苗 晨

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

鐵路電力供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償研究

苗 晨

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

對鐵路電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償進(jìn)行研究，以解決普速鐵路補(bǔ)償容量選擇不合理、高速鐵路補(bǔ)償設(shè)備選型不穩(wěn)定的問題，同時(shí)降低鐵路供電線路的損耗，保證鐵路供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過對電力系統(tǒng)中主流無功補(bǔ)償裝置和無功補(bǔ)償計(jì)算方法的研究，結(jié)合鐵路供電方案的實(shí)際情況，總結(jié)出鐵路電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償方案。

鐵路電力；供電系統(tǒng)；無功補(bǔ)償；動態(tài)無功補(bǔ)償；補(bǔ)償容量

1 概述

近年來,我國鐵路得到了快速發(fā)展,無論是普速鐵路、高速鐵路以及貨運(yùn)重載鐵路的里程都在迅速增加。目前國內(nèi)普速鐵路電力系統(tǒng)既有補(bǔ)償方案根據(jù)線路的架空和電纜敷設(shè)方式,采用傳統(tǒng)電容器和電抗器補(bǔ)償。如補(bǔ)償容量選擇不合理,經(jīng)常發(fā)生過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償?shù)那闆r,經(jīng)濟(jì)合理性下降,對電力系統(tǒng)的安全產(chǎn)生影響。高速鐵路補(bǔ)償方案經(jīng)歷區(qū)間并聯(lián)電抗器補(bǔ)償、靜止無功功率補(bǔ)償器(SVC)、靜止無功功率發(fā)生器(SVG)、磁控式電抗器(MCR)等多個(gè)階段,補(bǔ)償方案的設(shè)備選型不穩(wěn)定。通過對電力系統(tǒng)中主流無功補(bǔ)償裝置和無功補(bǔ)償計(jì)算方法的研究,結(jié)合鐵路供電方案的實(shí)際情況,總結(jié)出適用于普速鐵路和高速鐵路的電力系統(tǒng)補(bǔ)償方案,指導(dǎo)鐵路電力系統(tǒng)補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)和設(shè)備選型,減少補(bǔ)償裝置重復(fù)投資。

2 普速鐵路電力供電系統(tǒng)補(bǔ)償研究

2.1 補(bǔ)償方案

我國普速鐵路電力系統(tǒng)的特點(diǎn)是電力線路大部分是以架空線路為主,負(fù)荷種類比較固定,沖擊性負(fù)荷較少,負(fù)荷變化率較小。普速鐵路電力系統(tǒng)既有補(bǔ)償方案根據(jù)電力線路的架空和電纜敷設(shè)方式,采用傳統(tǒng)并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器補(bǔ)償。由于我國幅員遼闊,鐵路線路較長,其中普速鐵路占據(jù)較大的比例。本著合理經(jīng)濟(jì)的原則,根據(jù)各種補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償特點(diǎn),選擇用傳統(tǒng)式的并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器補(bǔ)償設(shè)備從經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性都是合理的。但目前補(bǔ)償容量的選擇缺乏理論計(jì)算,經(jīng)濟(jì)合理性下降。普速鐵路最需解決的問題是補(bǔ)償容量的計(jì)算。

2.2 并聯(lián)電容器補(bǔ)償方案

2.2.1 補(bǔ)償方式及補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)

并聯(lián)電容器可以安裝在全系統(tǒng)的各個(gè)點(diǎn)上,目前根據(jù)安裝位置的不同可以分為就地補(bǔ)償、集中補(bǔ)償、混合補(bǔ)償?shù)榷喾N方式［1]。

普速鐵路電力系統(tǒng)中車站負(fù)荷較為分散,負(fù)荷功率較小,沖擊性負(fù)荷較少,不適宜采用就地補(bǔ)償,應(yīng)根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)設(shè)置集中補(bǔ)償。有10 kV配電所的車站,在配電所的站饋母線段設(shè)置高壓并聯(lián)電容器,既能保證站饋供電線路的補(bǔ)償,又能滿足區(qū)間供電線路的補(bǔ)償要求。在車站變電所及箱式變電站低壓母線側(cè)設(shè)置低壓并聯(lián)電容器集中補(bǔ)償,滿足低壓負(fù)荷的補(bǔ)償要求。在車輛段等特殊工藝場合,由于沖擊性負(fù)荷較多,根據(jù)工藝設(shè)備功率因數(shù)要求,可采用混合補(bǔ)償方式。

2.2.2 連接方式

三相電容器的連接方式主要有星形接線和三角形接線2種。

鐵路電力系統(tǒng)低壓電容器宜選用三角形接線,能夠增大無功功率輸出,并能在斷線情況下滿足工作要求。高壓電容器宜選用星形接線,能夠減小短路電流,增強(qiáng)可靠性。

2.2.3 投切方式

并聯(lián)電容器的投切方式主要有2種:人工投切和自動投切。

鐵路電力系統(tǒng)高壓負(fù)荷的變化率不是很大,并且沖擊性負(fù)荷較少,高壓電容器集中補(bǔ)償宜采用分組人工投切的方式,便于維護(hù)并且經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢比較明顯。低壓負(fù)荷有一定的變化率,并且低壓無功功率因數(shù)補(bǔ)償裝置技術(shù)成熟,性價(jià)比較高,低壓電容器集中補(bǔ)償宜采用利用動態(tài)功率因數(shù)調(diào)整裝置自動投切的方式。

2.3 并聯(lián)電抗器補(bǔ)償方案

我國普速鐵路電力系統(tǒng)貫通線大部分為架空敷設(shè),但在架空敷設(shè)困難地段,比如林區(qū)、山區(qū)等地區(qū),需要采取電纜敷設(shè)方式。由于電纜對地電容電流較大,電力線路呈容性特點(diǎn),需要對容性無功功率進(jìn)行補(bǔ)償,常用并聯(lián)電抗器進(jìn)行補(bǔ)償。鑒于我國鐵路電力供電系統(tǒng)多為10 kV和35 kV中壓網(wǎng)絡(luò),并且貫通線由鐵路配電所直接饋出,大量電纜敷設(shè)均在貫通線段中,所以宜將并聯(lián)電抗器補(bǔ)償在電力貫通線側(cè),在區(qū)間分散補(bǔ)償。［2]主要形式為戶外桿架式和箱式變電站式,如選用戶外桿架式,運(yùn)行環(huán)境較為惡劣,宜選用油浸鐵心式并聯(lián)電抗器。如選用箱式變電站內(nèi),由于在箱變內(nèi)安裝,并且工廠預(yù)制安裝整體運(yùn)到現(xiàn)場,宜選用質(zhì)量小、不漏油的干式電抗器。

2.4 補(bǔ)償容量的計(jì)算

2.4.1 并聯(lián)電容器容量計(jì)算

并聯(lián)電容器對系統(tǒng)無功補(bǔ)償時(shí),電容器安裝容量的選擇,與補(bǔ)償方式、負(fù)載情況、電容器的接線方式等方面有關(guān)［3]。

(1)集中補(bǔ)償和分組補(bǔ)償電容器容量Qc(kvar)的確定。采用集中補(bǔ)償方式和分組補(bǔ)償方式時(shí),補(bǔ)償容量按照以下公式計(jì)算

式中 Pc―――由變電所供電的月最大有功功率計(jì)算負(fù)載,kW；

βav―――月平均負(fù)載率,一般可取0.7～0.8；

φ1―――補(bǔ)償前的功率因數(shù)角,可取最大負(fù)載時(shí)的值；

φ2―――補(bǔ)償后的功率因數(shù)角,參照電力部門的要求確定,一般可取0.9～0.95。

電容器接法不同時(shí),每相電容器所需容量也是不一樣的。電容器為星形聯(lián)結(jié)時(shí),每相電容器組的容量為

電容器為三角形聯(lián)結(jié)時(shí),每相電容器組的容量

式中 U―――裝設(shè)地點(diǎn)電網(wǎng)線電壓,V；

ω―――角速度,ω=2πf=314；

CY的單位是μF,CΔ的單位為μF。

(2)就地補(bǔ)償電容器容量Qc(kvar)的確定,即

式中 UN―――供電系統(tǒng)額定線電壓,kV；

I0―――電動機(jī)額定空載電流,A。

(3)按功率因數(shù)值確定新設(shè)計(jì)工程的無功功率補(bǔ)償容量Qc(kvar)

式中 Pjs―――計(jì)算有功功率,kW；

tanφ1、tanφ2―――補(bǔ)償前后的功率因數(shù)正切值。

(4)按配電變壓器容量確定無功功率補(bǔ)償容量Qc(kvar)。配電變壓器低電壓側(cè)安裝電容器時(shí),應(yīng)注意防止輕載時(shí)向10 kV配電網(wǎng)倒送無功功率,以取得最大的節(jié)能效果,根據(jù)配電變壓器容量,其補(bǔ)償容量Qc為

式中 I0%―――空載電流百分值；

SN―――變壓器的額定容量,kVA；

Uk%―――短路電壓百分值；

β―――負(fù)荷率(其中β=S/SN,S為負(fù)載平均功率,kVA)。

或按下式估算補(bǔ)償容量Qc

式中 SN―――變壓器的額定容量,kVA。

2.4.2 并聯(lián)電抗器容量計(jì)算

采用并聯(lián)電抗器補(bǔ)償電纜的電容電流時(shí),應(yīng)以電纜發(fā)生單相金屬接地故障時(shí)電弧能可靠自熄為根本目標(biāo),在滿足此條件下,可兼顧電力線路殘流小的目標(biāo)。對于交聯(lián)電纜,系統(tǒng)對地電容電流不大于20 A時(shí), 0.75是最佳補(bǔ)償度［4- 5]。

電纜電容電流為

Ico=ω(Cy+3Cx)l×Uφ

式中 Ico―――電纜電容電流,A；

Cy―――電纜芯對地電容,F/km；

Cx―――電纜芯對芯電容,F/km；

ω―――角速度,ω=2πf=314；

l―――線路長度,km；

Uφ―――相電壓,kV。

三相電抗器補(bǔ)償容量為

式中 α―――補(bǔ)償度,取0.75；

U―――線電壓,kV。

3 高速鐵路電力供電系統(tǒng)補(bǔ)償研究

3.1 補(bǔ)償方案

為了提高供電可靠性和安全性,減少維修工作量,節(jié)約土地,我國高速鐵路普遍采用沿鐵路敷設(shè)雙回10 kV全電纜貫通線為區(qū)間和車站的通信、信號等負(fù)荷供電。

目前,高速鐵路的補(bǔ)償方案大致有3種,具體分析如下。

(1)在10 kV配電所貫通饋出端設(shè)集中固定式電抗器補(bǔ)償,區(qū)間10 kV貫通線路上不設(shè)固定電抗器［6]。該方案的缺點(diǎn)是占用的空間較大,不能隨用電負(fù)荷的變化調(diào)整補(bǔ)償電流,難以達(dá)到規(guī)范要求的功率因數(shù), 10 kV貫通線上流過的電容電流較大,損耗較大。優(yōu)點(diǎn)是投資較少,控制比較簡單。

(2)在10 kV配電所貫通母線段設(shè)集中無功動態(tài)補(bǔ)償裝置,集中補(bǔ)償裝置分為靜止無功功率補(bǔ)償器、靜止無功功率發(fā)生器和磁控式電抗器3種。區(qū)間10 kV貫通線路上不設(shè)固定電抗器。該方案又分2種方式,一是將補(bǔ)償裝置安裝在10 kV貫通母段上,另一種是將補(bǔ)償裝置安裝在10 kV電源母段上。該方案的缺點(diǎn)是占用的空間較大。方式一能夠很好地補(bǔ)償10 kV貫通線路上的電容電流,使得電容電源不穿越貫通調(diào)壓器,但不能保證電源側(cè)的功率因數(shù)達(dá)到要求。方式二能夠補(bǔ)償10 kV貫通線路上的電容電流,也能兼顧電源側(cè)的功率因數(shù),但是電容電流穿越貫通調(diào)壓器,使得調(diào)壓器容量必須加大,否則易于造成調(diào)壓器過載。優(yōu)點(diǎn)是控制比較簡單,能隨用電負(fù)荷的變化調(diào)整補(bǔ)償電流。

(3)在10 kV配電所母線段集中設(shè)置小容量的無功動態(tài)補(bǔ)償裝置,區(qū)間10 kV貫通線路上分散設(shè)置小容量的固定電抗器。該方案的缺點(diǎn)是投資較大,控制較為復(fù)雜；優(yōu)點(diǎn)是充分利用電力遠(yuǎn)動控制系統(tǒng),既能較好地補(bǔ)償線路側(cè)的電容電流,而且也能夠兼顧電源側(cè)的功率因數(shù),新實(shí)施的《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》也推薦此方案。

本文推薦方案(3),鐵路使用的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置主要有2種類型:靜止無功功率補(bǔ)償器和靜止無功功率發(fā)生器,［7]本文主要對以下2種裝置進(jìn)行研究分析,選擇出適用于高速鐵路的動態(tài)補(bǔ)償裝置。

3.2 動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的選擇

3.2.1 靜止無功功率補(bǔ)償器（SVC)

靜止無功功率補(bǔ)償器主要有晶閘管控制電抗器(TCR)、晶閘管投切電容器(TSC)、晶閘管投切電抗器(TSR)和飽和電抗器(MCR、SR)等［8]。

(1)晶閘管控制電抗器(TCR)［9]

SVC連續(xù)調(diào)節(jié)無功輸出是依靠調(diào)節(jié)TCR中晶閘管的觸發(fā)延遲角α得以實(shí)現(xiàn)的,通過晶閘管控制角α的改變,電抗器中流經(jīng)的電流波形產(chǎn)生變化造成基波分量產(chǎn)生變化,電抗器的感抗發(fā)生了改變,TCR變成連續(xù)可調(diào)節(jié)的電感器。TCR并聯(lián)上電容器后,使得總的無功功率為TCR與并聯(lián)電容器無功功率抵消后的凈無功功率,因而可以將固定電容器的TCR+FC型靜止無功功率補(bǔ)償系統(tǒng)的總體無功電流偏置的補(bǔ)償范圍從感性范圍延伸到容性范圍內(nèi),它既可以吸收感性,也可以吸收容性無功功率。

(2)晶閘管投切電容器(TSC)

TSC利用單向晶閘管反并聯(lián)或雙向晶閘管構(gòu)成的交流無觸點(diǎn)開關(guān)將單組或多組電容器投入到電網(wǎng)上或從電網(wǎng)切除。晶閘管投切電容器可以精確控制,實(shí)時(shí)根據(jù)用戶負(fù)荷的變化,將所需的電容器容量投切至電網(wǎng)中,保證系統(tǒng)中的功率因數(shù)要求,真正實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償。若輸出無功功率需要連續(xù)調(diào)節(jié),或者要求能提供感性無功功率的情況下,可采用晶閘管投切電容器與晶閘管控制電抗器配合使用的方法。

(3)飽和電抗器［10]

飽和電抗器主要有可控飽和電抗器(MCR)與自飽和電抗器(SR)。MCR的飽和程度通過改變裝置繞組工作電流加以控制鐵心,繞組的感抗得到改變,無功電流大小進(jìn)行控制。自飽和電抗器穩(wěn)定電壓是通過電抗器自身的能力,發(fā)出和吸收無功是通過鐵心的飽和特性來控制。磁飽和電抗器組成的靜止無功功率補(bǔ)償裝置屬于第一代SVC。以快速響應(yīng)的磁飽和式可控電抗器和并聯(lián)電容器組成的補(bǔ)償元件,配以相應(yīng)的快速無功功率檢測環(huán)節(jié)組成的無功功率補(bǔ)償系統(tǒng),可以保證補(bǔ)償?shù)目焖傩?、?zhǔn)確性和合理性,能夠快速補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率,使功率因數(shù)保持較高水平。

3.2.2 靜止無功功率發(fā)生器（SVG)

SVG的電氣系統(tǒng)比較復(fù)雜,主系統(tǒng)的構(gòu)成包括變流器、曲折變壓器、斷路器、高壓變壓器,二次系統(tǒng)的構(gòu)成包括PT、CT、檢測電路、控制器、保護(hù)電路、驅(qū)動電路、監(jiān)測器等［11]。SVG系統(tǒng)中的最核心器件是變流器。如果變流器的脈寬是恒定的,通過改變系統(tǒng)電壓與變流器輸出電壓間的夾角,無功功率與變流器DC側(cè)的電容電壓可以得到調(diào)節(jié),并且調(diào)節(jié)了變流器的輸出電壓與電力系統(tǒng)的電壓間的夾角,在保證變流器DC側(cè)電容電壓恒定下,系統(tǒng)需要的無功功率被發(fā)出或吸收。

靜止無功功率發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間更快,運(yùn)行范圍更寬,補(bǔ)償功能多樣化,諧波含量極低,占地面積較小。

3.2.3 動態(tài)無功功率補(bǔ)償方式對比

本著合理、成熟、經(jīng)濟(jì)的原則,選擇MCR型SVC、TCR+FC型SVC和SVG型補(bǔ)償裝置進(jìn)行對比分析。綜合以上研究,各種補(bǔ)償方式的特點(diǎn)如表1所示。

表1 動態(tài)無功補(bǔ)償裝置比較

4 結(jié)論

本文主要從合理、可靠、節(jié)約投資的角度出發(fā),對鐵路電力供電系統(tǒng)的補(bǔ)償方案進(jìn)行了研究,形成了初步的研究成果。

(1)通過對普速鐵路電力供電系統(tǒng)方案的研究,根據(jù)系統(tǒng)方案特點(diǎn),既有補(bǔ)償方案選擇使用并聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器是合理的。區(qū)間貫通線路以架空敷設(shè)方式為主的線路,配電所站饋母線段安裝高壓并聯(lián)電容器集中補(bǔ)償。區(qū)間貫通線路以電纜敷設(shè)方式為主的線路,配電所站饋母線段安裝高壓并聯(lián)電容器集中補(bǔ)償,區(qū)間采用高壓并聯(lián)電抗器分散補(bǔ)償方式。車站變電所和箱式變電站安裝低壓電容器集中補(bǔ)償。低壓負(fù)荷若為沖擊性大負(fù)荷,應(yīng)采取混合補(bǔ)償,減少電力線路無功傳輸損失。確定了適用于鐵路系統(tǒng)的補(bǔ)償容量計(jì)算公式,加強(qiáng)了鐵路供電可靠性,減少了運(yùn)營單位后期維護(hù)成本。

(2)通過對高速鐵路電力供電系統(tǒng)方案的研究,在10 kV配電所母線段集中設(shè)置小容量的無功動態(tài)補(bǔ)償裝置,區(qū)間10 kV貫通線路上分散設(shè)置小容量的固定電抗器,本補(bǔ)償方案適應(yīng)目前高速鐵路電力系統(tǒng)的要求。通過對動態(tài)補(bǔ)償裝置的研究,結(jié)合其優(yōu)缺點(diǎn),建議選用TCR+FC的SVC補(bǔ)償模式和SVG補(bǔ)償模式,兩種模式均較為可靠。隨著設(shè)備技術(shù)的不斷進(jìn)步,近期部分高鐵開始選擇性的試驗(yàn)新的動態(tài)補(bǔ)償方式,如 TSC(低壓補(bǔ)償)+電抗器［12],應(yīng)密切關(guān)注使用效果,不斷提高高速鐵路電力供電系統(tǒng)的補(bǔ)償合理性。

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Research on Reactive Power ComPensation of Railway Electricity SuPPly System

RUI Chen
(China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)

U223.6

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.035

1004-2954(2014)07-0149-04

2014-01-20；

2014-03-02

芮 晨(1981―),男,工程師,2004年畢業(yè)于北京交通大學(xué),工學(xué)學(xué)士,E-mail:ruichendhm@126.com。