單相組合式同相供電裝置中性點電位漂移影響

王 卓，趙晴晴，蔡雨昌，呂 忠

單相組合式同相供電裝置中性點電位漂移影響

王 卓，趙晴晴，蔡雨昌，呂 忠

通過分析同相補償裝置運行方式對中性點電位漂移的影響，提出了減弱單相組合式同相供電裝置中性點電位漂移的建議。

同相供電；中性點；負序；牽引變電所

0 引言

近年來，國內高速鐵路快速發展，在國家資源配置中起到了重要作用[1]。但由于國內采取單相工頻交流制供電模式，會隨之產生負序、無功、諧波等電能質量問題[2]。隨著交直交電力機車的投入使用，無功和諧波問題已經得到了極大的改善，但負序問題一直困擾著鐵路部門[3]。同相供電裝置利用特殊的變壓器接線及相應的電力電子裝置，成功實現三相到單相平衡變換。可以最大限度地減弱電力機車運行時對電網產生的負序影響，甚至取消電分相，使高速及重載列車更加高效率的運行。

單相組合式同相補償裝置由于變壓器無法將中性點直接接地。因此當同相補償裝置中有功率通過時，會造成變壓器中性點電位偏移，使供電電壓的幅值與相角發生變化，從而影響供電質量及負序補償效率。

本文通過對同相補償裝置運行情況進行分析，建立同相補償裝置的數學模型，在實測負荷的情況下，對負序完全補償情況下造成的中性點電位偏移量進行仿真分析，從而對同相補償裝置的中性點電位偏移量進行研究。

1 單相組合式同相供電

單相組合式同相供電方案如圖1所示。

圖1 單相組合式同相供電方案示意圖

單相組合式同相供電變電所由主變壓器TT、同相補償裝置CPD組成，其中同相補償裝置CPD包括高壓匹配變壓器HMT、交直交變流器ADA、牽引匹配變壓器TMT及交流電抗器L等。

單相組合式同相供電方案相對于以前的裝置，通過改進變壓器的接線使高壓匹配變壓器HMT與主變壓器TT兩者形成平衡變壓器。交直交變流器由此前在平衡變壓器兩臂之間傳遞功率變為通過交直交變流器直接分擔主變壓器的負荷，使得在正常負荷情況下通過主變壓器的功率減少，且同相補償裝置提供的功率可以減少通過主變壓器的負序功率。

由圖1所示，主變壓器與高壓匹配變壓器組成的平衡變壓器中，中性點是沒有直接接地的。因為如果將中性點直接接地會在系統中產生零序電流，對繼電保護產生不良影響。因此當同相補償裝置進行負序補償時，隨著負序補償量的增加，通過同相補償裝置的功率會變大，且中性點電位的偏移量也變大。同性補償裝置可按以下2種方式運行[4]：

（1）方式1。同相補償裝置使用熱備用的形式，當負荷功率引起的三相不平衡度符合國標要求時，由牽引變壓器承擔全部負荷；負荷功率引起三相不平衡度超標時，同相補償裝置補償負荷功率與負序允許功率差值的1/2，使三相不平衡度滿足國標要求。

（2）方式2。同相補償裝置持續運行，當負荷功率小于等于同相補償裝置容量2倍時，同相補償裝置分擔牽引變壓器一半的負荷功率；當負荷功率大于同相補償裝置容量2倍時，同相補償裝置按照額定容量補償，其余負荷功率由牽引變壓器提供。此時會產生剩余負序功率，但符合國標要求。

2 中性點電位計算模型

由圖1可知，主變壓器與高壓匹配變壓器共同組成一個Scott變壓器。主變壓器與高壓匹配變壓器組成的Scott變壓器的中性點應該位于主變壓器繞組的2/3處[5]。

當牽引變電所中不需要進行負序補償時，同相補償裝置中沒有功率通過，此時相當于主變壓器自身運行。主變壓器的電流如圖2所示。

圖2 主變壓器單獨運行時的電流分布示意圖

圖2對應的相量圖如圖3所示。

圖3中，由于主變壓器中漏抗的存在，當有負荷電流通過主變壓器時，在CD、DB繞組中產生的壓降分別為UCC′、UBB′。EB′C′為BC繞組中主磁通對應的感應電動勢。但是由于C、B的電位是由電網提供的，電位相對固定，而中性點電位也不發生改變，因此當主變壓器單獨運行時中性點電位不發生漂移。

圖3 主變壓器單獨運行時相量圖

當同相補償裝置運行時，假設主變壓器及高壓匹配變壓器繞組漏抗均勻分布，負荷電流為IA，則相量圖如圖4所示。

圖4 同相補償裝置有負荷電流通過時的相量圖

UAA1表示高壓匹配變壓器的漏抗引起的壓降，A2在UAA1的2/3處，過A2作A1D′的平行線與AD′的交點O′即為中性點電位。中性點電位的偏移量為UOO′。可以證明UOO′= (2/3)UDD′。如圖4所示，造成中性點漂移的主要原因是主變壓器兩半線圈的分流電抗。由磁勢平衡關系，分流電抗的計算可以按照一般雙線圈的單相變壓器的計算方法。

3 中性點電位漂移仿真分析

某牽引變電所一天的負荷過程如圖5所示。

圖5 某牽引變電所一天負荷過程示意圖

采用如下方法設計單相組合式牽引變電所[4]。若短路容量為sd，三相電壓不平衡度限值為uε%，通過牽引變壓器的功率為sT，通過同相補償裝置的功率為sC，系統允許的負序功率為sε，負荷過程提取的最大值為s，則

根據牽引變壓器的過負荷倍數確定安裝容量，這里牽引變壓器取過負荷倍數kT= 1.75，不考慮同相補償裝置過負荷能力。假設該牽引變電所的短路容量為500 MV·A，則該牽引變電所的負序功率允許值為10 MV·A，牽引變壓器容量為10 MV·A。同相補償裝置采用方式1進行補償，此時造成的中性點電位漂移量的瞬時數據如圖6所示。

圖6 方式I單相組合式同相補償裝置造成的中性點電位漂移量曲線圖

同相補償裝置采用方式2進行補償時的中性點電位漂移量如圖7所示。

圖7 方式2單相組合式同相補償裝置造成的中性點電位漂移量曲線圖

由圖6、圖7可以看出，牽引負荷需要的負序補償量越大，則造成中性點漂移越嚴重。減弱中性點電位漂移的方法一個是增加底座繞組的電磁耦合程度，減少分流阻抗。另外一個是通過改變同相補償裝置的運行方式，由同相補償裝置持續運行轉換為熱備用方式。熱備用形式下，中性點電位漂移的密度顯著減弱，在大部分情況下中性點電位不發生漂移。在保證負序補償的前提下，盡量減少同相補償裝置的負荷通過量，以此減弱中性點電位漂移量。

4 結論

本文通過對單相組合式同相供電裝置中性點電位漂移原理分析，結合既有線牽引變電所負荷過程，對單相組合式同相供電裝置中性點電位漂移進行了仿真分析。得出以下結論：

（1）單相組合式同相供電裝置中性點電位漂移主要是由通過同相補償裝置的負荷造成的。

（2）中性點電位漂移會使變壓器二次側電壓波形產生畸變，從而對同相補償裝置負序的補償效率產生影響。

（3）通過改變同相補償裝置運行方式可以減弱中性點電位漂移。

[1] 李群湛. 我國高速鐵路牽引供電發展的若干關鍵技術問題[J]. 鐵道學報，2010，32（4）：119-124.

[2] 李群湛，賀建閩. 牽引供電系統分析[M]. 成都：西南交通大學出版社，2012：155-158.

[3] 陳民武，宮衍圣，李群湛，等. 電氣化鐵路電能質量評估及新型控制方案研究[J]. 電力系統保護與控制，2012，40（16）：141-147.

[4] 李群湛. 論新一代牽引供電系統及其關鍵技術[J]. 西南交通大學學報，2014，（4）：559-568.

[5] 吳命利，范瑜，辛成山. Scott 接線牽引變壓器運行特性與等值模型研究[J]. 電工技術學報，2003，18（4）：75-80.

By analyzing the influence caused by the neutral point potential drifting under co-phase compensation device operation mode, the paper puts forward proposals to minimize the potential drifting of neutral point of single phase combined co-phase power supply equipment.

Co-phase power supply system; natural point; negative sequence; traction substation

U223.5+4

：B

：1007-936X(2016)03-0004-03

2015-11-25

王 卓.西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生，電話：18606350057；趙晴晴，蔡雨昌，呂 忠.西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生。