27.5kV电力供电电源的几点应用经验.pdf

2 7 ． 5 k V电力供电电源的几点应用经验赵 新 2 7 ． 5 k V电力供 电 电源 的几 点应 用 经验 赵新 ( 中铁第一勘察设计院集团有限公司电气化处 西安，7 1 0 0 4 8 ) 摘要：本文对迁曹线曹妃甸南站工频交直交电源B相输出升压变压器过热原因进行了分析， 找出了因B相逆变回路滤 波电容器老化， 造成输出电压波形严重畸变， 引起输出B相升压变压器铁芯长时间发热、 造成线圈老化的原因。并根据运行经 验提出了在电气化区段选用交直交电源时应首选高频模块化交直交电源的建议。 关键词：电气化； 交直交； 电源； 应用 D OI 编码 ：1 0 ． 1 4 0 1 6 ~ ． c n k i ． 1 0 0 1 — 9 2 2 7 ．2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 6 2 Ab s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ， t h e r e a s o n o f p o we r fre q u e n c y AC— DC— AC o u t p u t c a u s i n g t r a n s f o r me r o v e r h e a t i n g i n the Ca o f e i d i a n s o u t h s t a t i o n Q i a n C a o r a i l wa y i s a n a l y z e d ， t h e r e a s o n o f o u tpu t B s t e p — u p tr ans f o r me r i r o n c o r e h e a t f o r a l o n g t i me a n d wi r e a g i n g c a u s i n g b y the a g i n g o f B p h a s e i n v e r s i o n l o o p fil t e r c a p a c i t o r , a s e ri o u s d i s t o r t i o n o f o u tpu t v o k a g e wa v e f o r m i s f o u n d ． Ac c o r d i n g t o the o p e r a t i o n e x p e r i e n c e o f a s k i n g i n the e l e c t r i c a l s e c t i o n u s e AC- DC— AC p o we r s h o u l d b e the fi r s t c h o i c e o f h i g h f r e q u e n c y mo d u l a r i z e d AC— DC- AC p o we r a d v i c e ． Ke y wo r d s ： E l e c t r i c ； AC- DC-AC； P o we r ； Ap p l i c a t i o n s 中图分类号 ：T M6 g 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 1 - 9 2 2 7 ( 2 0 1 5 )0 2 — 0 0 6 2 一 O 4 1 问题提出 迁曹线滦南至曹妃甸段铁路全长9 2 ． 1 k m， 是曹妃甸港区连 接华北路网的铁路运输通道。始于滦港铁路滦南站，终于曹妃 甸港区。此段设计为双线电气化铁路 ，A T供电方式，由铁道 第一勘察设计院设计。港区设计有三个车站，曹妃甸南站、曹 妃甸站、曹妃甸西站。车站的信号、通信、生产、生活用电由 1 0 k V电力贯通线供电。三个车站第二路 电源均从各车站接触 网上接引，经变压器将 2 7 ． 5 k V电压降压至0 ． 2 2 k V，再经过电 气化铁道专用单相变三相交直交电源设备将单相电源变换成三 相四线 O ． 3 8 k V ＼ 0 ． 2 2 k V电源，供车站信号 、通信系统使用 。曹 妃甸南站、曹妃甸西站为单变三工频交直交电源，在2 0 0 8 年 8 月投入使用． 曹妃甸站为高频模块化单相变三相交直交电源 ， 在2 0 1 0 年9 月投入使用。 2 0 1 1 年8 月中旬，曹妃甸南站单变三工频5 0 k V A交直交电 源B 相逆变升压变压器有放电现象。检查发现，B相逆变升 压变压器严重过热，线圈表面绝缘纸由黄色变成了黑色，给交 直交电源设备送电时有明显的放电声音 ，在运行中噪音很大。 单变三工频5 0 k V A交直交电源逆变升压变压器为单相设计，变 压器容量单相2 1 ． 2 5 k V A，结构为浸渍式干变。 2 原 因分析 电气化铁路专用工频交直交电源为单变三的转换模式，输 入电源为单相交流O ． 2 2 k V，经过电抗器、升压变压器 、整流 桥 、电容稳压滤波 、B U C K斩波，稳压滤波最后输出一个稳定 的直流O ． 2 2 k V电源。整流原理如图 1 所示 。 6 2 收稿 日期 ： 2 0 1 4 — 1 2 — 2 0 芦 品 h 鸡瓣 IS T f ] l i l l 图 1 整流原理示意图 工频交直交电源逆变器多采用三相全桥逆变器结构其原理 如图2 所示 。全桥逆变器是由功率器件组成主电路 ；换流电 感、电容、二极管组成变流电路；反馈二极管 、反馈电抗器组 成反馈电路 ；交流滤波电感 、交流滤波电容组成交流滤波电 路；逆变器触发控制电路；保护电路；升压变压器组成 。整 流后的直流0 ． 2 2 k V电源， 经过逆变器和升压变压器输出稳定的 三相四线交流电源。 一 图2 三相全桥逆变器原 理示意图 这种结构的交直交电源逆变器后面都有一个隔离变压器 ， 经角、星接线变压器将三相三线制转换成三相四线制 。 通过对故障B相升压变压器分解后发现，变压器输入侧线 圈严重过热， 漆包线绝缘漆大面积脱落。输出侧线圈较为正 常。变压器输入侧六个线圈并联接线，单个线圈双线并绕。输 出侧三个线圈并联接线 ，单个线圈双线并绕。一、二次线圈单 根导线截面一样。铁芯柱上缠绕的绝缘纸在输入线圈的位置由 黄色变成了黑色，在输出线圈位置由黄色变成了黄黑色。 升 压变压器输入侧相电压 1 4 0 V ， 输出侧相电压 2 3 0 V。经了解 ， 现场单变三5 0 k V A交直交 电源所带负荷较小 ，日常负荷A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 《 自动化与仪器仪表)) 2 0 1 5 年2 期( 总第 1 8 4 期) 相7 A、B 相l 7 A、C相7 A。因过负荷造成升压变压器 过热的可能性不大。这是因为升压变压器线圈单根导线的截面 为4 5 1L 方毫米 ，并联以后导线总截面为4 8 平方毫米，导体许 可载流量在 1 5 0 A左右。因此，交直交电源所带的负荷远远不 会造成变压器铁芯及线圈的发热。 为了搞清楚输出变压器铁芯、线圈发热的原因，对交直交 电源的三相输出电压的各次谐波含量进行了测试，测试时设备 不带负荷， 测试结果如下： A相电压谐波含量立柱图，A相电压波形图，A相电压频 域分析结果如下。 A相电压谐波含量立柱图3 ， 3 5 《 3 f U nl u1 1 ％ 诣 谊立挂 图 2 ． 5 I t 5 j l l‘ l l 景 量 量 量 ； l ； l ； ； ； ； l l ； l l ； l ； ； l l l 备注： 横坐标表示频率单位赫兹， 纵坐标表示每次谐波与基波比值％ 图3 A相 电压谐波含量立柱 图 A相电压波形如图4 ， 400- 3 0 0 — ／ 、 ／ 、 ／ ^＼ ／．＼ ／ 、 2 0 O 一 ／ ＼ ／ ＼ ／ ＼ ／ ＼ ／ ＼ 1 0 0 — 、 ／ l ／ ／ ／ ＼ 0- V 0 ＼／ V 一100一 一 20O一 一30O一 - 40O一 备注： 横坐标表示频率单位赫兹 ， 纵坐标表示电压单位伏特 图4 A相 电压波形图 从 A相电压频域分析结果看交流有效值2 3 2 ． 6 8 5 V ，各次 谐波只有2 次谐波2 ． 9 4 6 ％超过了电能质量公用电网谐波标准偶 次谐波2 ％的要求． 其它各次谐波含量都不超过电能质量公用电 网谐波标准。电压谐波总畸变率为4 ． 6 9 1 ％。低于电能质量公 用电网谐波标准电压谐波总畸变率5 ％的要求。G B ／ T 1 4 5 9 5 — 9 3 ( 电能质量公用电网谐波)国家标准中公用电网谐波电压限制 值H 见表 1 。 表1 公用电网谐波电压限制值 B相电压谐波含量立柱图，B相电压波形图，B相电压频 域分析结果如下。 B相电压谐波含量立柱图5 3 5 一一 - 一 一 一 一- - - ⋯ 一 ， t k r r ／ O l ~ ～ ⋯ 一 蝴 #目 n 日 m n m n m m∞n日m m 0 0 H m mt■ t 。 ^ ∞0 0 q ～H m m 日 ∞∞∞ m∞∞ 0 H 备 注： 横坐标表示频率单位赫兹 ， 纵坐标表示每次谐波与基波 比值％ 图5 B 相电压谐波含量立柱图 B 相电压波形如图6 一 备注： 横坐标表示频率单位赫兹， 纵坐标表示电压单位伏特 图 6 B相 电压 波形 图 B 相电压局部波形如图7 ： 备注： 横坐标表示频率单位赫兹， 纵坐标表示电压单位伏特 图7 B相 电压局部波形 从 B 相电压频域分析及电压谐波含量立柱图结果看 ，电压 畸变主要在 1 9 ． 0 4 k H Z 谐波含量在 1 ． 0 9 7 ％、1 9 ． 1 3 k H Z谐波含量 在 1 ． 8 8 4 ％、1 9 ． 1 4 k H Z 谐波含量在3 ． 0 4 5 ％、1 9 ． 2 3 k H Z谐波含量 在 1 ． 8 0 9 ％、1 9 ． 2 4 k HZ ~波含量在 3 ． 1 1 1 ％谐， 1 9 ． 3 4 k H Z 谐波含 量在 1 ． 0 8 7 ％的区域内。从B相电压波形图及局部波形图看B相 电压波形畸变是很严重的。 C相电压谐波含量立柱图，C相电压波形图，C相电压频 域分析结果如下。 C相电压谐波含量立柱图7 弱 蓦 基 量 晷 ； l l l i l i l ； ； l l ； 备注： 横坐标表示频率单位赫兹 ， 纵坐标表示每次谐波与基波比值％ 图 7 c相 电压谐波含量立柱 图 C相电压波形如图8 圃 八八八 八 ／ V 备注 ： 横坐标表示频率单位赫兹， 纵坐标表示电压单位伏特 图8 c相电压波形图 6 3 ： = 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 7 ． 5 k V电力供电电源的几点应用经验赵 新 从 c 相电压频域分析结果看交流有效值2 2 4 ． 1 6 4 V，3 次谐 波最高为 1 ． 9 3 ％，各次谐波含量都不超过电能质量公用电网谐 波标准， 电压总谐波畸变率为2 ． 5 8 6 ％，低于表 1 电能质量公用 电网谐波标准5 ％的规定。 从以上测试数据可以看出，A相电压除2 次谐波为2 ． 9 4 6 ％ 超过偶次标准2 ％外 ，其它各次谐波均不超过表 1 的国家标 准。c 相电压各次谐波均不超过国家标准。A相电压、c相电 压波 形均成 正弦波形 。B相 电压在 1 9 ． 0 4 、1 9 ． 1 3 、1 9 ． 1 4 、 l 9 ． 2 3 、1 9 ． 2 4 、1 9 ． 3 4 K h z 电压波形发生了严重畸变。 对B相逆变回路进行检查测试， 发现B相逆变交流滤波回路 的滤波电容器已经严重老化，在运行中无法进行正常的滤波， 从而造成逆变后的输出电压波形严重畸变。在交直交电源装置 中滤波电路是一个重要组成部分。为了获得比较理想的直流输 出电压，需要在整流电路的输出端设制直流滤波器。为了获得 比较理想的正弦波交流电压，就需要在逆变器输出端设制交流 滤波电路。无论采用哪一种逆变电路，都不可能在逆变器的输 出端得到一个理想 的正弦波电压， 因为在逆变输出电压中还存 在不少的高次谐波成分，使输出电压波形发生畸变所以必须要 有交流滤波器 1 。交流滤波器的功能主要消除和削弱逆变器输 出电压中的低次滤波， 改善电源装置输出电压波形， 减小输出电 压波形的畸变因数 。交流滤波电路使用在逆变器输出端， 交 流滤波器分为低通滤波器和谐振型滤波器， 无论是低通滤波器 还是谐振型滤波器， 其都是 由交流滤波电抗器与交流滤波电容 器组成。在运行中交流滤波电路中电抗器或电容器损坏或老化 都会影响滤波效果。 高次谐波对电力设备的危害主要表现为过负荷和发热 ，增 加介质应力和过电压 ，干扰和危害以致破坏电子设备和保护控 制设备的性能和正常工作 。从变压器原理可知， 如果在一个交 流铁芯线圈的铁芯上， 再绕一个互感线圈， 那么就得到了一个最 简单的单相变压器． 如果把变压器的原线圈接到交流电源上， 于 是在原线圈中就流过交变电流， 这个电流将在铁芯中产生交变 主磁通。由于原 、副线圈绕在同一个铁芯上， 所以铁芯中的主 磁通同时穿过原线圈和副线圈。我们知道， 交变的磁通将在线 圈中产生感应电动势 的同时， 在副线圈 中也产生了互感电动 势。对于负载来说，副线圈中的这个电动势就相当于电源电动 势，因而在副线圈与负载回路中产生了电流 ，完成 了电能传 递。根据电磁感应原理从原线圈传递到副线圈的能量由交流电 源供给，铁芯中的磁通是传递能量的桥梁 。在交流磁路中， 磁 通是不断交变的， 交变的磁通要在线圈中产生感应电动势的同 时， 还在铁芯中产生感应电动势， 并且产生感应电流， 这种在铁 芯 中产生的感应电流就叫作涡流。涡流的存在会使铁芯发热， 这对于变压器来说是十分有害的， 它不仅会引起额外的功率损 失， 而且还会使线圈温度过高， 甚至损坏线圈绝缘。实验和数学 分析都可以证明， 涡流损失与电源频率的平方以及磁感应强度 最大值的平方成正比 。正常情况下变压器激磁电流中含有谐 波 ，但该谐波电流不大于变压器额定电流的1 ％，对小型配电 变压器不大于3 ％，其作用是使变压器铁芯中磁通趋于正弦波 形 ，所以它并不引起变压器本身的铁损和发热增大13 1 。但在输 入电源频率很高的情况下铁芯中涡流电流会增大 ，增大的涡流 电流会引起铁芯和某些紧固件发热， 造成局部严重过热。加 速线圈的绝缘老化。 从以上分析可以看出， 曹妃店南站工频单变三5 0 k V A交直 交电源升压变压器发热的原因不是过负荷引起 ，而是B相逆变 回路交流滤波电容器老化不能对逆变后的电压进行滤波，造成 B相逆变后电压波形严重畸变所增大的涡流电流造成的。因涡 流与电源频率 的平方 以及磁感应强度最大值的平方成正比． 所以高频率的输入电压会增大涡流电流，增大的涡流电流必然 会造成铁芯长时间发热而引起线圈老化。 根据测试数据分析结果 ，现场对B相逆变滤波回路以经严 重老化的滤波电容器以及因铁芯发热损坏的B相升压变压器进 行了更换。更换后的设备恢复了正常运行． 运行后测试参数如 图 9 所示 B 相 电压谐波含量立柱图。 2 5 r 一 一 ， f u n 1 1％ 一嬗 照童 蛙慝一 ⋯⋯⋯ ． ⋯ ⋯． 苎 甚苎 吕 苦 g g g = =署 ： 盅 高 焉惫 蔫鲁 幂 导 寻等 荨导 ；雩 备注： 横坐标表示频率单位赫兹， 纵坐标表示每次谐波与基波比值％ 图9 B相电压谐波含量立柱图 设备正常后的B相电压波形图如图1 0 所示。 ， ＼ 厂 ＼ _ 奎 lll ． llI 叠 ／ ． ＼ ■ f ＼ ll | 0 l _ 0 l ＼ ≯ ： _ll／ ＼ ／ ： ， l＼r f r ／ ＼ _ 『 _ 弋 _ f ． 。 ／ ／ ll l ／ 。 ＼ lll一 ： 。 l _ llll lll 。 ’ ‘ 。 。 。 。 备注 ： 横坐标表示频率单位赫兹， 纵坐标表示电压单位伏特 图 1 0 B相 电压波形 图 从测试结果可以看出更换滤波电容及升压变压器后， 输 出电压从 基波 到 3 9 9次谐 波， 3次 谐波 最高 为畸 变率 为 1 ． 2 3 ％，总谐波畸变率为2 ． 3 l ％，《 电能质量公用电网谐波》中 规定的3 8 0 V奇次谐波不大于4 ％、总谐波畸变率不大于5 ％的 规定，设备运行正常。 随着电气化铁路的发展，利用牵引电源及交直交电源转换 技术，给沿线车站信号、通信系统供电越来越普遍。近几年在 多条新线电气化区段信号二路电源设计中采用了这一技术，节 省了大量基本建设资金。早期的交直交电源大都采用了工频转 换技术。在运行 中因工频交直交电源设备是分立原件组成，一 旦某一元器件发生故障整个设备都要退出运行，影响供电。随 着电力电子技术的发展和高频功率器件不断问世，交直交电源 产 品逐步实现了高频化 。高频交直交电源 由I G B T高频整流 器 、逆变器组成 ，I G B T可以通过控制加在其门极的驱动来控 制 I G B T的开通与关断，I G B T整流器开关频率通常在几 K H z 到 几十K H z ， 甚至高达上百 K H z ，相对于5 0 Hz 工频， 称之为高频 交直交电源。典型的高频机单个功率模块原理如图1 1 所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 《 自动化与仪器仪表)) 2 0 1 5 年2 期( 总第 1 8 4 期) 图 1 1 高频机原理图 由于高频交直交电源输入部分取消了工频变压器 ，采用 S P WM技术实现整流高频化，使直流滤波器尺寸变小。高频交 直交电源取消了逆变器中的工频升压变压器，输出采用 S P WM 变换方式输出工频 电压 ，逆变器中的I G B T工作频率在2 0 k H Z 以上 ，因此输出滤波器小而简单。 以上特点为高频交直交电 源模块化生产提供了条件。功率模块可以做成不同的容量，使 用时进行不同容量的组合。高频模块化交直交电源使用时，功 率模块采用 N + I 配制 ，运行中当某一个功率模块发生故障时故 障功率模块会 自动退出运行 ，不会影响交直交电源的正常输 出。当交直交电源控制模块发生故障时，控制功能会自动转移 给第一个功率模块 ，不会影响交直交电源的正常运行。曹妃店 车站使用的6 0 k V A高频模块化交直交电源自2 0 0 9年开通使用 以来仅发生过一次功率模块故障，而曹妃店南站、曹妃店西站 使用的两台工频交直交电源 自2 0 0 8 牟投入运行以来发生了 1 1 次故障。这些故障主要是直流滤波回路电容板短路、整流二极 管烧损 、D C - D C 模块烧损、逆变模块烧损、因列车震动造成 电路板松动设备停机等等。 以娘子关分区所使用高频模块化交直交电源运行情况为 例，娘子关分区所所用一路电源从娘子关 1 0 k V配电室馈出回 路接引。所用二路电源由所 内2 7 ． 5 k V ＼ 0 ． 2 2 k V降压变压器上接 引，经过高频模块化交直交电源将单相电源转换成三相四线电 源供所内使用 。所 内高频模块化交直交电源容量 3 0 k V A， 3 个 1 0 k V A功率模块并联运行。为了了解设备运行效果， 对输入的 单相电压、输出的三相电压谐诚含量进行测试并做出了谐波含 量立柱图。从图l 2 立柱图可以看出取自接触网的输入电压，7 次 、1 1 次 、2 1 次 、2 3 次 、2 5 次 、2 7次谐波都超过了国家标 准，谐波总畸变率1 5 ． 6 3 ％。 谐 瑷 互 枉 圈 ( U n ／ U1 ) ％ 一一_ 一一 l I I r 一 m ． 1 I 黼 ~g．rl7 l ll ．从I t ．1 I l Il ．^ ．J _ I 工 I 墨 量 量 莩 i 兰 量 量 莩 0 昌 备注： 横坐标表示频率单位赫兹， 纵坐标表示每次谐波与基波比值％ 图 1 2 输入 电压谐波含量立柱图 经过交直交电源转换后， 输出的三相电压谐波立柱图如下 输出A相电压谐波立柱图如图1 3 备注： 横坐标表示频率单位赫兹， 纵坐标表示每次谐波与基波比值％ 图 1 3 输 出A相 电压谐波含量立柱 图 输出B 相电压谐波立柱图如图1 4 。 备注： 横坐标表示频率单位赫兹 ， 纵坐标表示每次谐波与基波比值％ 图 1 4 输 出B相 电压谐波含量立柱 图 输出c相电压谐波立柱图如图 1 5 。 备注： 横坐标表示频率单位赫兹， 纵坐标表示每次谐波与基波比值％ 图 1 5 输 出 C相 电压谐波含量立柱 图 输入单相电压频域计算分析，交流有效值 2 2 5 V，7 次谐波 含有量4 ． 6 3 9 ％、1 1 次谐波含有量4 ． 1 9 ％、2 1 次谐 波含有量 4 ． 3 7 ％、2 3 次谐波含有量4 ． 4 4 ％、2 5 次谐波含有量5 ． 5 ％、2 7 次 谐波含有量 7 ． 3 ％其它各次谐波含量都不超过国家标准。电 压总谐波畸变率为 1 5 ． 6 3 ％。从输出的三相电压谐波含量立柱 图中可以看出A相电压谐波含量最高为5 次 1 ． 5 7 ％，电压总谐 波畸变率为2 ． 6 5 ％。B相电压谐波含量最高为2 次0 ． 9 ％，电压 总谐波畸变率为 1 ． 8 7 ％。C相电压谐波含量最高为2 次0 ． 8 8 ％， 电 压总谐波畸变率为 1 ． 7 9 ％。运行效果比较稳定理想。 高频交直交电源在性能上比工频机稳定 ，具有输出功率因 数高 、功率密度大、体积小 、重量轻、成本低 ，同时在安全 性、可靠性上远比工频机高。因此 ，在选择电气化铁路专用单 变单、单变三交直交电源时应首选高频交直交电源。 参考文献 [ 1 ]王其英， 何春华． 新型U P S 工作原理与实用技术及选购指南[ M] ． 人民 邮电出版社 ， 2 0 0 6 年7 月 ： 5 4 ． [ 2 ]哈尔滨工业大学电工学教研室编． 电工学中册[ M] ． 水利电力出版社 ， 1 9 7 7 年9 月 ： 5 3 7 ． 5 3 8 ． 5 1 7 — 5 1 9 ． [ 3 ]吴竞 昌主编． 供电系统谐波【 M】 ． 中国电力出版社， 1 9 9 8 年 5 月 6 ： l 3 7 ． 1 3 8 ． [ 4 ] GB ＼ T1 4 5 9 5 - 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