摘要:供电系统是铁路基础设施中的关键组成部分,随着电压的波动,系统难免会生成谐波,而应用无功补偿装置可有效过滤谐波,增强补偿效果,提高电流功率,避免供电系统运行期间大量消耗资源。现结合尼日利亚拉伊铁路项目,阐述了无功补偿成套装置的运行环境和自动控制要求,重点对配件的技术要求及质量控制措施展开探讨,以期起到抛砖引玉的作用。
1、工程概况
尼日利亚拉伊铁路项目Lagos站(含)至Ibadan站(含)线路为双线内燃铁路,正线全长156.08km,Apapa港口支线工程长约6.513km。沿线共设置包含Lagos、Agege、Kajola在内的10座车站。尼日利亚国家主干电网高压采用330kV、132kV供电,中压采用33kV、11kV供电。其中,高压电力线路基本采用铁塔送电,电网质量较好;但部分地区中压电网年久失修,稳定性较差。
尼日利亚国家电网存在设备陈旧老化、线路不稳固及无完全回路等问题,故其经常发生跳闸和中断供电现象,对生产设备的正常运行造成极大影响。因此,在铁路电力系统的配置工作中,常采用无功补偿成套装置,同时配套高稳定性的真空接触器,以满足自动补偿投切的作业要求。
2、无功补偿成套装置运行环境
(1)该项目环境温度为-5~50℃,相对湿度不超过95%,海拔不超过1000m。
(2)大气品质方面,Lagos沿海局部地区存在一定程度的烟雾污染问题,其他区域均具有较好的环境,无尘埃、烟气污染等问题。
(3)每月降雨天数约10天。
(4)交流电源的频率为50Hz,工作电压为33kV。
3、配件的技术要求及质量控制措施
3.1无功自动补偿控制器
3.1.1关键技术指标
电源:DC110V±15%;交流电压取样100V;交流电流取样0~5A;电压整定值为33~40.5kV;电流互感器变比为200/5~500/5;出口继电器触点容量为DC110V/5A;动作间隔时间1~60min;动作需系统稳定时间2~10min;功率因数整定值为0.8~0.99。
3.1.2自动和手动投切开关功能
自动接收33kV电压及电流的信号,由此展开计算并得到所需补偿值,再根据结果进行电容器的无功自动投切。
3.1.3远动功能
遥测:覆盖内容包含但不限于电容器组投电容次数、电压、电流、功率因素。
遥信:各电容器位置。
遥控:各电容器合闸、跳闸。
3.1.4事件记录
记录的内容较为丰富,除记录动作信息外,还可记录近7天的电容器投切次数以及电压合格率。
3.2电抗器
3.2.1结构和材料
电抗器采用干式空芯结构,以双聚脂薄膜加环氧玻璃丝包绝缘的导线为基础材料,经绕制后制得电抗器线圈,具有较高的绝缘强度,并采用高温固化等现阶段行业内较为前沿的施工工艺,确保绝缘强度和机械强度满足要求;各绕组的制作采用导线并联或串联绕制的方法,形成若干个包封,各包封间布设有通风管;配套非导磁性材料,置于电抗器的磁回路空间内。
3.2.2外壳
外壳应具有足够的机械强度,从而维持稳定性,因此要求其能够承受±0.05MPa的压力作用;配套起吊构件应确保在运输阶段不出现永久变形现象。各附件均采用通用标准件,解决附件配套受型号限制的问题。正常运行工况下,电抗器的使用年限至少需达到20年。33kV电缆线路并联电抗器后的等效电路图如图1所示。
图133kV电缆线路等效电路图
当系统内发生单相接地故障时,接地电流故障相开关对应剩余电流和非故障相开关对应电流分别为:
(公式)
式中:j为数学复数;ω为电源角频率(rad/s);C1为单位长度对地电容(μF/km);L为补偿电抗器电感(kvar);为单相故障接地时线电压(kV);C2为单位长度相间电容(μF/km);l为电缆长度(km)。
当系统正常运行时,电容电流和电抗补偿电流分别为:
(公式)
式中:UA为线电压(kV);f为电源频率,取50Hz。
补偿系数为:
(公式)
根据以上公式,可得到如下结果:
(公式)
式中:Id为接地电流(A);IA、IB为相电流(A);IC1为电容补偿后电流(A)。
由上式可知,各区段间电抗器的补偿系数为0.9。
3.3导体
(1)电容器至母线选用的是软导线。出于对安全性和稳定性的考虑,其长期允许电流需达到电容器额定电流的1.5倍及以上,以免出现异常状况[1]。
(2)电容器套管间应具有良好的松弛度,同时电容器套管至母线间所设置的连接线也应满足此方面的要求。
(3)并联装置配套较丰富的连接导体,要求其具有足够的稳定性,需同时满足动稳定和热稳定的双重要求。
3.4整机
3.4.1耐受短路电流能力
对于主回路内配套的设备及连接线,必须具有足够的稳定性,即在电容器内部极间短路放电电流的作用下不出现损伤、变形现象,达到稳定运行的效果[2]。
3.4.2过负荷能力
(1)稳态过电流。在方均根值不大于1.10×1.30In的电流条件中能够维持稳定运行的状态。
(2)稳态过电压,具体要求如表1所示。
3.5箱式电抗器技术要求
3.5.1结构和材料
铁芯原材料选用的是优质硅钢片,根据铁芯的规格采取多点接地措施,以保证其在长途运输期间可抵御外部的冲击作用,同时在经过长期的运行后依然不出现任何形式的松散、变形现象。在绕组的设计和实际操作中,均要充分考虑电抗器的运行特点,即其绝缘强度和散热能力,以免出现异常运行的情况。
表1稳态过电压持续时间
电抗器的铁芯和金属件需要接地,以创造安全的运行环境。接地装置的使用环境较特殊,需设置防锈镀层,并于显眼的位置设置接地标志。设置在电抗器上的接线端子应满足相关规定,在绕组处配套“高压危险”的警示标志。此外,电抗器应具有足够的承载力。
3.5.2外壳
尺寸的设计应考虑到铁路运输装载界限的要求,外壳易受到雨水、日晒等自然环境的影响,因此需加强防护,宜采取双层、密封的结构,要求其具有保温隔热、防腐蚀、防尘、防水的特点,确保20年内不出现锈蚀现象。以钢板为材料,按设计尺寸制作双层外壳,在两层间设置防火隔温材料,且金属外壳需满足机械应力防护要求。应严格控制金属外壳板的厚度,确保其能够抵御尖锐物体对其的破坏性影响,规避异物侵入的问题,从源头上消除安全隐患。此外,为满足防护要求,外壳结构均要采用阻燃材料。
4、结语
在海外铁路电力供应系统的构建中,尤其是电网不完善的非洲国家,若能够合理应用无功补偿装置,便可有效过滤系统谐波,改善补偿效果,提高电流功率。作为工程人员,需要以需求为主合理选择材料,深度优化方法,加强防护,确保无功补偿装置稳定运行。
参考文献:
[1]王刚.蒙内铁路电力供电工程设计[J].工程建设与设计,2018(22):75-76.
[2]芮晨.铁路电力供电系统无功补偿研究[J].铁道标准设计,2014,58(7):149-152.
李旭.略论尼日利亚拉伊铁路供电系统的无功补偿[J].机电信息,2021(09):3-4.
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