磁阀式可控电抗器在电气化铁路动态无功补偿中的应用

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1、磁阀式可控电抗器在电气化铁路动态无功补偿中的应用TheApplicationofMagneticValveControllableReactorforDynamicReactiveCompensationforElectrifiedRailroad应用黎文安,何斌,文康珍(武汉大学电气工程学院,湖北武汉430072)摘要:目前铁路牵引供电系统动态无功补偿问题尚无既有效又经济的解决办法。基于此,通过分析我国目前电气化铁路无功补偿现状以及磁阀式可控电抗器的工作原理和工作特性,论证了磁阀式可控电抗器在电气化铁

2、路无功补偿应用方面的可行性和优越性,并利用单片机技术开发出了电抗器控制系统中最关键的控制装置。经测试,其效果是理想的。关键词:磁阀;可控电抗器;电气化铁路;无功补偿[中图分类号TM71413,TM47[文献标识码B[文章编号1004-7913(2003)09-0020-04近年来我国的电气化铁路得到了迅猛的发展,但一直存在着电力机车牵引系统功率因数较低(一般在016～018范围内变动)的问题。目前主要是在牵引变电所广泛采用并联电容器的固定补偿方式,当牵引负荷变化较小、负荷随时间分布均匀时,这种方式能满足

3、功率因数的要求。但实际上电力机车的运行方式多变,负荷变化频繁,固定电容补偿方式不能满足要求。在机车上采用高功率因数的整流驱动系统是解决此问题的方法之一,但需对现有机车结构作大量调整;相控静止补偿装置(TRC)只能用在低压侧补偿,且价格十分昂贵,不可能大量采用;可投切低压并联电抗器存在着受变压器容量限制和出力不足的问题且不具备快速调节能力,如果线路中突然发生故障操作,被切除的电抗器来不及瞬间投入,将会在无补偿线路中产生不能容许的暂态工频电压升高和相应的操作过电(简称DIC)接线方式。动态无功补偿器(DIC

4、)由单相可控电抗器和固定电容器组成。当电力机车进入牵引变电所辖区时,固定电容器组充分补偿机车感性无功,可控电抗器的容量调到最小(空载);当电力机车驶出所辖电网以后,电容器组向系统倒送无功,此时,迅速调节可控电抗器的容量至最大值,以吸收容性无功;在电力机车负荷变化的过程中,可控电抗器快速跟踪补偿剩余无功,从而保证了高功率因数。与此同时,电容器组与串联电抗配合起着3次、5次及高次谐波滤波器的作用。压1。超高压可控并联电抗器控制灵活,造价低廉,不仅可自动快速平滑调节系统无功功率,而且可调节容量深度(额定容量与

5、空载容量之比)可达100倍以上,完全可以满足铁路能源供应系统无功补偿的要求。因此新型可控并联电抗器的研制和应用不仅可从根本上解决电气化铁路系统的无功补偿问题,而且对于铁路部门这一无功消耗大户具有非常重要的经济价值。图1供电系统和补偿器接线方式2可控电抗器的工作原理211磁阀式可控电抗器的结构[2]图2为磁阀式可控电抗器原理图。磁阀式可控电抗器(简称MVCR)的主铁心分裂为两半,面积都为Ab,长度为L,不同之处是每一半铁心具有一长度为Lt的小截面段,其面积为(Abt

6、气化铁道供电系统和动态无功补偿器Ab)。两个半铁心柱上分别对称地绕有两个匝数为N/2的绕组(半铁心柱上的线圈总匝数为N);每研究与东北电力技术2003年第9期21一半铁心柱的上下两绕组各有一抽头比为δ=N2/N的抽头,它们之间接有可控硅K1(K2);不同铁的一个工频周期内,K1、K2的轮流导通起到了全波整流的作用,而二极管D的功能是续流,有利于可控硅K1、K2的关断,提高整流效率。改变可控硅K1、K2的触发导通角便可改变控制电流ik′(ik″)的大小,从而改变铁心的饱和度,平滑地调节可控电抗器容量。磁阀

7、式可控电抗器的特点如下。心的上下两个绕组交叉连接后,二极管则横跨在交叉端点间。并联至电网电源,a.其工作原理是用直流电流控制铁心的饱和度来达到平滑调节的目的。b.直流电流是自耦变压后由可控硅整流获得的。c.该电抗器将工作绕组和控制绕组有机地结合在一起,有利于简化结构,减少损耗。以上磁阀式可控电抗器的绕组接线方式虽然复杂,但具有相对短的磁路饱和段且饱和度可以设计得接近极限值(额定容量时Lt段铁心始终处于饱和状态),这时,可控电抗器所产生的谐波极小,在不采取其他任何措施的情况下,三相对称三角形连接的磁阀式可

8、控电抗器(抵消3次谐波)可以完全满足谐波规定要求。图2磁阀可控电抗器原理图3可控电抗器的工作特性311控制特性[3]在额定正弦电压下,磁阀式可控电抗器电流值(基波)随触发控制角变化的关系为控制特性。可控电抗器的电流大小反映了可控电抗器的容量大小。图4反映了磁阀式可控电抗器的控制特性,它是通过对一个试验用可控电抗器的实测得到的。需要说明的是由于电流表自身原因具有约014A的偏差。在触发角为180°时,电抗器的输出电流应为0。由控制特性曲线可知