110kV MSVC装置在电气化铁路供电系统中的应用

110kV MSVC 装置在电气化铁路供电系统中的应用装置在电气化铁路供电系统中的应用 2011 05 13 10 35 47 作者 贺应华 孙进科 付大志 王波 来源 互联网 文章转载请注明出处 近年来 我国电气化铁路建设进入高速发展阶段 根据国务院批准的 中长期铁路 发展规划 到 2020 年我国铁路里程将达到 120000 公里 其中电气化铁路 72000 公里 主要干线都将实现电气化 铁路电气化率约 60 将承担 80 以上的运量 而且随着科 技的不断发展 这一比例还将继续上升 关键字 关键字 电气化铁路 25 篇 供电系统 43 篇 青岛市恒顺电气股份有限公司 1 引言引言 近年来 我国电气化铁路建设进入高速发展阶段 根据国务院批准的 中长期铁路发展 规划 到 2020 年我国铁路里程将达到 120000 公里 其中电气化铁路 72000 公里 主要 干线都将实现电气化 铁路电气化率约 60 将承担 80 以上的运量 而且随着科技的不 断发展 这一比例还将继续上升 虽然 电气化铁路有着诸多优点 但是作为一种特殊的电力系统 其负载电力机车为波 动性很大的大功率单相整流和逆变负荷 会通过牵引供电系统向电网注入较大的谐波电流 同时也会引起母线电压波动和三相电压不平衡等问题 严重影响电力系统的电能质量 因此 当一个变电站带有电气负荷时 就要综合考虑电气化铁路这一特殊负荷对变电站及 供电系统的影响 必要时应采取相应的措施予以治理 解决以上问题最常用的办法就是在负载侧或变电站装设可根据系统无功状况进行跟踪补 偿的静止型动态无功补偿装置 SVC 装置 目前 在高压电力系统中目前常用的 SVC 装 置主要由两种 1 TCR FC 型 简称 TSVC 晶闸管控制电抗器 滤波电容器装置 2 MCR FC 型 简称 MSVC 磁可控电抗器 滤波电容器装置 其中 TCR Thyristor Controlled Reactor 型 SVC 装置在我国应用较早 目前已有很多 在电力系统及工况企业用应用 其优点为响应速度快 补偿方式灵活 缺点是制造成本高 占地面积大 维护及维修工作量大 而且受到可控硅阀组技术的限制 只能应用在 35kV 及以下的电力系统中 而 MCR 型 SVC 是基于磁阀式可控电抗器 Magnetic Valve Controlla ble Reactor 简称 MCR 技术的 SVC 其由磁阀式可控电抗器 MCR 加滤波电容器装置 FC 构成 与 TCR 型 SVC 装置相比 MCR 型 SVC 具有成本低 占地面积小 谐波发 生量小 基本免维护等优点 而且由于 MCR 独特的结构和与油浸式电力变压器相同的制 造工艺 所以 结合高压并联电容器或滤波装置在高压系统中成功应用的经验 MSVC 装 置具有可直接应用于 6 500kV 甚至更高的任何电压等级系统中的条件 MSVC 装置弥补了 TSVC 装置许多固有的缺陷 所以 近年来该技术在我国取得了长足的进步并得到了广泛 的应用 电气化铁路的牵引变电所通常是由电力系统的 110kV 或 220kV 电网供电 由三相变压 器降压至 27 5kV 然后接入接触网 因此 对于电气化铁路供电系统电能质量的治理只能 通过在 27 5kV 侧分散设置多个单相 SVC 装置和在 110kV 侧集中设置 1 个三相 SVC 装置 两种方式来实现 由前面的分析可以看出 若在在 110kV 侧治理 最理想的方式就是采取 MCR FC 模式 为解决在 110kV 电网侧治理电气化铁路负荷对电能质量造成的危害 2007 年 12 由张家 口供电公司和我公司共同立项 针对张家口地区由于电气化铁路等不对称波动负荷和冲击 负荷造成的电网电能质量问题 研究综合治理解决方案 以阎家屯变电站为试点 采用基 于 110kV 磁控电抗器 Magnetic Controllable Reactor MCR 技术的新型 SVC 控制方式 研制适合变电站运行特点的 110kV MCR 型动态无功补偿兼谐波治理装置 2 系统状况及解决方案系统状况及解决方案 2 1 系统状况 张家口供电公司 220kV 阎家屯变电站的主要负荷为电气化铁路 主变 110kV 侧一段母 线专线给牵引站供电 由于电力机车为大功率单相冲击性负荷 使得电压波动 闪变 三 相电压不平衡度 谐波电压和谐波电流等多项电能质量指标超过国家标准限值 给电网造 成了严重污染 影响了其它负荷的正常使用 目前变电站共有 3 台 220kV 110kV 35kV 主变压器 其中 1 和 3 主变容量为 180MVA 2 主变容量为 120MVA 1 主变接 4 母线 3 主变接 5 母线 2 主变备用 11 0kV 和 220kV 母线均分列运行 110kV 5 母线带电铁负荷 110kV 4 母线带风电负荷 本项目设置的 110kV MSVC 接于 5 母线运行 为分析系统电能质量状况并为方案设计提供参考数据 我公司对张家口阎家屯 220kV 变 电站 110kV 侧专线给牵引站供电的母线进行了连续监测 电能质量测试结果如下 表 1 电能质量测试数据 谐波次数 谐波电流 A谐波电流允许值 A 321 59 79 517 69 79 77 66 93 113 24 38 132 63 77 谐波电压总畸 变率 3 2谐波电压允许值 2 短时间电压闪 变 Pst 1 8短时电压闪变限值 0 8 短时间电压闪 变 Plt 0 87短时电压闪变限值 0 6 三相电压不平 衡度 3 2三相电压不平衡度限值 2 由上述数据可以看出 110kV 母线电压谐波总畸变率 3 次 5 次 7 次谐波电流含量 电压闪变和电压不平衡度均超过国家标准规定的限值 2 2 方案设计 根据变压器的供电容量 系统的无功波动情况以及电能质量状况 确定了最终的设计方 案 并提出了具体的实施建议 方案如下 设计安装一套 110 千伏 MCR 型 SVC 装置 通过母联开关与 4 5 母线联 接 MSVC 装置的 FC 分为两组 兼做无功补偿使用 分别配置为 3 5 次谐波单调谐滤波 器 由此可以快速 连续地对冲击性负载进行动态无功功率补偿和谐波滤除 装置内支路设置及容量分配见表 2 表 2 FC MCR 型 MSVC 具体容量配置 阎家屯变电站 110kV FC MCR 型 SVC 容量配置表 FC 组别 3 次滤波器 5 次滤波器 MCR 容量 18Mvar18Mvar24Mvar 合计 36 Mvar24 Mvar 根据系统状况以及 110kV 滤波装置的设计经验 滤波支路采用了单星形接线桥式不平衡 电流保护的接线方式 并设置了过流 过压及欠压保护方式 110kV 磁控电抗器采用星型 接线的分级绝缘结构 并通过优化设计和工艺 将工作绕组和控制绕组有机的结合为一体 大大简化了产品结构及外部连接线 3 运行效果测试运行效果测试 2010 年 10 月 26 日至 27 日 阎家屯变电站 110kV MSVC 进行了启动及各运行方式的 测试工作 整个启动及调试运行 测试工作由张家口供电公司 华北电科院和青岛市恒顺 电气股份有限公司共同完成 3 1 MCR 负载特性测试 为考核 MSVC 装置的耐受冲击能力 在转入负载状态之前先对 MCR 在空载状态下进行 了 5 次投切试验 每次带电 10 分钟 然后再对 H3 和 H5 支路各进行了 3 次投切试验 在 H3 和 H5 支路带电状态下 手动改变磁控电抗器的触发角 并观察和记录电流 容量变化 状况 测试结果见图 1 图 2 3 2 电能质量改善效果测试 在对 MCR 进行完手动测试后 MSVC 转入自动运行状态 cos 设定为 0 999 时时 稳态 运行 110kV5 母线电压一直稳定在 113 96kV 附近 三相电压不平衡率非常小 且 110kV5 母线所需无功功率也控制在 1Mvar 左右 无功就地平衡效果非常好 MSVC 装置全部投入 情况下 且自动运行方式时的测试数据见表 3 表 3 MSVC 装置投入后电能质量测试结果 谐波次数 谐波电流 A谐波电流允许值 A 32 529 79 55 179 79 70 666 93 110 534 38 130 43 77 谐波电压总畸变率 1 79谐波电压允许值 2 短时间电压闪变 Pst0 65短时电压闪变限值 0 8 短时间电压闪变 Plt0 13短时电压闪变限值 0 6 三相电压不平衡度 0 47三相电压不平衡度限值 2 4 结论结论 1 110kV MCR 和 FC 滤波电容器装置均经过了全压冲击和满载运行测试 各项电气性 能指标无异常 具备正常运行条件 2 MSVC 正常运行状态下 对平抑 110kV 侧母线电压和平衡 110kV 系统无功起到的作 用很大 而且自动运行方式时 110kV 和 35kV 母线电压比较稳定 动态补偿调节作用明显 3 110kV MSVC 投入后对电网电能质量的改善效果明显 谐波电压总畸变率 谐波电 流含量和电压闪变等电能质量指