多功能平衡牵引变压器运行方式研究

多功能平衡牵引变压器运行方式研究 文章编号:0258-8013(2004)04-0125-08 中图分类号:TM401 文献标识码:A 学科分类号:470?4027 多功能平衡牵引变压器运行方式研究 张志文，王耀南，刘福生，熊芝耀，李建英 (湖南大学电气与信息 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，湖南 长沙 410082) STUDY ON OPERATIONAL MODE OF MULTI-FUNCTION BALANCE TRACTION TRANSFORMER ZHANG Zhi-wen, WANG Yao-nan, LIU Fu-sheng, XIONG Zhi-yao, LI Jian-ying (College of Electrical and Informational Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China) 成了许多运行可靠性试验，并用一些特殊的仪器设备，如ABSTRACT: The aim of this research is to determine the 24 通道综合电能 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 仪和谐波分析仪测量了大量的数据。 feasibility of various operational mode for the 16000kVA/ 结果显示，多功能平衡变压器在任何运行方式下，一次侧 110kV Multi-Function Balance Transformer (MFBT). The 均无零序电流。当两相系统对称且三相系统也对称时，一 MFBT is a novel traction transformer to convert three-phase 次侧电流亦对称。结果还 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，当在二次侧三相系统接入 balanced voltages to two-phase balanced voltages as well as 文中提出的特殊滤波器时，谐波电流比用常规两相滤波器 three-phase to three-phase. Its technologic characteristic is also 降低约 28%。结论是，多功能平衡变压器不仅两相系统与 studied, which can provide a guidance to design and operation. 三相系统组合运行是可行的，而且除有带牵引负荷的基本 功能外，还具有无功补偿、带所用电负载和高次谐波滤波 Many experiments to validate the operational reliability were 等辅助功能。 performed in the transformer station and a great deal of data was measured by such special apparatus as 24-channel synthetical analyzing instrument of electric energy, DSA2000, 关键词:平衡牵引变压器;无功补偿;滤波;运行方式and harmonic analyzing instrument. The results show no zero 1 引言 sequence component exists in the primary currents when the MFBT is operating at each mode. The primary currents are 针对电气化铁道发展需要，我国基于自主知 [1-3] symmetrical if the currents of both two-phase system and three- 识产权开发了多种平衡牵引变压器产品。其中 phase system are symmetrical. The results also indicate that [1] 阻抗匹配平衡变压器 自 20 世纪 90 年代开始， when special filters are connected to secondary three-phase 相继在十余条电气化铁道工程中得到应用，取得了 system, the primary harmonic currents decrease by about 28% 显著的经济效益和社会效益。 than by using conventional two-phase filters. It was concluded that not only operational combinations of two-phase and three- 但阻抗匹配平衡变压器仅实现了三相变两相 的单一功能，即把三相 110kV 电压变换为两相 phase systems are feasible, but also the MFBT can perform assistant functions such as compensating reactive power, 27.5kV 电压。为提高电网功率因数，常规方法是 supplying the transformer station, and filtering harmonic 在 27.5kV 母线并联接入补偿装置，该装置也兼作 besides supplying traction loads. 高次谐波滤波之功效。为提供变电所用三相电源， 需配置两相变三相的逆斯科特变压器，由此导致附 KEY WORDS: Balance traction transformer; Var compensa- tion; Harmonic filtering; Operational mode 加设备结构复杂，成本较高。 为发掘阻抗匹配平衡变压器的潜能，使变压 摘要:确认了 16000kVA/110kV 多功能平衡变压器各种运 行方式的可行性。介绍了一种新颖的牵引变压器，既能实 器一机多能，有必要对该种变压器的结构加以改 现三相到三相，也能实现三相到两相的电压变换。同时研 进，并增加新的阻抗匹配关系，以构成多功能平衡 究了该产品的技术特点以便指导设计和运行。在变电所完 变压器。其基本原理是，二次侧的 dc 和 ec 构成 两相系统(见图 1)，其电压成 90º。从 fc 和 gc 绕 基金项目:教育部科学技术研究重点项目(教技司[2002]78 号); 国家级产业化重点推广示范工程(98016)。 组引出 a, b 两个中间抽头，加上公共点 c 构成三相 中 国 电 机工 程 学 报第 24 卷 126 [4]。抽头处的电 系统，a、b、c 抽头电压互差 120º 2 两相系统运行方式 压可根据地区负荷的需要选定，本变压器设计时定 2.1 概述 为 10.5kV。 当多功能平衡变压器二次侧的两相系统接入 牵引负荷，而三相系统不接任何负载时，变压器处 27.5kV 27.5kV d e f g 于两相系统运行方式，其运行特点与阻抗匹配平衡 II， ,变压器相似，完全可作为阻抗匹配平衡变压器使 10.5kV 10.5kV a b UU 用。两相系统运行方式的副方接线及电压相量图如 ，, 图 1 所示。图中，电压 U=U，U=U，空载时 ，dc, cec U和 U大小相等，相位相差 90º。两相牵引负荷 ， , (a) 从 d, e 端点接入，在电压的作用下产生两相负荷电 d f g e 流 I和 I。 ， , 2.2 电流分配关系 对于两相系统运行方式，当绕组 fg 的等值阻 c 抗与绕组 fc 或 gc 的等值阻抗之比为 2.732 时，一次 (b) [4]侧电流与二次侧负荷电流之间满足式(1)的关系。 图 1 两相系统运行方式的二次侧接线及电压相量图 , ，， 1 3 I , ， ( 3 1) A Fig.1 Connection in the secondary and phasor diagram of I , ， , ,1 ， , , voltage for two-phase system I , 2 2 (1) , , , B , ,, , I 2 3K , ， ,, 多功能平衡变压器构造三相系统的主要目的 , , I 3 ， 1 ( 3 1) C ， ， 是，在三相抽头接入特殊设计的滤波器，利用变压 式中 I、I、I为110kV 一次侧电流，I、I为 ，,ABC 器二次绕组对谐波电流构成安匝平衡作用，使传递 110 / 3 到一次侧绕组的谐波电流尽可能小，以期望获得更 27.5kV 二次侧负荷电流， K , 为变压器27.5 / 1.5 好的滤波效果。其次是兼作无功补偿和带所用电变 变比。压器等多项功能。 分析式(1)可知，由于矩阵的任一列元素之 尽管理论分析与计算以及实验室条件下的模 和等于零，故不管负荷电流如何变化，一次侧电流 型试验已证实了多功能平衡变压器原理的正确性， 均无零序分量，一次绕组中性点可引出接地，此即 但变压器若实现现场挂网运行并经受现场试验考 验，不仅需要变压器本身，还需要一系列与之配套 平衡变压器的基本特点。一次侧电流中的负序分量 的技术研制与开发。为此，由学校、铁路部门、设 比 Y/ -11 牵引变压器的要小。当两相负荷电流对 计院、制造厂及自动化成套设备制造公司等多家单 称时，一次侧电流也对称，既无零序分量，亦无负 位共同立项，联合攻关，完成了“新型平衡变压 序分量，说明平衡变压器具有较强的抑制负序电流 器多功能的实施和对有害干扰治理的研究”课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 能力。 该课题的研究具有重要的理论意义和实际意义。本 设计制造了两台规格相同的多功能平衡变压 文以该课题的试验结果为依据，分析研究了多功能 器(16000kVA，110kV/27.5kV)，安装运行于福州 平衡变压器各种运行方式的特点及性能。通过对现 铁路分局外福线闽清变电所。将其中一台作为被试 场实测数据与理论数据进行详细的对比分析，证实 变压器，加装了相应的配套设备和各种测量及保护 了现场条件下多功能平衡变压器运行的可靠性和可 装置。除采用常规测试仪器如谐波分析仪之外，另 行性。同时，现场实测数据也证实，本多功能平衡 外委托有关单位开发了专用的测试仪器和设备。测 变压器利用安匝平衡原理进行滤波是正确的，且具 有比常规方法更好的滤波效果。更进一步的研究表 试时间大约为 2 周左右，对各种运行方式和工况进 明，由于本平衡变压器能够带所用电变压器或其它 行了现场试验， 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 了大量的现场数据，其中包括 三相负载，可先通过三相变压器将电压降低至 400V 连续 24h 的数据。 左右，再接入有源滤波器以实现动态无功补偿。 表 1 给出了两相系统运行方式的 5 种工况， 包括仅有单相负荷和两相均有负荷的情况。两相 均有负荷又分为基本相等、一相负荷较大的不同 情况。 第 4 期 张志文等: 多功能平衡牵引变压器运行方式研究127 表 1 两相系统运行方式下的工况 电流则与两相负荷电流的差值有关。当两相负荷电Tab.1 Operational states at two-phase system mode 流基本相等时，负序电流很小，一次侧三相电流接 工况 1 工况 2 工况 3 工况 4 工况 5 近于对称，说明本平衡变压器产品设计是成功的， I=0, I?0 I?0, I=0I?II>IIII< I ，, ， β， , ，, 有效值/kV 29.290 27.209 27.083 27.428 28.490 U ， -103.92 -106.67 -104.78 -107.40 -106.18 相位/(?) 有效值/kV 28.009 29.254 27.848 28.237 27.927 实U , -16.56 -14.40 -16.83 -16.16 -16.73 相位/(?)测 有效值/A 9.7 165.13 136.29 164.20 88.04 值 I ， -144.62 -163.99 -165.16 -149.69 -137.20 相位/(?) 有效值/A 126.87 2.99 135.28 94.94 134.41 I , -53.19 57.48 -51.66 -53.56 -53.10 相位/(?) 91.87 94.38 86.86 92.04 92.06 有效值/A I a -31.76 -35.61 -33.62 -35.48 -33.85 相位/(?) 实97.80 87.91 91.50 90.35 94.24 有效值/A 测 I b -153.11 -154.48 -153.84 -155.39 -155.23 相位/(?)值 93.20 93.79 91.63 91.55 91.63 有效值/A I c 83.82 87.22 84.09 84.73 83.55 相位/(?) 5.48 37.87 31.49 39.86 20.33 有效值/A I A -25.82 -147.29 -162.45 -141.78 -124.93 相位/(?) 实有效值/A 31.14 18.17 22.15 25.57 31.91 测 I B 149.37 4.43 99.27 80.42 120.23 相位/(?)值 有效值/A 25.91 23.41 36.20 27.17 30.06 I C 相位/(?)-32.03 53.08 -21.32 -2.49 -22.41 有效值/A 5.36 38.68 32.57 40.94 20.63 I A -21.65 -145.29 -162.29 -140.13 -123.77 相位/(?) 理有效值/A 31.90 19.01 22.30 26.55 32.69 论 I B 152.83 7.48 99.81 81.82 122.37 相位/(?)值 有效值/A 26.57 23.45 36.85 27.64 30.80 I C -28.27 56.48 -19.10 -0.08 -19.86 相位/(?) I 2.16 3.43 2.69 1.44 -2.28 A2.44 4.64 0.65 3.82 2.46 误差/% I B I2.53 0.17 1.81 1.67 2.45 C 5 运行效果分析 器之后，当系统两相负荷电流等于 0 时，一次侧的 有功功率很小，无功功率为超前的容性功率。此时 5.1 滤波器的补偿效果 功率因数为 0.1065 很低，且为超前，表现为过补偿。 接入滤波器之后的功率因数见表 7。接入滤波 表 7 接入滤波器时的功率因数 Tab.7 Power coefficient after connecting the filters 空载I较小I?II=0 I>II< I ，，,, ， ,，,I/A 0 36.45 224.37 113.30 114.48 41.49 ， I/A 0 118.22 0 104.82 84.51 146.46 , P/MW 0.3802 4.2384 5.5025 5.5531 5.0774 4.6352 一1Q/Mvar 次 -3.5487 -0.6813 0.9787 0.8049 0.4727 0.4548 1侧 0.1065* 0.9873* 0.9845 0.9897 0.9957 0.9952 cos, 10.0064 3.8817 5.1599 5.1470 4.6805 4.2647 P/MW 二2 Q/Mvar 次 -0.2103 2.3490 3.5673 3.5970 3.3575 3.2902 2侧 cos, 0.0303* 0.8555 0.8226 0.8197 0.8126 0.7918 2 注:*表示超前。 第 4 期 张志文等: 多功能平衡牵引变压器运行方式研究131 5.2 滤波器的滤波效果 当负荷功率增大时，一次侧的容性功率减小，功率 因数随之提高，但仍为超前。当负荷功率增大到 多功能平衡变压器一个重要的功能是高次谐 4.26MW 时，一次侧的无功功率变为感性无功，且 波滤波。为考察其滤波效果，分别测出了无滤波器、 数值相对较小，此时一次侧功率因数很高，相当于 常规两相滤波器(接于 27.5kV 母线，见图 4)、本 将负荷的功率因数由 0.7918 提高到 0.9952，此时 文所述三相滤波器(接于 10.5kV 抽头，见图 3) 补偿适中。当负荷超过 5MW 时，其负荷无功也增 三种情况下的 110kV 网侧电流，测试数据见表 8。 大，此时补偿容量不够，一次侧的功率因数反而有 根据表 8 的数据，可以得出不同滤波方法时谐波电 所下降，表现为欠补偿。 流的滤除率，结果见表 9。 表 8 110kV 网侧三相电流测试结果 Tab.8 Testing results of three-phase currents for the 110kV system 滤波总谐波谐波电流 基波3 次 5 次 7 次 总畸变率电铁负荷 序号电流 A A A A % MW 位置电流/A平均值/A A 83.15 20.20 7.1 4.08 21.80 26.21 无滤波8.731 B 60.68 13.58 5.49 1.56 14.73 14.46 24.28 C 23.48 6.32 1.61 2.13 6.86 29.22 A 34.73 2.63 1.69 0.6 3.18 9.17 27.5kV 1 8.714 B 61.80 7.74 2.93 1.82 8.47 7.70 13.71 母线 C 95.64 10.24 4.54 2.3 11.43 11.96 A 28.56 0.54 2.1 0.77 2.30 8.06 10.5kV 8.689 B 41.20 3.88 1.01 1.14 4.17 3.87 10.12 抽头 C 69.91 3.79 3.15 1.48 5.15 7.36 A 84.77 13.15 6.21 3.84 15.04 17.74 8.526 无滤波B 61.72 9.53 4.72 2.60 10.95 10.05 17.74 C 22.33 3.60 1.71 1.15 4.15 18.58 A 29.99 1.83 1.96 0.47 2.72 9.08 27.5kV 2 8.46 B 46.45 5.50 3.77 2.06 6.98 6.44 15.02 母线 C 76.27 7.30 5.78 2.38 9.61 12.60 A 30.95 0.47 3.5 0.69 3.60 11.63 10.5kV 8.537 B 45.92 3.34 4.13 2.73 3.85 5.39 8.38 抽头 C 77.04 3.35 7.64 2.51 8.71 11.31 A 67.13 12.58 4.65 2.23 13.60 20.25 8.079 无滤波 B 48.15 8.14 4.41 1.36 9.36 9.16 19.43 C 20.40 4.49 0.50 0.43 4.54 22.25 A 73.71 7.74 5.83 2.25 9.95 13.5 27.5kV 3 8.055 B 62.50 5.92 4.41 1.40 7.51 6.61 12.02 母线 C 12.65 1.70 1.43 0.85 2.38 18.80 A 67.0 5.36 3.51 4.15 7.63 11.39 10.5kV 8.044 B 61.51 5.98 1.82 3.00 6.93 5.50 11.27 抽头 C 9.71 0.92 1.38 1.01 1.94 20.00 A 17.35 4.36 0.79 1.04 4.55 26.23 6.022 无滤波B 44.81 11.62 2.20 1.89 11.98 10.96 26.73 C 62.44 15.87 2.98 2.52 16.34 26.17 A 48.75 4.57 5.46 1.51 7.28 14.93 27.5kV 4 6.012 B 45.16 3.63 3.98 0.86 5.45 4.81 12.08 母线 C 6.38 0.88 1.35 0.53 1.70 26.59 A 20.48 0.53 2.47 0.43 2.56 12.51 10.5kV 6.067 B 21.47 2.83 0.90 1.38 3.27 3.40 15.25 抽头 C 40.52 2.60 3.32 1.09 4.36 10.75 从表 9 可见，对于常规滤波方法，谐波电流 本方法与常规方法相比，谐波电流降低的平均值为滤除率的平均值为 41.66%，而对于本文方法，其 28.04%，最大值为 49.74%。这说明采用三相滤波 谐波滤除率的平均值为 57.14%，最大值为 73.24%。 器的滤波效果明显优于常规方法的两相滤波器。 中 国 电 机 工 程 学 报第 24 卷 132 表 9 谐波电流降低百分值 Tab.9 Decreased percentages for harmonic currents 总谐波电流/A(三相平均值) 谐波电流降低百分值/% 序号 无滤波(1) 27.5kV 滤波(2) 10.5kV 滤波(3) (2)相对于(1) (3)相对于(1) (3)相对于(2) 1 14.46 7.70 3.87 46.75 73.24 49.74 2 10.05 6.44 5.39 35.92 46.37 16.30 3 9.16 6.61 5.50 27.84 39.96 16.79 4 10.96 4.81 3.4 56.11 68.98 29.31 平均 11.16 6.39 4.54 41.66 57.14 28.04 China Railway Society)，1988，10(4):16-22( 6 结论 郭宝库(Guo Baoku)(三相变两相平衡变压器(Three-phase to [2] Two-phase Blance Transformer)[P](中国专利(China Patent): (1 )本牵引变压器处于两相系统运行方式 ZL92232298.8( 下，可作为阻抗匹配平衡变压器使用。一次侧电流 陆家榆，陈莉，丁青青，等(Lu Jiayu，Chen Li，Ding Qingqing， [3] et al )( YN/ 联接平 衡变 压器 运 行 特性 的数 学 模 型 ( The 无零序分量，两相电压的相位差也接近于 90º。 mathematical model of operating characteristics of YN/ connected (2)本变压器处于三相运行方式下，当三相 balance transformer)[J](中国电机工程学报(Proceedings of the 负载为容性性质的滤波器时，变压器将向系统输送 CSEE)，1998，18(5):345-349( 张志文，熊芝耀，刘福生 无功，使一次侧的功率因数变为超前。 (Zhang Zhiwen ，Xiong Zhiyao ，Liu Fusheng)(多功能平衡变压[4] 器的等值电路(Equivalent circuits of the multi-function balance (3)本变压器两相系统与三相系统组合运行 transformer)[J](电工技术学报(Transactions of China 方式是可行的。运行时一次侧仍无零序电流，当二 Electrotechnical Society)，2002，17(1):28-31( 次侧两相电流对称且三相电流亦对称时，一次侧电 张志文，刘福生，熊芝耀(Zhang Zhiwen，Liu Fusheng，Xiong [5] Zhiyao)(多功能平衡牵引变压器的谐波分析及计算(Analysis and 流成为对称三相电流。 calculations of harmonics to the multi-function balance traction (4)本三相滤波器具有无功补偿功能。在两 transformer)[J](湖南大学学报(Journal of Hunan University)，1998，相负荷适当时，可以将一次侧功率因数补偿到接近 25(1):47-51( 张志文，熊芝耀，刘福生(Zhang Zhiwen ，Xiong Zhiyao ，Liu 于 1，但当两相负荷空载或轻载时存在过补情况。 Fusheng)(多功能平衡变压器滤波装置的选型与分析(Mode and [6] 解决的办法是采用动态无功补偿，根据负荷情况随 analysis of filter for multi-function balance transformer)[J](电力系 统及其自动化学报(Proceeding of the EPSA)，2001，13(3):34-37( 时调节无功补偿量的大小。 (5)本三相滤波器滤波效果十分明显。在负 荷及补偿容量大致相同时，其平均谐波滤除率高出 收稿日期:2003-11-03。 常规两相滤波器约 28%，值得大力推广应用。 作者简介: 本变压器及与之配套的三相滤波器，除具有 张志文(1963-)，男，博士研究生，副教授，主要从事新型变压装 置及应用、电气化铁道谐波抑制、电机及其智能控制、新型电力电子 带牵引负荷的基本功能外，还具有无功补偿、带所 器件及应用等研究; 用电负载和高次谐波滤波等辅助功能。 王耀南(1957-)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事智能控 制理论与应用、电气控制工程、模式识别与智能系统等研究。 参考文献 [1] 刘福生，聂光前(Liu Fusheng，Nie Guangqian)(利用阻抗匹配方 案构成的新型平衡 变压器( The new type balance transformer (责任编辑 韩 蕾)according to impendence matching)[J](铁道学报(Journal of the