毕业论文牵引变电所并联电容补偿装置设计运行.docx

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毕业论文牵引变电所并联电容补偿装置设计运行

牵引变电所并联电容补偿装置设计运行毕业论文

摘要----------------------------------------------------1

第1章成昆线并联电容补偿装置简介------------------------2

1.1并联电容补偿的综合作用-------------------------------2

1.2并联电容补偿方案-------------------------------------5

1.3并联电容补偿主接线-----------------------------------6

第2章并联电容器支路确定--------------------------------8

2.1电容器并联支路数的计算-------------------------------8

2.2并联电容器组容量计算条件-----------------------------9

2.3并联电容器组容量计算--------------------------------10

2.4补偿装置谐波校验------------------------------------12

第3章并联电容补偿装置整定计算-------------------------16

3.1并联电容器的保护原则--------------------------------16

3.2并联电容补偿装置保护的整定计算----------------------16

第4章运行分析-----------------------------------------23

4.1运行状态--------------------------------------------23

4.2原因分析--------------------------------------------24

4.3处理办法--------------------------------------------27

4.4存在的问题------------------------------------------27

第5章电容器及其微机保护的防雷工作---------------------29

第6章电容器的实验-------------------------------------32

第7章电容器的安全使用---------------------------------35

结论---------------------------------------------------37

谢辞---------------------------------------------------38

参考文献-------------------------------------------------39

摘要

电力机车总功率大，启动和加速快，过载能力强，运输能力大，能较好的满足现代铁路对快速、重载运输的需要。

电力机车优点很多，但也存在诸多问题：

其功率因数平均值为0.84，牵引变电所110KV电源侧功率因数，仅为0.75~0.78。

同时产生以三次谐波为主的各次谐波电流，导致供电质量降低；负序、谐波等会对沿线通信线路造成干扰，额外占有发电设备的容量，降低主变压器的使用效率和容量利用率，甚至引起牵引负荷的谐振放大等，影响电力系统的运行和供电质量。

为了有效改善电力牵引的供电质量，减少从电力系统中获得无功功率，提高牵引变电所的经济运行技术指标，须在变电所安装并联电容补偿装置。

本文结合西昌供电段越西牵引变电所的实际运行情况，对并联补偿装置按传统的设计方法进行了设计校验，并针对运行过程中出现的问题进行分析并提出处理办法。

关键词：

并补装置电容器补偿谐波

第1章成昆线并联电容补偿装置简介

成昆线电气化改造是1997年开始施工，1999年正式投入运营的，按照电气化设计，电气化铁道牵引供电系统是单相接地系统，其负荷是单相整流负荷，所以功率因数较低，奇次谐波含量大。

在三相电力系统中产生随机波动的负序电流。

功率因数低，不仅造成三相压损，恶化供电质量，而且在系统中造成可观的有功网损和三相系统设备容量浪费。

奇次谐波含量大，对电力系统极其设备产生多方面危害，如对附近通信线的干扰，谐振引起电容器过流，过压。

可见，在牵引变电所安装并联电容补偿装置具有重要意义。

他可以改善下列技术指标：

1．提高供用电系统及负载的功率因素，降低设备容量，减少功率损耗；

2．吸收谐波，降低谐波对电力系统的干扰和危害；

3．降低负序电流；

4．降低压损，提高网压水平。

保证并补装置安全可靠的运行是并补装置继电保护的主要任务。

并补装置在运行过程中，可能发生接地短路故障，电容器过电压事故，电容器绝缘破坏，因谐波引起的电容器发热事故，电抗器过热等事故。

为预防事故的进一步扩大必须设置可靠的继电保护。

在成昆线牵引变电所里,A.B两相母线均要设置并补装置。

以西昌供电段成昆线越西变电所为例，越西到甘洛臂长50KM。

越西到普雄臂长度也为50KM,负荷设计按照最大负荷600A。

等要求进行确定.使用的设备有电容断路器，最大开断电流1200A,电容器容量2400KVAR,电抗器,阀型避雷器,电流互感器（100A/5A）,母线电压互感器（27.5KV/100V）,等设备.其中,电容断路器,电容器,避雷器,电流互感器,电压互感器安装在电容室,电抗器,小电流互感器安装在高压室。

1.1并联电容补偿的综合作用

1.1.1牵引负荷的特性

1.随机波动性

由于列车在运行过程中的加速、恒速、惰行、制动等各种工况及运行中的坡道、弯道、站场、道岔、气候、司机操作过程等因素的影响，使牵引负荷随机波动。

牵引负荷过程的主要特点是瞬态电流大幅度剧烈波动，从而使牵引变电所和牵引网上的电压发生波动，降低了牵引变压器的容量利用率。

2.非线性

现行电力机车多为交-直整流型，运行过程是非线性的。

正常运行时牵引电流的波形一般介于方波与三角波之间，含有明显的谐波成分,由于半波对称,其中只含有奇次谐波。

牵引负荷流经大地时，会在地面空间造成不平衡电磁场，其谐波都处于音频带上，对临近通信线路产生的干扰不容忽视；同时，牵引负荷中的谐波可通过牵引变电所直接进入电力系统，额外占有系统及设备容量，引起附加发热；激发谐振，影响电容装置的正常运行等。

3.单相独立性和不对称性

现行牵引变电所多为两相供电，一条馈线的负荷可能在另一条馈线上引起电压损失,从而影响其电压水平，但在正常网压范围内，由于机车自身的调节功能，其取流受到另一馈线的影响较小，谓之牵引变电所各供电臂取流的单相独立性。

相对三相系统而言，牵引负荷具有不对称性。

单相独立的牵引负荷也独立的在牵引负荷中造成负序，即使采用平衡变压器，由于两臂负荷的随机独立性，也存在未被平衡的剩余负序电流进入电力系统，给电力系统的运行造成不良影响。

1.1.2并联电容补偿装置的综合作用

无功功率和负序功率在电力系统中流通，直接影响到系统的技术指标和经济性能。

并联电容补偿装置通过对无功、负序的综合补偿，尽可能的改善系统运行的技术指标，达到降低网损和释放设备容量的目的。

1.提高功率因数

如图1-1示：

设U1为电源电压，r1及x1为电力系统及牵引变压器每相的电阻和电抗，U2为牵引变电所母线电压，XC为并联电容器的容抗，XL为串联电抗器的感抗，Ij为牵引负荷，IC为电容器容性电流。

从相量图可知，安装无功补偿装置以后，牵引变电所的功率因数由cosφ1提高到cosφ2。

图1-1补偿装置原理图

2.提高牵引变压器的容量利用率，降低安装容量，节约运行基本电费支出。

由于并联补偿装置补偿了无功和负序，使流经电力系统的电流小于未补偿前的电流，显然降低了电力系统的能耗，从而降低了牵引变压器的安装容量，即提高了设备利用率，或者说进一步开发了设备容量，增大了供电能力。

3.改善电力系统的电压质量，提高母线电压。

如图一，若电源电压U1保持不变，则补偿前后的电压方程式分别为：

U1=Ij（r1+jx1）+U2（未补偿）

U1=I（r1+jx1）+U3（补偿后）

因IU2，即提高了牵引变电所母线电压。

若保持U2不变，则补偿后，电源电压可以允许变小，即在保证用户电压水平的前提下，允许电源电压适当降低，或者说可以在交大范围内波动，从而改善了电压质量。

4.吸收高次谐波，具有滤波作用。

影响并联补偿装置滤波效果的因素主要取决于装置本身的容量，即谐波阻抗的大小、电网容量和运行方式，因此，在设计中要注意XL和XC的匹配关系，同时还必须注意（nXL-XC/n）与系统谐波阻抗性质的一致性。

1.2并联电容补偿方案

1.2.1并联电容补偿方案

考虑到运行管理方便和当前技术发展状况，一般在牵引变电所内集中安装不可调补偿装置（随着力调考核计量方式的发展，要求补偿装置能够自动投切），同时，为了取得良好的补偿和滤波效果，优先选用两相补偿方案，使两臂牵引负荷高次谐波均能得到吸收，结合供电臂的不同相位，实行两臂不等量补偿。

即根据两臂负荷大小确定总补偿容量后，采取滞后相多补，引前相少补的原则，进行两臂的合理分配。

这样做可以在总补偿容量不变的前提下，力求各项功率因数趋向平衡，提高无功补偿效果，同时改善滞后相电压质量和牵引负荷对电力系统的负序影响。

以Y/Δ-11变压器接线为例，对上述补偿方案进行论证。

图1.2三相Y/Δ-11变压器线圈电流分析

如图1.2，负荷在滞后相线圈中产生感性电流，而滞后相的牵引负荷在引前相线圈中产生容性电流。

即使在两臂负荷和功率因数相等的条件下，牵引变压器滞后相电压损失要比引前相大，如果滞后相的功率因数比引前相低，电压损失会更大。

因此，在总补偿容量一定的情况下，适当加大滞后相的补偿容量，对平衡各相功率因数和弥补滞后相电压损失过大是有利的。

尤其对于电源电压较高，牵引变电所距电源点近且处于空载时，补偿会引起牵引母线电压升高到图一所示的U3，在此情况下，引前相母线电压高于滞后相，因此，适当减少引前相的补偿容量对接触网的运行是有利的。

1.2.2改善负序问题的探讨：

设Uac为基准相量，得出：

I2=1/3*[Iq2+Ij2-2IqIjcos（φ1-φ2）]（1/2）

从式中可以看出，当φ1=φ2时，负序电流最小，要达到此目的，也必须提高滞后相的补偿容量。

1.3并联电容补偿主接线

根据牵引负荷特点和运行条件，应合理选择并联电容补偿装置的主接线，一般情况下，主接线设备应包括下列设备：

1.补偿无功用的电容器组。

2.串联电抗器，用于限制合闸涌流和分闸断路器的重燃电流，防止并联补偿装置与系统发生高次谐波并联谐振，吸收牵引负荷高次谐波，以及在发生短路故障时保护电容器。

3.投切电容装置的断路器。

4.为检修方便，保证明显的断开点的同时将电容对地短接，装设隔离开关。

5.保证电容器退出运行时放电，应采用放电线圈或电压互感器。

6、为防止大气过电压，采用避雷器（或者保护电路）。

7、单台电容保护的熔断器。

第2章并联电容器支路确定

无功补偿用电容器组应使电容器的额定电压与接入牵引变电所母线的运行电压相匹配，不得低于所承受的最高工作电压，并且应尽量使电容器输出额定功率。

因此，电容器组额定电压不得低于下面的计算值：

Uch≥Umax/（1-1.15α）

Umax——牵引变电所最高母线电压，取29KV

α——补偿装置的调谐系数（电抗比）

1.15——考虑电容器、电抗器的制造误差和电网频率的允许误差对α值的影响系数

2.1电容器并联支路数的计算

m=Q安/（nQ0）

Q安——电容器实际安装容量

Q0——单台电容器容量

n——电容器串联数

并联支路数应受下列允许值限制：

最小允许值：

mmin=（n-1）/（n-Uc1/U’）

Uc1——电容器组工作电压（KV）

U’——故障电容器组电压，用电容器过电压1.1倍作为限制条件（KV）

最大允许值：

mmax=2W允*106/C0U02

W允——电容器允许的放电能量

C0U02——单台电容器故障瞬间具有的放电能量

U0——电容故障瞬间电压降

C0——单台电容器额定容量

在牵引供电系统中，电抗器一端应接地，这样可使C-L接点对地电压小于电抗器两端都不接地的接线方案。

同时，在施工时，应尽量避免接地网直接埋在电抗器下方，防止其动态工作特性发生变化，引起高次谐波谐振，造成不良后果。

2.2并联电容器组容量计算条件

2.2.1确定计算步骤

按电力系统与滤波支路组成的网络确定安全上限滤波率，从而确定综合最佳技术方案（按两臂补偿进行计算）。

步骤一：

设定偏差因子δf>1%（设备制造安装、运行误差和电网频率偏移等引起的综合误差），输入已知数据，赋初值，确定预想滤波率dn。

步骤二：

调谐系数α。

步骤三：

选定计算模型，由预想滤波率确定支路基波容性无功功率比例系数pn；由网络结构参数确定实际滤波率dmn。

步骤四：

若实际滤波率dmn已稳定，便根据已确定的α、dn等计算有关技术参数。

步骤五：

选择电容器和电抗器。

步骤六：

支路投切的暂态过程计算与校验及稳定运行校验。

步骤七：

输出有关参数及滤波效果的技术指标。

2.2.2确定计算条件

（按目前常用的计算方式确定运行参数，同时，只考虑对含量较高的三次谐波进行滤波）。

按完成实际行车量的要求，货车数由近期运量确定，考虑10%的波动系数；其他各类型列车按满载货车之计算条件如下：

1、变电所名称：

西昌供电段越西变电所

变压器接线方式：

三相/两相平衡变压器，

电压比为110/27.5KV，

短路电压为10.5%。

变压器容量为2*16000KVA。

最大运行方式下系统综合阻抗有名值为8.611Ω，最小运行方式下系统综合阻抗有名值为11.775Ω。

补偿端口最大运行方式下系统综合阻抗有名值为5.74Ω，补偿端口最小运行方式下系统综合阻抗有名半列进行计算。

2、按完成实际行车量的要求，货车数由近期运量确定，考虑10%的波动系数；其他各类型列车按满载货车之半列进行计算。

3、按牵引变电所平均有功功率计算负荷需补无功容量，在本设计中只考虑第一象限无功计量。

鉴于线路为运量不大的单线铁路，按牵引变电所无电概率的90-95%考虑调整。

4、补偿前，牵引侧功率因数为0.82，110KV侧功率因数为0.78。

为使滤波装置安全、稳定的运行，应考虑最小运行方式的综合阻抗7.85Ω。

考虑电网频率的波动、运行环境等影响因素，取综合偏差因子为0.02。

同时，实际构成滤波装置时，电容器串、并组合的容量离散度和安装容量总大于计算容量，为满足滤波时对无功的补偿要求且不过补偿，选择补偿后110KV侧功率因数按0.9（滞后）计算。

5、无功补偿装置的调谐系数α取0.125。

序号

车类

列数

1

货上行/下行

28/43

2

客上行/下行

12/12

3

空上行/下行

12/0

表2-1列车对数（列/日）

结合线路实际情况，考虑上、下行机车单位能耗一致，列车追踪间隔时间考虑为7分钟；货车牵引重量按3000吨计算，单耗为93.5KWh/万吨公里，时速为70kM/h；客车牵引重量按1000吨计算，单耗为121.8KWh/万吨公里，时速为100kM/h。

示意图

超前相（25km）滞后相（28km）

列车带电走行时分（min）

货上行/下行

21.43/21.43

24/24

客上行/下行

15/15

16.8/16.8

空上行/下行

15/0

16.8/0

列车走行时分（min）

货上行/下行

31.43/31.43

34/34

列车牵引能耗（KVA.h）

货上行/下行

801.25/801.25

915.4/915.4

客上行/下行

404.5/404.5

441.04/441.04

空上行/下行

404.5/0

441.04/0

表2-2牵引计算结果

2.3并联电容器组容量计算

一、根据第四节的计算条件，按现行计算原则，首先考虑无功补偿效果，然后校验滤波情况。

具体计算如下：

1.补偿前平均有功功率P计算：

两供电臂平均电流分别为：

I前=1.667∑Ni*Ai*10-3

=1.667*（28*801.25+43*801.25+12*3*404.5）*10-3

=119.11A

I后=1.667*（28*915.4+43*915.4+36*441.04）*10-3

=134.81A

则平均有功功率为：

P前=IpUecosφ=119.11*27.5*0.82=2686（KVA）。

P后=IpUecosφ=`134.81*27.5*0.82=3040（KVA）。

式中Ip——供电臂平均电流。

Ue——牵引变电所母线额定电压。

cosφ——补偿前牵引侧功率因数。

2、变电所无电概率计算：

两供电臂列车追踪间隔分别为：

n前=（31.43+31.43）/7=8.98

n后=（34+34）/7=9.714

两供电臂带电平均概率为：

P前=（71*21.43+24*15+12*15）/（1440*8.98）=0.15942

P后=（71*24+36*16.8）/（1440*9.714）=0.16505

两供电臂无电概率为：

N前=（1-0.15942）8.98=0.2102

N后=（1-0.16505）9.714=0.1734

则变电所的无电概率为：

N0=0.2102*0.1734=0.03645

3、两臂补偿无功容量计算（考虑第一象限无功）：

Q前=P前（√（1/cos2Φ1-1）-√（1/cos2Φ2-1））/（1-0.109824）

=2686*0.317/0.89

=95kavr

Q后=P后（√（1/cos2Φ1-1）-√（1/cos2Φ2-1））/（1-0.109824）

=3040*0.317/0.89

=1083kavr

4、两臂安装容量计算：

Q前安=（1-0.125）（40/27.5）2*956=1783kavr

Q后安=（1-0.125）（40/27.5）2*1083=2004kavr

5、两臂实际安装容量计算

选用BWF10.5-100-1W型电容器，则两臂的并联支路数分别为：

m前=1783/（4*100）=4.46=5

m后=2004/（4*100）=5.01=6

两臂实际安装容量分别为：

Q前实安=5*4*100=2000（Kvar）

Q后实安=6*4*100=2400（Kvar）

6、并联支路数校验：

mmin=（4-1）/（4-31.43/11.55）=2.34

mmax=2*4000*106/（2.89*（1.2*1.414*10.5*1000）2）=8.72

7．校验合格

2.4补偿装置谐波校验

2.4.1两臂并补装置参数计算式如下：

XC0=C2CH*103/Q0

XC1=n*Xc0/m

XL1=aXc1

Uc1=UM/（1-a）

Ic1=Uc1/Ic1

ICH=Q0/UCH

XCLn=Xc1/n-nXL1

电力系统阻抗归算到27.5KV有名值:

最大运行方式下:

Xs=3.6482

最小运行方式下:

Xs=6.8123

2.4.2变压器单相阻抗归算

Xb=2*27.52*10.5/（100*16）=9.9528

包括主变在内的系统谐波阻抗计算式如下:

超前相:

Xsn=n（2Xs+Xb）

滞后相:

Xsn=n（3Xs/2+Xb）

项目

超前项

滞后项

串、并联数n*m

4*5

4*6

实际安装容量（kvar）

2000

2400

单台电容器容抗XC0

1101.98

1101.98

电容器组基波容抗Xc1

881.58

734.65

电抗器基波感抗XL1

110.2

91.83

电容器组基波电压Uc1

31.43

31.43

电容器组基波电流Ic1

35.65

42.78

电容器组额定电流Ice

47.62

57.14

并补装置谐波阻抗

3次XCL3

36.74

30.61

5次XCL5

374.68

312.22

7次XCL7

645.46

537.86

系

统

阻

抗

基波

23.5774

20.1713

3次

70.7322

60.5139

5次

117.887

100.8565

7次

165.0418

141.1991

表2-3两臂并补装置参数计算表

两供电臂列车带电平均电流分别为:

I前=2.4*801.25/21.43=89.734（A）

I后=2.4*915.4/24=91.54（A）

查阅供电臂95%最大车数一览表，结合现场实际运行情况得两供电臂的最大车数:

K前=3.52

K后=3.11

则两供电臂归算到27.5KV的谐波电流分别为:

I3前=0.5*√3.52*89.734*0.2=16.84（A）

I5前=0.5*√3.52*89.734*0.1=8.42（A）

I7前=0.5*√3.52*89.734*0.06=5.052（A）

I3后=0.5*√3.11*91.54*0.2=16.14（A）

I5后=0.5*√3.11*91.54*0.1=8.07（A）

I7后=0.5*√3.11*91.54*0.06=4.842（A）

由谐波分流计算IcLn=InXsn/（Xsn+XcLn）,得到流入并补装置中的谐波电流为：

ICL3前=16.84*70.7322/（70.7322+36.74）=11.08（A）

ICL5前=8.42*117.887/（117.887+374.68）=2.015（A）

ICL7前=5.052*165.042/（165.042+645.46）=1.029（A）

ICL3后=16.14*60.5139/（60.5139+30.61）=10.72（A）

ICL5后=8.07*100.8565/（100.8565+312.22）=1.97（A）

ICL7后=4.842*141.1991/（141.1991+537.86）=1.007（A）

其等价三次谐波电流为：

I前等=√（11.08）2+（5*2.015/3）2+（7*1.029/3）2

=11.82（A）<0.5Ice前

I后等=√（10.72）2+（5*1.97/3）2+（7*1.007/3）2

=11.46（A）<0.5Ice后

通过以上校验得出结论：

谐波电流校验合格，下面进行谐波电压校验。

由Ucn=IclnXcn得两供电臂并补装置的电容器电压分别为：

Uc1前=31.43（KV）

Uc3前=11.08*881.58/3=3.26（KV）

Uc5前=2.015*881.58/5=0.36（KV）

Uc7前=1.029*881.58/7=0.13（KV）

则Uc前=√31.432+3.262+0.362+0.132=31.6（KV）<1.1UCH前。

Uc1后=31.43（KV）

Uc3后=10.72*734.65/3=2.62（KV）

Uc5后=1.97*734.65/5=0.29（KV）

Uc7后=1.007*734.65/7=0.11（KV）

则Cu后=√31.432+2.622+0.292+0