毕业论文-牵引变电所并联电容补偿装置的保护接地(论文)

1、西 南 交 通 大 学专科毕业论文并补装置的保护接地探讨年 级:20082008学 号:2008307020083070姓 名:xx专 业:电气化铁道技术指导老师:谢 刚20102010 年年 1010 月月 西南交通大学成人专科毕业论文 第 I 页院 系 电气工程学院 专 业 电气化铁道技术年 级 2008 级（函）02 班 姓 名 xx 题 目 并补装置的保护接地探讨 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 西南交通大学成人专科毕业论文 第 II 页毕业论文任务书班 级 电气化铁道 2008-函 02 班 学生姓

2、名 xx 学 号 200000 发题日期： 2010 年 01 月 15 日 完成日期：2010 年 10 月 01 日题 目 牵引变电所并联电容补偿装置的保护接地 1、本论文的目的、意义 铁道电气化能实现重载和高速牵引，但铁道电气化牵引网由于无功负荷大，功率因数低，使电压质量下降，线路损耗增大，还使供电设备不能充分发挥其能力。电力机车负荷是一个谐波源，高次谐波给系统及供电设备带来严重的影响，为了提高供电质量和增加系统的稳定性，铁路牵引网必须增设并联补偿和高次谐波滤波装置。保障并补设备和高次谐波滤波装置可靠运行是铁路运营畅通无阻的前提。牵引变电所并联电容补偿装置在采用整流式电力机车的单相交流电

3、气化铁道上，对解决无功补偿问题和高次谐波滤波问题都具有重要的意义。调研电气化铁路的发展概况及趋势是认识铁路和改造铁路的基础，为适应铁路高速、安全、舒适的发展趋势，以达到无功补偿和高次谐波吸收的主要目的，同时提高电压水平，减少负序电流的要求，对典型牵引变电所并联电容及补偿装置差压、差流保护的接地进行深入地分析，并就现在正在研制使用的一种随机方式的并联电容补偿装置进行研究具有重大的意义。 2、学生应完成的任务 调研电气化铁路发展概况、趋势及课题研究背景，明确毕业设计的任务与完成的工作；对牵引供电系统的特性进行分析，对牵引变电所并联电容补偿装置进行介绍，在此基础上对典型牵引变电所并联电容及补偿装置差

4、压、差流保护的接地进行深入地分析，并对随机方式的并联电容补偿装置进行介绍。 西南交通大学成人专科毕业论文 第 III 页3、论文各部分内容及时间分配：（共 12 周）第一部分 绪论 电气化铁路发展概况及趋势、课题研究背景 ( 1 周) 第二部分 牵引供电系统的特性 ( 2 周) 第三部分 并联电容补偿装置 ( 2 周)第四部分 电容补偿装置差压保护的接地 ( 3 周) 第五部分 降压随机电容补偿装置 ( 3 周)评阅及答辩 ( 1 周)备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日 西南交通大学成人专科毕业论文 第 IV 页摘 要在采用整流式电力机车的单相交流电气化铁道上，牵引网的功率

5、因数一般在0.8 左右。由于功率因数低，无功负荷增大，不仅电压质量下降，线路损失增加，同时还使供电设备不能充分发挥能力。电力机车负荷是一个谐波源，铁路部门对牵引系统高次谐波给系统和供电设备带来的影响极为重视。不论是解决无功补偿问题，还是解决高次谐波滤波问题，都是采用电容电抗回路构成的电容器组，并联到牵引供电网上的方式。为了提高供电质量和增加系统的稳定性，铁路牵引网必须增设并联补偿和高次谐波滤波装置。保障并补设备和高次谐波滤波装置可靠运行是铁路运营畅通无阻的前提。本文就牵引变电所并联电容补偿装置进行了介绍，在此基础上对典型牵引变电所并联电容及补偿装置差压、差流保护的接地进行深入地分析，并就现在适

6、应适应国家有关规定而采用一种随机方式的并联电容补偿装置作了介绍。第一章主要介绍电气化铁路的发展及趋势；第二章就牵引供电系统的特性进行介绍；第三章对牵引变电所并联电容补偿装置进行介绍；第四章是牵引变电所电容补偿装置差压保护的接地的重要性进行分析；第五章是对降压随机电容补偿装置进行分析。关键词：谐波滤波；并补；保护接地 西南交通大学成人专科毕业论文 第 V 页目 录第 1 章 绪 论.11.1 电气化铁路发展的概况及趋势 .11.2 课题研究背景 .2第 2 章 牵引供电系统的特性.5第 3 章 并联电容补偿装置.93.1 并联电容补偿装置问题的提出 .93.2 电容电抗串联滤波回路 .103.3

7、 并联电容补偿装置 .103.4 确定并联电容补偿装置安装容量 .113.5 电容补偿对负序电流与电压的补偿功能 .123.6 电容装置投切的暂态分析 .143.7 一次与二次接线及设备 .16第 4 章 电容补偿装置差压保护的接地.174.1 电容补偿装置差压保护的接地的原理 .174.2 电压升高对继电器保护的影响 .23第 5 章 降压随机电容补偿装置.255.1 降压随机电容补偿的原理 .255.2 随机电容补偿方式降压变压器和电容容量的选择 .275.3 降压随机电容补偿中的低压大电流问题 .285.4 降压随机电容补偿和常规电容补偿的经济比较 .28结 论.30致 谢.31参考文献

8、.32 西南交通大学成人专科毕业论文 第 1 页第 1 章 绪 论1.1 电气化铁路发展的概况及趋势1842 年英国人罗伯特.戴维斯在爱丁堡至格拉斯哥的铁路上利用玻璃式电池作为动力源，制作了一台 5t 重的电动车辆，用整流子式电动机驱动车辆运行。到了20 世纪 50 年代，一些工业发达的国家，为完成急剧增长的运输任务，以及于其他运输业竞增的需要，开始大规模地进行铁路运输业的现代化建设，主要是牵引动力现代化建设。我国电气化铁路建设，是在新中国成立后才开始的，比世界其他几个电气化铁路大国一般要晚半个世纪。1961 年 8 月 15 日，在新建的宝成线宝鸡至凤州段建成了我国第一条电气化铁路，全长 9

9、3 公里。这条电气化铁路运营后，很快就显示了蒸汽机车和内燃机车不可比拟的优越性。到了 60 年代末，为了加速大西南的建设，沟通西南地区与全国的物资交流，宝成线凤州至成都段的电气化又重新上马。经过电气化建设者们几年的艰苦奋战，于 1975 年 7 月 1 日，676 公里长的宝成电气化铁路全线建成通车。它的建成在我国铁路建设史上产生了重大影响，受到了社会各界高度赞扬。 从党的十一届三中全会作出全党工作的着重点转移到社会主义现代化建设上来以来，我国电气化铁路建设才逐渐快了起来，襄渝、石太、宝兰和成渝等四条线的电气化工程相继开工，而且开始向货流密度大、运输繁忙的干线发展。特别是到了上世纪 80 年代

10、以后，随着我国改革开放的不断向前推进，我国电气化铁路建设更有了飞速的发展。六五期间修建了电气化铁路 2507.53 公里，七五期间修建了 2787.10 公里，八五期间修建了 3012.21 公里，九五期间修建了4783.77 公里，而且还胜利建成了我国第一条时速 200 公里的广深准高速电气化铁路，建设速度一年比一年快，建设规模也一年比一年大。十五期间，我国电气化铁路建设进一步加快。2001 年一年就建成了电气化铁路 2652.40 公里，如果加上株六铁路复线娄底至六盘水段 873 公里和广深铁路第三线 140 公里，建成的电气化铁路里程达 3665.40 公里，建设速度创造了世界电气化铁路

11、建设史上的最高纪录。2002 年又建成了电气化铁路 1193.12 公里，还建成了我国第一条快速客运专线-秦沈电气化铁路。截止到 2002 年底，我国已建成了 41 条电气化铁路干（支）线，电气 西南交通大学成人专科毕业论文 第 2 页化铁路建设里程达到了 18615.73 公里（营业里程为 18115.1 公里） ，已经超过了日本、印度，跃居亚洲第一位，世界第三位，成为世界电气化铁路大国。 从 2001 年起，我国开始实施第十个五年计划。在十五期间，我国铁路的发展重点是，加强路网主通道建设，加快西部铁路发展，继续实施提速战略，适当建设高速铁路，利用新技术改造传统产业。改造传统产业主要是加强对

12、既有线改造力度，加快铁路电气化改造进程，以适应国家能源结构调整需要。铁路电气化建设与以往不同的是注重联网效益，要成网、成片考虑，以充分发挥电力牵引拉得多，跑得快的潜力，较大幅度地提高铁路的运输能力。到 2010 年，我国的 5 条主要繁忙长大干线-京哈线、京广线、京沪线、陇海线和沪杭浙赣线都将全线实现电气化，八纵八横 16 条主通道将有 12 条基本建成电气化铁路；还将建成京沈、京津、沪杭、长衡 4 条电气化客运专线；我国 6 个大区-西南、西北、华北、中南、东北和华东的电气化铁路将基本连接成网。我国第一条高速电气化铁路-京沪高速铁路也将全面动工兴建。到那时，我国铁路的电气化率预计将达到 34

13、.6%（约占国家铁路营业里程的 40%以上） ，电气化铁路复线率将增加到68.9%，电气化铁路承担的客货运量将占铁路总运量的 65%以上。上述 5 条长大干线的旅客列车运行速度将普遍达到每小时 140-160 公里，而京沈、广深、京津、沪杭、长衡等快速客运专线的旅客列车运行速度将达到每小时 200 公里。京沪高速铁路的旅客列车运行速度将达到每小时 250-300 公里；我国几条主要繁忙干线的货物列车载重量将普遍达到 4000-5000 吨，而大秦和朔黄两条运煤专线的载重量将突破一万吨。电气化铁路的各项主要运营指标，如输送能力和通过能力、列车运行速度和列车平均总重量、电力机车的日车公里和日产量等

14、都进入世界先进行列。我国的电气化铁路正向着高速、安全、舒适的方向发展。1.2 课题研究背景全国供用电规则中规定：无功电力应就地补偿。用户应在提高用电自然功率因数的基础上，设计和装设无功补偿设备，并做到随负荷和电压变动及时投入或切除，防止无功电力倒送。高压供电的工业用户，功率因数应为0.90以上。我国电气化铁道电力牵引负荷对电力系统的影响，主要表现在功率因数、负序 西南交通大学成人专科毕业论文 第 3 页及高次谐波上。目前，对高次谐波的影响进行了较深入的研究，并提出了一些消除高次谐波影响的方法，如有源滤波法和无源滤波法等。电铁负序对电力系统的影响随着系统容量的增大以及各牵引变电所采用轮换接线的方

15、式，基本消除了。提高功率因数的一条有效途径是装设无功补偿装置。本篇文章针对原绵阳供电段几个牵引变电所并联电容补偿装置，因电压、电流互感器接地问题，而引起的保护装置误动，阐述了发生的原因以及改进的方法。1994年江油牵引变电所差流保护动作，经我们检查和试验发现，并联电容补偿装置的一、二次设备均正常，后经分析认为，保护误动是由于电流互感器二次侧出现两点接地，从而导致差流保护的误动。1996年大炉山、沙溪坝牵引变电所并联电容补偿装置，差压保护多次发生动作，我们检查和试随后经过分析讨论，认为是因为并联电容装置中电压的接地不是直接接地，而是通过放电间隙接地，从而发生差压保护误动。以上实例说明，过去牵引变

16、电所并联电容补偿装置存在着很大的缺陷，严重影响电气化铁路的可靠运行。随着国民经济的迅速发展，我国电气化铁路发展迅猛，因而目前当务之急就是解决这一问题。从我国铁路运多年营实践表明，电气化铁道电力牵引与其它牵引方式相比较，具有不可比拟的优越性。山区铁路，电力牵引是一种比较理想的牵引动力。而我国山区较多，特别是在西部地区，目前在西部铁路主要是电力牵引。牵引负荷电流变化范围大，负荷电流相位角的角度与线路上机车数量和状态有关，是不断变化的，而电力机车电流的相位角为250400，所以，牵引网的功率因数较低，一般正常负荷情况下在0.8左右。牵引网供电的对象是整流型电力机车，负荷电流非正弦的，是一个谐波源，三

17、次谐波含有量最高为20左右。由于功率因数低，无功负荷增大，不仅电压质量下降，线路损失增加，同时还使供电设备不能充分发挥能力。 我国普遍采用在电气化铁道牵引变电所27.5kv母线上安装并联电容补偿或并联电容高次谐波滤波装置的方法，一方面，将牵引网的功率因数提高到0.95左右，另一方面，吸收高次谐波改善电流波形，提高网压，降低牵引供电系统及供电设备的影响。不论是解决无功补偿问题还是解决高次谐波问题，都是采取用电容电抗串联 西南交通大学成人专科毕业论文 第 4 页回路构成的电容器组，并联到牵引供电网上的方式。并联电容电抗回路的继电保护一般用电流速断、差流保护、差压保护作为主保护，过电流保护作为辅助保

18、护。根据多年运行经验，我们知道差压、差流保护装置的接地将影响保护的可靠性。为此，对差压保护的接地问题进行探讨。 西南交通大学成人专科毕业论文 第 5 页第 2 章 牵引供电系统的特性为适合牵引供电系统高电压、大电流的电气化铁路用电要求，我国西南地区牵引变电所的主变压器的主接线为 Y/11，牵引负荷为单相负荷，三相牵引变压器只供三相牵引变压器只供两单相牵引负荷，即将三相交流电变为两个单相交流电供电，这样就增大了电力系统的不平衡度。目前牵引变电所逐步采用阻抗平衡牵引变压器，并轮换电源进线相序，以减少对电力系统的不对称影响。1 1、牵引供电系统采用结构简单、成本和维修量小的直接供电方式（见图、牵引供

19、电系统采用结构简单、成本和维修量小的直接供电方式（见图 2-12-1）牵引变电所通过接触网、电力机车、钢轨（大地）向电力供电。这种供电方式的特点是：钢轨和大地担负了回流导线的任务，任意点钢轨内的电流是由感应分量和传导电流分量组成，对铁路沿线的通讯线路干扰大。为了减少对通信线路的干挠，近年来部分线路，采用加装架空回流线的直接供电方式。 2 2、牵引负荷随机波动大、牵引负荷随机波动大担负向电气化铁道供电任务的牵引变电所，每天 24 小时内之负荷电流，由于不同时间列车运行对数不同，运行过程中的加速、恒速、惰行、制动等变化，列车行进线路条件不同,有时是零或很小，有时又很大，超过额定电流的一、两倍。在接

20、触网电压下空载投入电力机车变压器时将产生励磁涌流，涌流的幅值可达500600A。特别是当接触网突然断电，机车失电，而后由自动重合闸动作将馈线断路器QB-牵引变电所 acs-接触网 G-钢轨 D-大地 RT-吸上线QBacsGDRT图 2-1 直接供电示意图 西南交通大学成人专科毕业论文 第 6 页重新投入时，牵引网馈线电流将达到很高的数值。即牵引负荷随机变化率（变化范围为 0 到 600800A）很大。3 3、牵引负荷是非线性负载、牵引负荷是非线性负载现行的 SS3 型电力机车为交直（ACDC）型，即将交流电经全波整流这一非线性过程得到直流电，供直流牵引电动机。牵引负荷电流是非正弦波，正常运行

21、时，牵引网电流典型的波形如图 2-2，一般介于方波与三角波之间。显而易见它们含有高次谐波，而且是半波对称的波形，因此它只有奇次高次谐波。在采用整流式电力机车的单相交流电气化铁道上功率因数低，无功负荷增大，线路损失增加，同时还使供电设备不能充分发挥能力，牵引负荷的谐波具有幅值波动大、相位分布广泛的特点。从所周知，对于 3、5、7 次滤波器来说，在系统额定频率下，其回路串联谐振点分别为 30.111，5=0.04，7=0.02。如系统频率下滑，则滤波回路将呈容性，与系统感性阻抗形成某次谐波的谐振。因运行和生产制造误差而使电容与电感参数变化，也可能出现上述现象。为了避免滤波回路出现容性，我们可以在取

22、定的频率范围内（计及系统频率变化以及运行和制造误差造成的参数）对滤波装置进行偏调设计在电容器回路中串联电抗器，保证滤波回路或并联电容补偿回路，在运行中对各高次谐波始终有感性成份存在的状态，防止高次谐波谐振。4 4、牵引供电系统具有单相独立性和不对称性、牵引供电系统具有单相独立性和不对称性三相牵引变电所都是将 110kv 三相交流电变为 27.5kv 两相交流电,两相（异相）单独向两边供电臂供电，一条馈线负荷可能在另一条馈线上引起电压损失而影响其电压水平，在正常网压范围内，由于机车自身的调节功能，其取流受另一馈线造成的影响甚微，牵引变电所各供电臂的取流具有独立性，是随机波动的。相对三相电力系统而

23、言，牵引负荷具有不对称性。对于不对称电路，可以利用对称分量法将电压、电流分解为正序、负序和零序三个量。即：图 2-2 整流型机车电流波形 西南交通大学成人专科毕业论文 第 7 页UA=U1+U2+U0UB=a2U1+aU2+U0UC=aU1+a2U2+U0IA=I1+I2+I0IB=a2I1+aI2+I0IC=aU1+a2U2+U0式中 a=ej120，U1、U2、U0、I1、I2、I0 分别为正序、负序和零序电压、电流。因为 a2a10，所以，在牵引网无接地故障情况下，零序电流、零序电压为零。因此主要是负序分量。单相独立的牵引负荷也独立地在电力系统中造成负序，即使采用三相两相平衡接线，由于两

24、臂负荷的随机性，也仍有随机波动的剩余负序电流进入电力系统。当两牵引负荷大小不等时，无论采用何种接线方式的牵引变压器均不能自行彻底消除负序（电流或负序功率） ，即此时恒有剩余负序电流存在。 由于两臂负荷的随机独立性，即使是阻抗平衡变压器仍有随机波动的未被平衡的剩余负序电流通过牵引变电所进入电力系统，在电力系统中造成负序电流。宝成线开行的重载大列，负序电流将直接影响电力网的安全运行。5 5、Y/Y/变压器各绕组中分布的高次谐波电流变压器各绕组中分布的高次谐波电流根据江油变电所安装滤波装置后的实践，说明电气化铁道牵引供电系统高次谐波电流在牵引变压器绕组中的分布，Y/11 流器绕组中接线牵引变压器负荷

25、侧等效电流及谐波电流的分布如图 2-3 所示。谐波电在变压的分布情况是不相同的。用1/3ba1/3ab1/3ar 1 /3br ar 1/3an 1/3bnan abc图 2-3 高次谐波电流在 Y/11 牵引变压器绕组中的分布 西南交通大学成人专科毕业论文 第 8 页通常电力系统三相对称负荷的谐波相位计算，则有：对于三次谐波绕组中电流为：Iac3=2/3Ia3+1/3Ib3Iab3= 1/3Ia3 1/3Ib3Iac3= 1/3Ia3 +2/3Ib3对于五次谐波绕组中电流为：Iac5= 2/3Ia5 +1/3Ib5 ej120 Iab5= 1/3Ia5 1/3Ib5 ej120Iac5= 1

26、/3Ia5 +2/3Ib5 ej120 对于七次谐波绕组中电流为：Iac7= 2/3Ia7 +1/3Ib7e-j120 Iab5= 1/3Ia7 1/3Ib7e-j120Iac5= 1/3Ia7 +2/3Ib7e-j120 因此在进行滤波校验时，不得不考虑 ab 相上的谐波电流是否超过标准。 西南交通大学成人专科毕业论文 第 9 页第 3 章 并联电容补偿装置3.1 并联电容补偿装置问题的提出通过上面的讨论，我们知道在采用整流型电力机车的交流电气化铁道上，牵引负荷功率低（无功功率大） ，谐波含量多，其单相独立性又通过牵引变电所向电力系统提供负荷电流，以及通过牵引供电系统对邻近通讯线路感应干扰等

27、，整个线路呈感性负载。牵引供电系统所需的感性无功功率，通过三相系统供给时，一方面引起电压损失，降低网压水平，别一方面产生附加功率损失（有功网损）并额外占有三相系统的设备容量，使设备利用率下降，而负序功率将引起负序电压、不对称的电压损失，也附加功率损失（负序有功网损）和额外占有三相系统的设备容量，降低设备利用率。此外，负序电流和由此引起的负序电压会使发电机和电动机出力下降，负序电流过大时还会危急发电机的安全运行。单相牵引负荷在三相电力系统里引起的不对称电流，导致了三相电压的不对称，结果使电能损失增大。因此降低不对称度，将使电力牵引系统电气指标得到改善。决定不对称的负序电压为：UAI2（RLjXL

28、）式中 RL、XL 分别为变压器和牵引网的相电阻和相电抗。接入单相、两相和三相的并联电容补偿装置（含相容量不等的）可以降低或者甚至安全能补偿负序电流，从而也降低了电压不对称。投入并联电容补偿装置不仅降低了 27.5kv 母线上电压的不对称，同时也降低了变压器绕组和 110kV 进线上的不对称。根据超前相和滞后相供电臂的最大负荷电流分析。如果超前相电流大于滞后相电流，则需将并联电容补偿装置接入超前相和滞后相；如果两供电臂负荷电流近似相等，则仅在滞后相接入并联电容补偿装置就够了。27.5 kV 母线上电压的不对称，很大程度上取决于牵引变电所变压器的阻抗。而 西南交通大学成人专科毕业论文 第 10

29、页该阻抗一般大于牵引供电线路的阻抗，此外牵引变电所的进线在相位上轮换的接入传输线，变电所 110kV（220kV）母线上的电压对称改善了一些。牵引变电所重负荷相依次轮换时，如果只在个别变电所投入并联电容补偿装置，则可能减小也可能增大其他变电所一次和二次的电压不对称。此时，不对称变化的特点与接入输电线牵引变电所的数目、变电所装设并联电容补偿装置的情况以及传输线的供电方式（单边或双边）有关。考虑到变电所重负荷相轮换接于传输线这种情况，可以利用负序电压拓扑图来近似估算电气化区段不同数目的变电所不对称。并联电容补偿装置可安装在牵引变电所和牵引网上任一点，同样也安装在电力机车上。我国向电气化铁道供电的牵

30、引变电所，采取在 27.5kv 母线上安装固定的高压并联电容补偿装置的技术措施，综合解决功率因数低、负序电流、谐波等对电力系统的不良影响。3.2 电容电抗串联滤波回路前面我们已讲过，在并联补偿电容器中，如果电容器回路中不串联或并联电抗器，直接并联接入 27.5kv 母线上，它有极大的可能与系统中感性阻抗负载，在某次谐波下发生高次谐波振荡。众所周知，对于 3、5、7 次滤波器来说，在系统额定频率下，其回路串联谐振点分别为 3=0.111、5=0.04、7=0.02。如系统频率下滑（负偏差） ，则滤波回路将呈容性，与系统感性阻抗形成某次谐波的谐振。因运行和生产制造误差而使电容与电感参数变化，也可能

31、出现上述现象。为了避免滤波回路出现容性，我们可以在取定的频率范围内（计及系统频率变化以及运行和制造误差造成的参数变化）对滤波装置进行偏调设计，保证滤波回路在运行中对本次谐波始终处于感性状态。系统频率负偏时，滤波器应正偏调。为了到达这一目的，在回路中串联电阻或在电抗器旁并接电阻两种方法串接阻尼滤波器。3.3 并联电容补偿装置并联电容补偿装置主要是用来补偿牵引网的无功功率。并联补偿对无功、负序的综合补偿以尽可能地改善技术指标为基础，降低网损和额外占有的设备容量及提 西南交通大学成人专科毕业论文 第 11 页高系统设备电力输送能力来取得经济效益，但却以自身高投入为代价。当并联电容补偿装置安装在牵引变

32、电所时，在变压器和供电线路电阻的平均有功功率损失要减小。KC1实践证明：若已知原功率因数为COS 0和补偿后的功率因数COS C （COS C 可按电力部门提出的要求或计算的经济功率因数确定） ，并联电容补偿度KC，当KC为上式时， 并联电容补偿装置对变电所的无功补偿（提高功率因数）效果完备。3.4 确定并联电容补偿装置安装容量由实际并联电容补偿的容性无功出力总和QC按下式计算：QCP（ ）公式： P负荷有功功率； COS20补偿前负荷的功率因数； COS2C补偿后负荷的功率因数。COS2C值可按无功补偿KC要求确定。P值的选定对补偿大小影响很大。电力部门提出牵引网并联补偿容量要以最大负荷时有

33、功功率作为计算条件。由于机车沿区段运行时，牵引负荷起伏变化很大，按瞬时出现的最大负荷来计算补偿容量显然是偏大的，技术经济上不尽合理。而铁路部门提出以月平均有功功率作为计算条件，据此计算出的补偿容量是偏低的。采用小时平均最大有功功率为计算条件是较为适宜的，其选取方法视运行中的变电所和设计中的变电所而不同。对于运行中的变电所，可根据历年的运行统计资料，选取数个大小不同的小时平均最大有功功率进行技术经济比较，最后选定计算并联电容补偿电容容量的P值。对于设计中的变电所，在确定的牵引定数的条件下，小时平均最大有功功率按线路最大通过能力确定。考虑到电容器实际电压低于额定电压而影响无功出力以及电抗器串COS

34、2C1COS201 1COS201 1COS2C1 西南交通大学成人专科毕业论文 第 12 页在电容器回路中还要消耗一部份无功，电容补偿装置的最终计算容量Q/C计 应为： UmeQ/C 计QC 计（1）（Uce）2 式中： Ume牵引母线额定电压； Uce电容器组额定电压。 令 K（ 1 ）（ Ume ）2 Uce Q/C计QC计K根据Q/C计、单台电容器参数以及保护的要求，最终确定电容器的安装容量，即电容器的串、并联（n、m数） 。应当指出，变电所无功计度方式（反转反计、把转正计、反转不计）对变电所补偿后的功率因数计算影响很大，因此在容量计算中要充分考虑到这一问题。3.5 电容补偿对负序电流

35、与电压的补偿功能不论是并联电容补偿装置还是滤波装置，都是并联电容装置。对基波来说都能起到无功补偿的作用，同时也能对养活负序电流和提高电压水平起到良好的作用，这就是它们的共同点。现在让我们来探讨一下，如何使并联电容补偿装置更好发挥综合补偿功能。单相牵引负荷在三相系统中产生负序电流，使三相有功功率 与无功功率的分配极不平衡。同样将电容装置集中在一相上或不对称的分散安装在两相或三相上，它也会使三相系统的有功功率与无功功率分配不平衡。但不难证明，此时三相有功功率之和恒等于零，而三相无功功率恒等于电容补偿容量。这就是说，从三相系统来看，三相系统无功补偿的多少只与牵引系统总的电容补偿容量有关，而与总容量在

36、各相分配的比例多少无关。如果我们在总电容补偿容量不变的情况下，将总容量按不同比例配置一相或两相、三相上，使不对称的电容负荷在三相系统中产生的负序电流尽量抵消牵引负荷在三相系统中产生的负序电流，这样既满足了无功补偿的要求，同时也能起到减少负序电流的作用。基于这一思路，在分析了牵引负荷与电容负荷的负序电流向量图后，可以得出如下三点结论： 西南交通大学成人专科毕业论文 第 13 页 如超前相与滞后相牵引负荷基本相等，并联电容补偿装置宜安装在滞后相上。 如超前相为重负荷臂，并联电容补偿装置宜分散安装在滞后相与超前相上，且滞后相上的电容容量要大于超前相。 如滞后相为重负荷臂，并联电容补偿装置宜分散安装在

37、滞后相与自由相上，且滞后相上的电容容量要大于自由相。综上所述，不论是哪一种情况，在滞后相供电臂上安装电容装置总是对牵引负荷的负序电流具有良好的补偿作用。超前相是否适当安装并联电容补偿装置要视负荷情况和其他技术要求（如吸收谐波、提高电压水平）确定。但可以认定，将并联电容补偿装置全部集中安装在超前相上是绝对不可取的，牵引供电系统一般不考虑在自由相上安装并联电容补偿装置。并联电容装置对提高网路电压的作用也是明显的，这是因为并联电容补偿装置的容性负荷在网路上是一个电压升。三相不对称电容负荷在各相上形成的电压升是不等的，如图3-1所示，设超前相UA与滞后相UB分别接入并联电容补偿装置，其电容电流相应为i

38、ak与ibk，系uAuBiak-ibkibk2/3iakX1/3ibkXuc60uAuBiakibk2/3ibkX-1/3iakXuc60-iak超前相电压升高向量图滞后相电压升高向量图图四 电压升高向量图 西南交通大学成人专科毕业论文 第 14 页统与牵引变压器感抗为X。以UA为基准向量，将iak与ibk 分别在该相上的电压升投影到基准向量上，则可求得超前相电压升值为：UK超前23IakX13IkXcos600 =13(2Iak+0.5Ibk)X同理，可得滞后相电压升高值为：UK滞后13(0.5Iak+2Ibk)X从以上两式可见，不论电容装置是集中安装在一相上，还是分散安装在两相上，对两供电

39、臂电压均能起到提高电压的作用，只是对两臂电压提高和程度不一样。当并联补偿装置集中安装在一相上时，它对提高本相电压与提高邻相电压之比为4:1。在牵引系统由于负荷不对称，滞后相电压多数情况低于超前相电压。因此从提高电压水平，减少电压不对称的角度看，将并联电容补偿装置集中安装在滞后相上是最佳方案，分散安装在两相上次之，而集中安装在引前相则安全不可取。这一结论与减少负电流是相一致的。从滤波角度看，供电臂上的电容装置不仅能吸收本臂谐波源的高次谐波电流，同时还能吸收邻臂、其它牵引变电所以及电力系统谐波电流。因此，在多谐波源的情况下，电容滤波装置谐波吸收的多少不仅决定于本滤波装置的参数，还决定于系统与变压器

40、的参数以及各谐波源的相位关系。但是可以肯定，本臂电容滤波装置主要是吸收本臂的谐波电流，而其它谐波源的谐波电流因流入该滤波装置时，所遇到的谐波阻抗较大，故被吸收效果较差，请这一点已从现场运行试验中得到了证实。因此，从吸收高次谐波电流来看，电容装置宜安装在两相上。3.6 电容装置投切的暂态分析为了正确地选用电容、电抗器，进行电容装置保护整定以及组织装置运行，研究电容装置投切时的暂态过程是非常必要的。 西南交通大学成人专科毕业论文 第 15 页 众所周知，当合闸角= 90时电容装置上的涌流，电容器与电抗器上的过电压达到最大值。对于3、5、7次单相单调谐电容装置分别投入，其最大理论值如下表所示：表3-

41、1 3、5、7次单相单调谐电容最大理论值3 次回路5 次回路 7 次回路KiImax/I 稳态 4 6 8Kuc=Ucmax/Uc 稳态 2 2 2KuL=Ulmax/Ul 稳态 10 26 50 根据理论公式推导，现场试验以及计算机仿真试验，对于多个单调谐电容装各种组合投切方式，系统不同运行方式以及供电臂有无牵引负荷等各种情况时的暂态过程进行了分析，并得如下结论： 电容装置合闸涌流、电容器与电抗器过电压的实测值均小于上表所列理论值。电容器上的操作过电压小于耐压试验标准（极间耐压试验2.15Uce，双极对壳耐压试验3 Uce） ，因此不会对电容器造成危险。电抗器上的操作过电压较高，它的绝缘耐压

42、应按电压倍数的理论值考虑设计，即3次电抗器为10倍，5次电抗器为26倍，7次电抗器为50倍。 3、5、7次滤波装置同时投入时的涌流略小于分别单独投入各次滤波装置的涌流，同时投入时电抗器上的电压略小于单独投入时的过电压，而同时投入时电容器上的过电压略大于单投时的过电压。由于两种投入方式下的涌流、操作过电压不论是略大还是略小都差异不大（在5以下） ，故采用哪一种投入方式都是允许的。但为了减少设备，简化操作，采用一组滤波电容装置同时投入的方式较好。 当牵引网上已有一个或一组电容装置处于稳态工作时投入另一个或一组电容装置，二者均会产生涌流和过电压。已处于稳态工人我电容装置的涌流和过电压比牵引网无电容装

43、置时单独投一个或一组电容装置所产生的涌流和过电压小得多，而此时新投入的电容装置的涌流迁电压与后一种情况相差不大。因此可认为在投入电容装置时无需考虑有无其它电容装置运行。 在供电臂上有机车负荷的情况下投入电容装置，其涌流比无负荷时投入略大，而过电压则比负荷时投入大得多，特别是在电源与电力机车谐波分量引起的过电压的峰值同向迭加时，因此建议在供电臂无负荷时投入电容补偿。 西南交通大学成人专科毕业论文 第 16 页 电容装置切除时，断路器在电流过零时断流消弧。由于电容器极板电压滞后电流900 ，故电容器仍处于充电状态，其电压值等于母线电压幅度。并联电容器上的电压互感可用来放电，但放电时间较长。切除瞬间

44、母线电压与电容器电压相等且同号，经14 周期，母线电压过零后，与电容器电压异号，断路器触头之间的电压逐步增大至12周期时，该值可达到母线电压的两倍。如该电压超过触头间的绝缘水平，则断路器发生重燃，这对电容器及其它设备将带来危害。因此电容器装置切除时，我们主要关注的是过电压，而不是电流。为了安全可靠地切除电容装置，主要采用高质量的断路器，并以200欧的无感电阻旁路电容装置作为辅助措施。切除电容装置的瞬间接入旁路电阻，使流过主断路器的电流由纯容性电流变为阻容性电流。当电流过零拍，可降低断路器触头间的电压，明显改善断路器的工作条件。3.7 一次与二次接线及设备在这里我们不准备对一次与二次接续及设备作

45、全面阐述，只就一些重要问题作介绍。在现有变电所运行的滤波形式的电容装置，其电容器的技术条件是按无功补偿的要求提出，电容器的富裕容量用来吸收部份滤波电流，如要以滤波为主，提高谐波吸收能力，就要重新考虑电容器的技术条件。这里核心问题是额定电压的选择以及允许使用电压、电流倍数和短时过负荷能力的确定。当电容器选用较高额定电压时，无功出力减少，留给吸收高次谐波的剩余容量就大。而选用较低额定电压时，无功出力高，留给吸收高次谐波的剩余容量就小。因此从根本上来说，电容器额定电压的选择就是电容器基波无功容量和高次谐波容量分配的选择。为了使电抗器在各种负荷，主要是大负荷情况下的电抗值保持常值。在电容装置保护方面除

46、了通常采用的熔断器保护、差压保护、过流、速断保护外，还应着重介绍以下几个保护：设置纵差流保护。该保护对电抗器、最末位电容器台架主绝缘闪络或击穿以及上述设备短路具有极为重要的意义。在主要固定备用的变电所，为了防止当一台主变故障，另一台主变和电容器装置同时投入时，在电容器上产生过电压，设置失压保护是必要的。即在一台主变故障切除后，而另一台主变尚未投入运行前将整个电容装置断开。电容装置过负荷的主要原因是注入大量的谐波电流，特别是3次谐波电流。因此在滤波回路中要考虑设 西南交通大学成人专科毕业论文 第 17 页置高次谐波过电流保护。 第 4 章 电容补偿装置差压保护的接地4.1 电容补偿装置差压保护的

47、接地的原理牵引变电所母线并联电容补偿的差压保护原理如图4-1，图中C1 和 C2 为两组容量相等的电容器串接在27.5KV母线和地之间， 两组电容器上的电压经电压互感器1YH和2YH降压（27.5KV10KV）后，经611、621、620输给差压继电器YJ。由于并联补偿电容器组投入时，电容器上的电压可升高到额定电压的1.5-1.7倍。当电容器C1 和C2内部发生故障时，两组电容器上的电压就不相等，U611和U621产生电压差，差压继电器动作，给出跳闸信号，使电容器撤除运行。图4-1中620引线是差压继电器的公用线，经JB放电间隙接地，XL是滤波电抗器。并联电容补偿装置及供电系统的参数对补偿装置

48、的涌流值影响很大。YJ27.5kv 母线1YH2YHC1C2XLJB611620621AXAX. 西南交通大学成人专科毕业论文 第 18 页在并联电容补偿装置中装有对三次谐波调谐的电抗器时，合闸电流与补偿装置额定电流之比不超过33.5倍。在没有电抗器或电抗器在合闸瞬间不通过电阻就被放电器旁路时，合闸电流可达额定电流的1015倍，因此加装图4-1中的电抗器（XL） 。合闸电流的自由分量具有数值大和频率高的特点，它在电抗器上产生高达810倍的过电压。为防止出现这样高的过电压，补偿装置电路和接入足够大的电阻,虽然操作过电压会大大地降低，但这样在电路中安装大的电阻，必然会造成较大的能量损失。过去我们常

49、采用电阻器和火花间隙（放电器） ，组成的保护装置旁路并联电容补偿装置的电抗器，实现放电间隙旁路电路，达到降低电抗器电压的目的。操作并联电容补偿装置时，暂态电流的频率很高，从而使电抗器上的电压升高，并引起保护装置放电器动作。此时，电抗器被旁路，电阻器被接入到并联电容补偿装置回路，使回路电流减小，并使电压降低。暂态过程结束后，火花间隙应能可靠地和快速地熄灭流过旁路电阻器的电流所产生的电弧，该电流值在70A到700A这样一个很宽的范围变化。在小电流时，普通的双断口角隙放电器要0.6-1秒的时间内才能熄灭电弧，这样就可能会使电阻器过热而发生故障。图 4-1 并联电容差压保护原理图L1L2LNC1C2C

50、NIO1IO2IONI0图 4-2 电压互感器一、二次绕组电容分布图611620 西南交通大学成人专科毕业论文 第 19 页图4-2中，电压互感器的二次侧是通过放电间隙间接接地的，安装放电间隙使用电压互感器间接接地的设计理论依据现我们无法考究，它是与铁道部频发的牵引变电所运行检修规程第100条中所规定的“所有互感器二次回路均要有可靠的保护接地”相违背，给差压保护的运行造成如下问题。间隙仅零点几毫米。这样小的间隙，受安装精度、检修的影响，以及长期运行后，间隙处氧化等，放电电压误差很大，有的超过600V也放电。为了计算放电间隙上的电压，应先计算出电压互感器一、二次绕组之间的穿透电流（如图4-2）

51、，穿透电流的大小决定于电压互感器（YH）原次边绕组的分布电容容抗与电压互感器二次对地和二次电缆及负载的容抗，即：I0 式中：XCYH电压互感器一、二次绕组的分布电容电抗； XCD电压互感器二次绕组与控制电缆及差压保护继电器对地的分布电容容抗之和。 由于XCD远远小于XCYH ，因此穿透电流可由下式决定： I0 即穿透仅与电压互感器一、二次绕组的分布电容容抗和互感器上一次侧的电压有关。因为有电压互感器一次侧的A端和X端对二次绕组的电压是不相同的，1YH的A端为母线电压U，X端和2YH的A端为（UUXL）2 （UXL为电抗器压降） ，2YH的X端为UXL。为了便于计算，我们把电压互感器绕组等分成n

52、段，如图4-2所示。每段一、二次绕组之间的分布电容为CN ，其穿透电流I0为： Kn U XCYHX U XCYHXCDX 西南交通大学成人专科毕业论文 第 20 页 I0 (UA-UAXK/N) K=1 因为=CYH/N 所以有： Kn I0 (UA-UAXK/N)CYH/N K=1 式中：CYH电压互感器一、二次绕组的分布电容。将式展开得： Kn Kn I0 UACYHN- UAXCYHN2 K=1 K=1 式中的第一项为常数项，其值为：Kn UACYHN UACYHNUACYHN K=1所以： Kn UACYHNUACYH K=1 第二项为： Kn UAXCYHN CYH UAXCYHN

53、2（12N） K=1 UAXCYH（1N）N 2N2 UAXCYH 2N2 UAXCYH 2 西南交通大学成人专科毕业论文 第 21 页当 N 趋于无穷大时，上式中第二项近似于零，于是有： Kn UAXCYH UAXCYHN CYH 2 K=1 将、两式代入 式得： I0（UAUAX2）CYH 原绵阳供电段曾对该段的江油变电所JDJ2-35电压互感器，进行了测试和计算。JDJ235电压互感器的一、二次绕组间的分布电容为226 F，各组电容器中电流、电容器两端的电压和电容、电抗的参数见表4-1，其中穿透电流是由式计算出两台电压互感器穿透电流之和。I0经电压互感器二次绕组对地分布电容CYH20,控

54、制电缆对地分布电容CK0,差压继电器对地分布电容CYJ0形成压降,见图4-3所示:表4-1 电压互感器穿透电流计算值名 称C1C2(f)电感电抗()电容电流(A)电抗压降(kV)UA1(kV)UAX1(kV)UA2(kV)UAX2(kV)穿透电流(mA)A 相三次B 相三次B 相五次5.44.732.7697849.657.650.426.64.03.901.3230.030.130.117.017.015.6813.013.114.3617.017.015.681.8521.8592.038图 4-3 电压互感器二次侧对地电容分布图CYH20CL0CYJ0 西南交通大学成人专科毕业论文 第

55、22 页该压降即为放电间隙上的电压,其值为: UJB0 =I0 根据实际测量，电压互感器的二次对地分布电容为384F ，控制电缆的620、621和611三芯对地的分布电容230F 。差压保护继电器对地分布电容为295F 。计算和实测放电间隙两端电压见表4-2，由表4-2可看出，实测U620对地电压高达560V， 由于理论计算中没有考虑二次回路的绝缘电阻，因此计算对地电压略大于实测对地电压。表4-2 对地间隙接地时电压二次对地电压计算和实测值将A、B两相三、五次差压保护的放电间隙短接后，测量各点电压见表4-3：表4-3 A、B两相三、五次差压保护的放电间隙短接各点电压实测值名 称实 测 电 压

56、（V）实 测 电 压 （V）名称电缆长(m)计算电压（V）620地 621地 611地 620 621620 611621611A 相三次B 相三次B 相五次5050434844866144484405603873805053873845046262576262570.500 1(CYH20+CL0+CYJ0) 西南交通大学成人专科毕业论文 第 23 页620地621地611地620621620611621611A 相三次B 相三次B 相五次5.73.63.7665762.2665762.26156.361.66056.361.60.200由表4-2和表4-3可以看出，短接放电间隙后，电压互感

57、器二次侧对地电压大大降低，其中620引线因在两电压互感器二次连线处直接对地短接，仅有电缆的几伏感应电压，621与611之间的差压也与短接前一样是平衡的，621和611对地电压均为电压互感器二次输出电压。4.2 电压升高对继电器保护的影响由于电压互感器二次侧没有直接接地，造成二次侧对地电压升高，其值达到额定电压的4倍以上，使二次设备工作相当不可靠，特别是晶体管和继成电路组成的差压保护继电器更为明显，往往造成差压保护误动。例如原绵阳供电段在沙溪坝、马角坝、江油、罗江牵引变电所的电容差压保护中，不得不将差压保护输入电压变换器抗干扰用的屏蔽层接地点甩掉（图八） ，以增加电压变换器一、二次的绝缘，否则一

58、投入电W1W2屏蔽层图 4-4 屏蔽层接地 西南交通大学成人专科毕业论文 第 24 页容器差压保护就要动作，即使这样在运行中差压保护也要经常误动。绵阳供电段在运行中已有5套差压保护还出现软故障，而不能正常投入并联补偿电容运行，即在实验室测量差压继电器各电位均正常，在现场一投入电容器时，差压保护就动作，必须更换新的差压继电器后电容器才能正常投入运行。原绵阳供电段沙溪坝变电所发生B相差压保护动作，电容器退出运行，且不能复归，经检查发现电容器组正常，后将差压继电器在实验室检查处理合格后，仍不能投入运行。我们将620引线直接对地短接，电容器组就能正常投入运行。后来在春季设备年检中，又发现A相电容器组的

59、放电间隙已对地击穿短路，后将放电间隙取消，将620引线直接对地短接。沙溪坝牵引变电所两电容器组运行一年，均工作正常，因此后来绵阳供电段将各牵引变电所电容补偿电压互感器二次侧的放电间隙全部对地短接，使电压互感器二次侧可靠接地，短接后各电容器组均运行正常。由于电容器组差压保护经常出现误动，很容易造成对设备故障的误判断。如1995年6月，大炉山变电所A相电容器组发生差压保护动作跳闸，我们按照以往差压保护误动的经验，在继电保护人员检验差压继电保护装置无故障，变电所检查电容器组无异常现象后，A相电容组立即投入运行，两天后，在设备年检中发现低压侧电流互感器有匝间短路现象，及时更换电流互感器。一个小小的放电

60、间隙，造成电压互感器二次侧间接接地，不仅违背了电压互感器二次侧必须接地的规定，而且造成差压保护设备工作极不可靠，给运行检修带来许多困难。 西南交通大学成人专科毕业论文 第 25 页第 5 章 降压随机电容补偿装置我们知道牵引电流变化很大，而牵引变电所27.5kv母线上，并联固定的高压电容补偿方式。从上面讨论可知并联电容补偿的电容量是一定的，当牵引负荷较小或为零时，电容补偿补偿装置向电力系统发送无功（过补偿） ，当牵引网大负荷时，又出现补偿不足，牵引变电所无功量又采用有功电度表900接线方式的无功计量方式，即吸收无功时，电度表正转；向电力系统回送无功时，电度表又反转。电力系统为了尽量限制各用户向