合理的方案。 结合作者参与的“多功能平衡肇引变压器对有害干扰的治理” 研究课题，本文论述了利羽多功能平衡牵弓l 变攫器1 0 。5 k v 铡抽头 接入三穗滤波器逶嚣滤波豹方法，分聿厅了萁滤波嚣极瑾，磷究了滤 波器参数选择配置，对现场试运行测试数据作了分析，提出了有关 结论。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第8 页 第2 章多功能平衡牵引变压器的谐波 抑制机理 2 1 多功能平衡牵引变压器 多功能平衡牵引变压器是在原阻抗匹配平衡牵引变压器i j u j 基 础上发展起来的一种新型变压器，在继承原阻抗匹配平衡变压器利 用率高、电流平衡、有利于抑制负序等优点的基础上，通过在低压 侧三角形a 、c 相绕组中引入新的1 0 5 k v 自耦抽头，该两抽头与两 绕组的公共结点构成1 0 5 k v 的三相输出，使之不必采用特制的逆 斯科特变压器，便可以提供地区用电或所用电的配电电源。更为有 利的是通过该10 5 k v 抽头设置滤波支路，使谐波电流在次边达到 安匝平衡，对高次谐波产生对应的反电势相抵消，从而抑制或减轻 牵引负荷产生的谐波对电力系统的不良影响并改善功率因数，达到 只投入无源滤波资金的条件下，具备有源滤波的相似效果。它具有 变压、变相、提供地区三相供电电源、无功补偿和谐波滤波等多种 功能，可实现多种功能。 目前，平衡变压器已在电气化铁道上广泛应用，对改善电压水 平、提高牵引变压器容量利用率起到了很好的作用：但如何在既有 牵引型平衡变压器使用的基础上，利用其特点，从平衡变压器中间 引出1 0 5 k v 抽头，既提供三相电源，以利于改善牵引负荷产生的 谐波，为此，在实验室验证的基础上，我们开展了多功能平衡变压 器抑制谐波效果课题的研究，并在外福线电气化铁路闽清牵引变电 所进行了运行测试。 2 2 多功能平衡牵引变压器滤波的原理 电气化铁道牵引用的的电力机车是流动性的单相整流负荷。运 行中不但从电网中取得基波电流，还要向电网中注入大量的高次谐 波电流，并使电网功率因数降低，造成谐波污染和电能质量下降， 影响电网的安全运行和用电器具的正常工作。高次谐波是由牵引机 车整流负荷的非线性阻抗所形成，滤波是阻止谐波电流向原方高压 电网传送，以免原方电网受其污染和损害。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 为削弱由电铁机车产生的高次谐波电流和提高电网功率因数， 传统的方法是在2 7 5 k v 母线上并联接入补偿装置。补偿装置的基 波感抗与容抗之l p , 肌，x c ，一般选定为0 1 2 ，即大于l 9 2 0 1 1 l ，以 避免三次谐波电流放大。并补装置的滤波效果不仅取决于本身滤波 阻抗参数的大小，而且还与系统阻抗、变压器短路阻抗以及系统的 容量有关，总的谐波滤除率一般不会超过5 0 。 多功能平衡牵引变压器通过采用阻抗匹配方法，在平衡变压器副 方两边相绕组引出中间抽头，与公共接点构成低压的三相输出，可实现 低压三相电源以供本所用和地区其他低压负荷。 图2 一l 中，除d c 、e c 为2 7 5k v ， 给两相牵引负荷供电外，还有f g c 引 出端向1 0 5 k v 的三相负荷供电。引出 端位置除按电压要求确定匝数外，其 两端的绕组阻抗还得保持一定的比例 关系 2 “，使得f g 、g c 、c f 的三相内阻 抗相等，以便带负荷后的三相输出电 压一致，且换算到原方的三相电流仍 为对称。f 、g 、c 三相输出端可并接无 功补偿和滤波支路，通过引入电容对 c 图2 1 多功能平衡变压器的 副方电路 基波负荷作无功补偿，并对谐波电流进行滤波。在补偿电容上串接 适当的低值电感，对基波仍为容性，以起无功补偿作用。对谐波则 随着频率增大，容抗减小而感抗增大，产生相应滤波作用。以a 相 为例，图中a f 和f c 绕组布置在同一铁心上，有磁链紧密耦合相联。 当a f 通过某一频率的谐波电流时，如滤波支路置。一屁= o ，则f c 绕 组被短路，相当于电流互感器的副方绕组，要感生相应电流以产生 与a f 反方向的谐波磁通，使a f 和f c 的谐波安匝保持平衡，其合成 的安匝和剩余磁通被迫为0 ，避免了在同相铁心上的高压绕组感生 相应的谐波电流，从而对高压绕组起到滤波作用。以抽头分开的两 耦合绕组的安匝平衡作用实现滤波，与有源滤波注入补偿谐波相 似，但无需谐波发生源，而以绕组的自耦作用诱发补偿电流，其电 磁耦合起到自适应作用，具有较大的优越性和较强的实用性。 与常规滤波方法不同，多功能平衡变压器的滤波原理是利用靠 近铁心的两个二次绕组对谐波电流构成安匝平衡，即利用抽头分 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1o 页 开的两端绕组由于自耦联系所构成的安匝平衡作用，迫使谐波磁通 相抵消，以削弱电铁负荷产生的高次谐波磁通，减少或抑制高次谐 波电流向一次高压绕组的传递，这样，其滤波器的电容支路与无源 谐波相似，但串接电感可较单调谐滤波器对应频率所需量值为小， 改善了补偿效果，不出现谐波放大作用，抽头所联通绕组的自耦效 应相当于有源滤波的补偿电流，而无需大功率电子元件组成的谐波 发生源，因此，可以说该滤波效果保持了无源滤波和有源滤波的优 点，克服了其缺点，从而达到最佳的滤波效果。为保证原方一次侧 三相电流平衡，抽头两部分的阻抗必须满足一定的阻抗匹配关系， 见文献【2 9 3 3 。 图2 2 为多功能平衡变压器谐波分析模型。 c 图2 - 2谐波分析模型 图2 2 中勐为滤波器i 1 次谐波等值阻抗，其他阻抗为变压器 的等值阻抗。在牵引变压器中，副方一般带整流负荷，含有丰富的 谐波含量。对于某次谐波，可看作电流源激励，谐波源电流分别为 ，。和k ，当副方的谐波电流能够由其本身绕组构成安匝平衡时， 则原方绕组中将不存在该次谐波电流；反之，原方将有谐波电流出 陆 i ，1111山 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第11 页 二= 一 现。 由此可见，若副方某次谐波电流能够分别满足式( 2 - 1 ) 所示 的3 个安匝平衡关系式，则原方就不会出现该次谐波电流。 1 日n x w “七l “n x w ，：= 0 ，m + i f g o x + i a , x 2 0 ( 2 1 ) i g b ”十，。= 0 式e e 既。w e ，。w g b ，w b 。分别为副方各绕组匝数。 通过理论分析验证，可得到滤波器阻抗z 加应满足的关系式。如式 ( 2 - 2 ) 所示 卜”云乞。0 ，7 式中y 为抽头处的匝数比。 ( 2 2 ) 按式( 2 - 2 ) 所要求的参数设计滤波器。考虑系统无功补偿的要 求时，滤波器采用电容与电感相串联的形式。 2 3 多功能平衡牵引变压器滤波阻抗参数计算 多功能平衡变压器实现高次谐波滤波，关健是要合理选择滤波 支路参数，对于高次谐波而言，计算模型较为复杂，可利用m a t h c a d 7 0 数学软件【z7 l 对谐波模型进行求解和计算，以分析参数变化对原 方谐波电流的影响，给出参数最佳的变化范围，指导参数的选取。 对此，有关文献1 2 6 j 叫已作了详细介绍。 已知变压器的各种阻抗参数，则可以按照安匝平衡原理和谐波 滤波模型，通过理论计算得出在最佳滤波效果下的谐波等值阻抗， 再根据无功补偿要求，确定滤波装置的基波感抗和基波容抗。 2 4 多功能平衡变压器滤波效果的实验室测试结果 为确定多功能平衡变压器的滤波效果，湖南大学和长沙变压 器厂联合试制了模型机，并在实验室对其模型机的滤波效果进行测 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第12 页 试【28 1 ，其系统运行接线示意图2 - 3 如下 a c d 图2 3 结线示意图 通过加装模拟设备，模拟确定几种工况，投入滤波器后，由谐 波分析仪测出各种工况下的原边高压侧三相电压和电流的波形以 及波形畸变率。测试的结果表明，在投入滤波器后，谐波幅值均大 幅度降低，特别3 ，5 次谐波的滤波效果十分明显，对3 次谐波电 压，滤除率绝大部分达到6 0 以上，对于3 次谐波电流，滤除率绝 大部分在5 0 以上，最高滤除率达到近8 0 0 , o ，对5 次和7 次谐波电 流，也有比较好的滤除率。波形畸变率也大大降低。 堕壹奎望查兰三堡塑主塑窒竺兰焦笙塞 兰! ! 夏 _ - _ - _ _ 一 第3 章多功 胃- 匕匕t , - 1 7 衡牵引变压器滤波效果 的测试分析 3 。1外福线电气化工程牵引供电系统概况 外福铁路建成于1 9 5 9 年，1 9 9 8 年底，经铁道部组织论证，进 行电气化改造，并经国家批准立项，1 9 9 9 年8 月开工建设，2 0 0 0 年1 2 月2 8 日开通运营。外福线电气化工程设计采用银铜接触线简 单弹性悬挂，在南平南、古田、闽清、福州设四个牵引变电所，牵 引变压器采用平衡变压器，利用这种变压器，计算容量可选择低一 级，这样大大提高了牵引变压器的利用率，容量利用率可达9 5 以上，使运营费用大幅度降低，特别是目前电力部门采用两部制电 价( 即根据变压器容量收取基本电价加上按实际用电量收取电费) 的情况下，可节省可观的基本电费。 外福线电气化供电系统主要技术参数表见表3 1 1 3 4 。 表3 1外福线电气化供电系统主要技术参数表 a c b 供电臂( 长2 5 2 72 8 6 22 4 2 72 2 8 72 1 132 1 1 92 0 ，7 8 15 4 2 度k i n 区间4，44，3，2233 数) 蔗 计算容9 4 6 0 k 溺8 1 4 0 k v a8 2 5 0 k 蛸7 2 2 7 k 溺 日量 熏校核容l3 7 7 7 k v a1 1 6 6 0 k v a1 1 6 2 3 k v ai0 3 9 5 k v a 压量( 2 倍 器过负荷) 校核容 i 8 3 7 0 k v a 15 5 4 7 k v a 5 5 1 0 k v a 1 3 8 6 0 k v a 量( 15 倍过熊 穑) 安装窖2 2 0 0 k v a 2 6 0 0 0 k v r a2 6 0 0 0 k v a 2 6 0 0 0 k v a 量 主变空 2 19 x1 0 4 k w h1 8 6 1 0 4 k w h1 8 , 6 1 8 6 1 0 4 k w h 住 载损必 1 0 4 k w h 主变蛭 2 0 ，2 1 0 4 k w h2 0 3 1 0 4 k w h2 1 + 8 1 5 , 5 1 0 4 k w ，h 鹣攥必 1 0 4 k w h 壤 牵引能】3 6 8 1 7 1 01 4 0 7 1 2 2 6 1 3 9 21 2 8 7 1 1 4 78 7 2 耗 ( 1 0 4 k w 蘸 h 1 牵零| 秘3 1 了s 2 ，l2 7 2 l 。42 7 ，42 3 ，72 9 1 0 能耗 r 1 0 4 k w _ h 、 合计3 2 0 3 9 xl k wh 2 7 2 03 1 0 s k w h2 7 7 05 2 0 9 21 x 1 0 k wh 1 0 4 k w , h 年羽毫 1 0 8 o s k w h 量 负荷功 2 1 6 塞 ( m w ) 并电容器2 0 0 02 0 0 0 6 0 01 6 0 0 6 0 01 6 0 01 6 0 01 6 0 0 联顿定容 补量k v a r 偿 装 电抗器2 3 l 2 3 l18 51 8 51 8 s1 8 51 8 51 8 5 置 凝定窖 羹k v a r 牵弓冈电愿2 3 3 1 62 2 0 9 22 2 4 0 92 3 5 0 02 2 7 5 92 3 3 5 32 1 9 4 22 4 9 2 3 水平( v ) 供有效电1 5 眈5 01 7 2 忍3 51 4 对0 01 3 3 1 8 0l 乜o o 3 9 1 8 51 3 1 l1 0 了， 电漉( 越常1 7 71 5 8 鹫理 爨) a 短 l 尊电3 签，5 0 3 7 咐8 33 l 蝴 2 8 4 3 9 43 l 酃镗32 9 粥9 82 9 9 ，2 s 讲 流( 越常3 7 83 柏 ，紧密) a 瞬时电4 3 8 衢1 8 5 0 函砸54 5 4 5 6 44 2 s t s 3 54 2 7 5 3 44 2 0 ，5 】84 3 0 ，4 0 2 漉( 燕嚣5 0 94 9 t ，紧密) a 其中闽清牵引变电所主变雁器采用了长沙变压嚣厂生产的多 功能平衡变压器，安装容量2 1 6 0 0 0 k v a ，为补偿无功，提高功率 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1s 页 一一 因素，原设计在牵引侧2 7 5 k v 两相设有固定并联无功补偿装置， 并联支路电容采用单台8 4 k v 、l o o k v a r 、4 5 luf 的电铁专用电容 器。电容器组4 并4 串，支路总电容安装容量1 6 0 0 k v a r ；两套共计 3 2 0 0 k v a r ，串联电抗器感容抗比为0 1 2 ，以无功补偿为主，兼顾三 次谐波滤波。总补偿容量按基波等值阻抗计算： 容抗z 。 2 丽2 云万i 而i 鬲丽 感抗h = o 1 2 x 。= 0 1 2 7 0 6 1 = 8 4 7 3 2 ( f f 2 ) 总补偿容量为q ：! ：! ! ：! ：! ! ! ：2 。1 2 1 7 0 7 ：2 4 3 4 t 5 ( k v a r ，电 x ( - 一x l 容器利用率= 2 4 3 4 15 3 2 0 0 = 7 6 0 7 。 3 2 闽清牵引变电所多功能平衡变压器滤波器设置方 案 为验证多功能平衡变压器通过1 0 ，5 k v 侧抽头进行滤波的效 果，课题组根据闽清牵引变电所主变和供电系统参数，设计了滤波 装置和测试方案。 3 2 1 滤波器主要参数选定 电容和电感的配置是按照最大滤掉三次谐波的需要考虑的，其 基本要求是滤波回路电感和电容的三次谐波综合阻抗满足最大滤 掉三次谐波的需要。根据工厂提供的闽清牵引变电所用多功能平衡 变压器( 1 6 0 0 0 k v a 1 】o k v ) 的设计参数，对于三次谐波的等值阻 抗为：z 。= 2 ，o j ( f 1 ) 呈纯电容性( 考虑补偿无功需要) ，允许偏差 5 。 滤波器由电抗器和电容器串联组成，则： z f n = z 3= 一j 2 0 = ( 3 x l l x c l 3 ) j( 3 一1 ) 式中 丘一一基波容抗；x ，一基波感抗； z 扬一一谐波等值阻抗： 电抗器与电容器的选取须满足无功补偿和滤波两方面的要求，设 三相总无功补偿容量为q ( k v a r ) ，抽头处的电压为u ( k v ) ，则 x 。l 和x l l 应满足： x c l x l l = 3 u 2 1 0 3 q( 3 2 ) 西南奎望查兰三堡塑主塑塞竺兰焦笙窒 塑! ! 里 _ _ _ _ _ - _ _ 一 式中u = 1 0 5 k v 一一抽头处的电压； d 一一实际的无功补偿功率： 把u 。= 1 0 5 k v 代入，则根据式( 3 - 1 ) 和( 3 - 2 ) 可得： y 一! ! 兰竺垒：兰! ! ! 一三= ! ! 兰! ! ：! ! 兰! ! i 一三 ( 3 3 1 、8 q 4 8 0 4 x l l = x c i 9 2 3 ( 3 4 ) 根据式( 3 - 3 ) 、( 3 4 ) 求得不同无功补偿功率下x 。和x c ，的关系 如表3 2 所示。 表3 - 2 x 。x 。、，和q 的关系 无功q ( k v a r )x l l x c lx l x c l 1 6 0 02 5 ，0 9 2 3 1 8 1o 1 0 8 2 2 0 0 01 9 9 218 5 3 0 0 1 0 7 5 2 4 0 01 6 4 815 4 2 9 o 1 0 6 8 2 8 0 01 4 0 213 2 1 4 0 1 0 6 l 3 2 0 01 2 1 7 1 15 5 3o 1 0 5 3 从表3 2 的数据可以看出，x ：。比值均小于1 9 ，采用此 种滤波方法时无需考虑谐振引起谐波放大。 结合闽清牵引变电所原设计2 7 5 k v 支臂无功补偿并联电容装 置参数，根据目前电容器产品状况：单台电容器有8 4 k v ，1 0 0 k v a r ， 4 5 l u f ( 容抗值7 0 5 6 q ) 和6 3 k v ，1o o k v a r ，8 0 2 u f ( 容抗值3 9 6 9 q ) 两种规格，就测试采用的滤波器支路电容器与电抗器的配置，有三 种方案可供选择，如表3 3 所示： 表3 - 3 三种补偿方案性能比较 序号方案1方案2方案3 联结方式 单台单台单台 8 4 k v ，1 0 0 k v a r 8 4 k v ，1o o k v a r 6 3 kv 10 0 k v a r 单支路：2 串，10 并单支路：2 串，9 并单支路：2 串，6 并 等值容抗 1 4 1 1 21 5 6 813 2 3 ( q ) 感抗( q ) l5 0 11 6 7 61 4 0 3 感容比( ) 1 0 6 4l o 6 91 0 6 0 对基波等值 1 2 6 ，1 11 4 0 0 41 18 2 7 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第17 页 阻抗( q ) 对三次谐波 2 0 11 9 92 0 1 等值阻抗 ( q ) 总补偿容量2 6 2 2 72 3 6 1 8 22 7 9 6 5 7 ( k v a r ) 三相总电容2 7 0 6 72 4 3 6 02 8 8 7 2 量( u f ) 注：( 1 ) 基波等值阻抗= 感抗一等值容抗 ( 2 ) 对三次谐波等值阻抗= 3 感抗一等值容抗3 ( 3 ) 总补偿容量按基波等值阻抗计算 【4 ) 三相总电容量：单台电容量 总电容个数 从3 3 表中可以看出，三种方案对三次谐波的等值阻抗均基本 接近一2 o q ，滤波效果基本相同，但方案3 所用电容器个数最少， 而补偿容量为最大，且单台电容器电压等级最低，电感量亦最小， 所以，该方案最为经济。该方案中，电容器2 台串联，其最高允许 电压为2 6 3 = 1 2 6 k v ，考虑其约1 1 的感容比，则电容器所承受 的电压为1 0 5 ( 1 0 1 1 ) = 1 1 8 k v ，低于最高允许电压近8 0 0 v ， 有足够的安全裕度。 为此，本次试验滤波方案确定采用单台规格为6 3 k v 、1 0 0 k v a r 、 8 0 2uf 的电容器，电容器组为2 串6 并的方案，电容器采用加强 绝缘型，每一支路电容安装容量2 6 1 0 0 k v a r = 1 2 0 0 k v a r ，总电容安 装容量为3 1 2 0 0 = 3 6 0 0 k v a r 。根据闽清牵引变电所实际安装需要， 串联电抗器按滤波要求特殊设计为户内安装的干式电抗器，并能在 5 内连续调感。 计算如2 森。历2 瓦4 丽5 0 x 孟丽80 2 0 ：1 3 2 t 3 ( q ) 2 刀，卺