曹黔平，劉冰瑞，李　欣（.貴廣鐵路有限責(zé)任公司，工程師，貴州　貴陽(yáng)　550000；.中鐵電氣化局集團(tuán)第三工程有限公司，工程師，河南　鄭州　450000；.西南交通大學(xué)　電氣工程學(xué)院，碩士研究生，四川　成都　600）

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高鐵10 kV貫通線無(wú)功補(bǔ)償及諧振可能性研究

曹黔平1，劉冰瑞2，李欣3
（1.貴廣鐵路有限責(zé)任公司，工程師，貴州貴陽(yáng)550000；2.中鐵電氣化局集團(tuán)第三工程有限公司，工程師，河南鄭州450000；3.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生，四川成都610031）

摘要：高速鐵路線路采用電纜長(zhǎng)距離供電，由于電纜本身的電容特性，使其末端電壓被抬升，可能影響到電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，通過(guò)對(duì)線路進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償可降低線路電壓至規(guī)程允許范圍。隨著負(fù)荷的增加，感性負(fù)荷電流疊加補(bǔ)償?shù)母行詿o(wú)功有可能使功率因數(shù)降低，以致無(wú)法保證地方電力部門(mén)對(duì)配電所功率因數(shù)的要求。無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)剛好到1的情況，如果發(fā)生，感性功率大小等于容性功率，整體電路呈阻性，極有可能觸發(fā)諧振，在實(shí)際無(wú)功補(bǔ)償中應(yīng)該避免這種情況。

關(guān)鍵詞：10 kV貫通線；無(wú)功補(bǔ)償；諧振；功率因數(shù)

10.13572/j.cnki.tdyy.2016.01.004

我國(guó)電氣化鐵道對(duì)電力系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在功率因數(shù)、諧波及負(fù)序上。鐵路牽引變電所為電力機(jī)車供電，而電力機(jī)車多采用的傳動(dòng)系統(tǒng)，具有隨機(jī)波動(dòng)大、非線性等特征，易導(dǎo)致電力系統(tǒng)功率因數(shù)低、諧波畸變大等缺點(diǎn)。提高功率因數(shù)和抑制諧波是改善電氣化鐵路電能質(zhì)量主要措施。無(wú)功補(bǔ)償是利用無(wú)功補(bǔ)償裝置向系統(tǒng)注入一定的無(wú)功功率，以達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。鐵路線路無(wú)負(fù)荷和輕負(fù)荷情況下，過(guò)補(bǔ)償問(wèn)題十分明顯。選擇適合的補(bǔ)償方式，提高線路的功率因數(shù)，具有十分重要的作用。

安裝在10 kV貫通線的無(wú)功補(bǔ)償裝置容量多可調(diào)節(jié)，在不同情況下可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不同容量大小的無(wú)功補(bǔ)償。無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程中有可能出現(xiàn)功率因數(shù)剛好到達(dá)1或者功率因數(shù)非常接近1的情況。此時(shí)，線路上的容性無(wú)功在數(shù)值上大致等于感性無(wú)功，整體呈現(xiàn)阻性，有可能發(fā)生諧振〔1〕。牽引系統(tǒng)中諧振事故已有許多文獻(xiàn)報(bào)道，這些諧振事故可能造成斷路器跳閘，過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，配電設(shè)備、避雷針、電抗器、電容器等設(shè)備無(wú)法工作甚至燒毀爆炸，無(wú)功補(bǔ)償裝置無(wú)法正常運(yùn)行，為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一定影響〔2〕。此類諧振與機(jī)車作為諧波源注入牽引網(wǎng)的電流與系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生匹配而產(chǎn)生的諧波諧振〔3〕有所區(qū)別。研究由無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程中功率因數(shù)達(dá)到1時(shí)可能引起的諧振現(xiàn)象及其保護(hù)措施對(duì)電氣化鐵路安全運(yùn)行及設(shè)備安全具有重要的意義。

常用的無(wú)功補(bǔ)償裝置有同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器和靜止補(bǔ)償設(shè)備等。傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償方法是將固定電容器與網(wǎng)絡(luò)感性負(fù)荷并聯(lián)，通過(guò)吸收系統(tǒng)的容性無(wú)功來(lái)補(bǔ)償感性無(wú)功，從而提升局部電壓。固定電容器的缺點(diǎn)是電容容量固定，無(wú)法跟蹤負(fù)荷無(wú)功的變化，無(wú)法實(shí)時(shí)補(bǔ)償無(wú)功功率。即使利用機(jī)械開(kāi)關(guān)控制并聯(lián)電容的容量，響應(yīng)速度也無(wú)法達(dá)到要求，嚴(yán)重地制約了它的發(fā)展。靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）的補(bǔ)償是動(dòng)態(tài)過(guò)程，響應(yīng)速度比機(jī)械設(shè)備快很多〔4〕。而隨著半導(dǎo)體器件、晶閘管的發(fā)展，出現(xiàn)了靜止同步補(bǔ)償器，它響應(yīng)速度快、體積小，能夠快速實(shí)現(xiàn)從感性到容性的連續(xù)調(diào)節(jié)，即使電壓跌落，還能有效發(fā)出無(wú)功功率。

目前無(wú)功功率綜合補(bǔ)償方案主要有〔5〕：1）單調(diào)諧濾波器〔6〕；2）固定濾波器與晶閘管調(diào)節(jié)電抗器結(jié)合〔7〕；3）晶閘管投切電容器〔8〕；固定濾波器與電容器、電抗器配合調(diào)壓〔9〕；靜止同步補(bǔ)償器〔10〕等。

本文基于實(shí)際線路對(duì)高速鐵路10 kV貫通線建立模型，模擬仿真，分析不同負(fù)載在不同無(wú)功補(bǔ)償條件下功率因數(shù)變化情況，找到功率因數(shù)到1的情況，研究無(wú)功補(bǔ)償策略，讓功率因數(shù)既保持在數(shù)值較高的一定區(qū)域，同時(shí)避免功率因數(shù)到1，避免了諧振現(xiàn)象發(fā)生的可能性。

1　貫通線仿真模型

本文以新建鐵路貴陽(yáng)至廣州線DK 42區(qū)間站-陽(yáng)朔中間站-恭城中間站恭城供電區(qū)間10 kV電力貫通線為依據(jù)。在MATLAB中搭建陽(yáng)朔中間站配電所饋出的4條供電貫通線仿真模型，線路結(jié)構(gòu)如圖1所示。陽(yáng)朔中間站配電所饋出的4路供電貫通線，分別連通DK 428區(qū)間站、恭城中間站兩配電所，其中，DK 428區(qū)間站到陽(yáng)朔中間站供電臂貫通線電纜長(zhǎng)達(dá)41.952 km，陽(yáng)朔中間站到恭城中間站供電臂貫通線電纜長(zhǎng)達(dá)34.765 km。

圖1恭城-鐘山西-賀州中間站區(qū)間電力貫通線

貴廣線10 kV電力貫通線全線采用電纜長(zhǎng)距離送電，由于電纜本身的特性，導(dǎo)致其末端電壓可能升高，影響電力設(shè)備的正常運(yùn)行，需要對(duì)線路進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償讓電壓降到規(guī)程允許的范圍。在線路箱變附近安裝補(bǔ)償電抗器對(duì)無(wú)功進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在模型建立中電纜模型可分為集中參數(shù)型和分布參數(shù)型，這2種模型對(duì)于仿真結(jié)果有一定的影響。本模型中每一個(gè)供電間隔內(nèi)設(shè)置有箱式變壓器，每個(gè)箱變之間的距離不超過(guò)3 km，線路長(zhǎng)度較短，可以不考慮線路的分布參數(shù)長(zhǎng)線效應(yīng)，仿真中利用集中參數(shù)元件處理。

分別對(duì)空載及不同負(fù)荷工況、不同運(yùn)行方式（正常運(yùn)行方式，即該配電所供1條綜合負(fù)荷貫通線和1條一級(jí)負(fù)荷貫通線；最惡劣運(yùn)行方式下，即配電所同時(shí)供2條綜合負(fù)荷貫通線和2條一級(jí)負(fù)荷貫通線）補(bǔ)償前后的電容電流、補(bǔ)償度、線路末端電壓、配電所進(jìn)線側(cè)功率因數(shù)等進(jìn)行了分析研究。

2　仿真分析

首先分析在空載條件不加任何補(bǔ)償情況下的功率因數(shù)和線路末端電壓情況。仿真結(jié)果顯示無(wú)論是哪種接線方式（左一級(jí)右綜合、左綜合右一級(jí)，極端情況下4線運(yùn)行供電），電力貫通線空載運(yùn)行時(shí)，如果不采取任何的補(bǔ)償方案，則線路末端的電壓抬升十分明顯，同時(shí)電源側(cè)和線路側(cè)的功率因數(shù)也十分低，這會(huì)對(duì)線路運(yùn)行造成較大影響。

同時(shí)如果系統(tǒng)不加入任何的固定補(bǔ)償或者動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，針對(duì)3種供電方式進(jìn)行各種典型負(fù)荷條件下的調(diào)壓器兩側(cè)功率因數(shù)以及線路末端電壓仿真分析。仿真結(jié)果顯示，在不投入任何補(bǔ)償?shù)那闆r下，隨著負(fù)荷的增加，調(diào)壓器兩邊的功率因數(shù)逐漸增大，并且有容性向感性轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，也就是說(shuō)其功率因數(shù)在某些負(fù)荷條件下有可能達(dá)到1，此時(shí)電路呈阻性，有可能發(fā)生工頻諧振的問(wèn)題，有可能會(huì)引起設(shè)備發(fā)熱、無(wú)法工作等問(wèn)題，需要避免這些情況。

無(wú)功補(bǔ)償可以分為固定補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償2個(gè)部分，固定補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償容量確定，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償容量可以實(shí)時(shí)調(diào)整。為分析固定補(bǔ)償對(duì)線路的影響，分別在關(guān)鍵位置投入114 kvar及76 kvar的固定感性無(wú)功補(bǔ)償，投入后分別分析不同供電方式下的功率因數(shù)變化和線路末端電壓抬升情況。仿真結(jié)果顯示，在正常運(yùn)行方式下，采用114 kvar的固定補(bǔ)償投入方案比采用76 kvar的固定補(bǔ)償投入方案更好，大補(bǔ)償方案對(duì)線路末端電壓抬升起到了更好的抑制作用，對(duì)功率因數(shù)的提升也更大，但是電源側(cè)的功率因數(shù)仍然較低。

為了解決這一情況，還需要為系統(tǒng)增加動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。在已經(jīng)投入114 kvar的情況下，投入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，分別對(duì)多種供電方式進(jìn)行仿真，在負(fù)荷改變時(shí)，對(duì)需要的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償容量進(jìn)行分析。這里僅以10 kV貫通線最為常見(jiàn)的左一級(jí)右綜合供電方式為例。

在左邊供給一級(jí)貫通負(fù)荷，右邊供給綜合貫通負(fù)荷的運(yùn)行方式下，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置接在調(diào)壓器前。帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，車站站房負(fù)荷低壓側(cè)的功率因數(shù)已被補(bǔ)償為0.95。線路上各箱變負(fù)荷低壓側(cè)功率因數(shù)考慮為0.8。

考慮空載和不同負(fù)載運(yùn)行情況，以確定固定補(bǔ)償容量和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償容量，固定補(bǔ)償容量設(shè)置為114 kvar。其中，固定補(bǔ)償?shù)淖饔弥饕且种齐妷禾^(guò)高，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)淖饔弥饕歉鶕?jù)負(fù)荷的變化，改善電源/貫通線路側(cè)功率因數(shù)，使其滿足要求。仿真結(jié)果如表1所示。

表1陽(yáng)朔中間站動(dòng)態(tài)補(bǔ)償在調(diào)壓器前固定補(bǔ)償114 kvar左綜合右一級(jí)運(yùn)行結(jié)果

由表1可以看出，在此種情況下，只需要在空載及較小負(fù)荷時(shí)投入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償就能夠使電源側(cè)的功率因數(shù)滿足大于0.93的要求，而隨著負(fù)荷的不斷增加，無(wú)需投入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，電源側(cè)和線路側(cè)的功率因數(shù)都逐漸增大，直到線路變成感性后，功率因數(shù)逐漸減小。在表格中，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到15%、20%、25%、30%情況下，電源側(cè)和線路側(cè)的功率因數(shù)都有可能會(huì)達(dá)到1，整個(gè)過(guò)程線路從容性變?yōu)楦行?，系統(tǒng)中的感性無(wú)功在數(shù)值上等于容性無(wú)功。同時(shí)，整體電路呈阻性，有可能發(fā)生諧振現(xiàn)象，造成設(shè)備發(fā)熱、無(wú)法工作，甚至是燒毀設(shè)備的危險(xiǎn)。

隨負(fù)荷的增長(zhǎng)，一級(jí)貫通線和綜合貫通線電源側(cè)的功率因數(shù)如圖2所示。

圖2電源側(cè)功率因數(shù)變化情況

線路要求功率因數(shù)超過(guò)0.93，可以看出來(lái)投入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償可以提高功率因數(shù)，但是隨著負(fù)載的不斷增加，沒(méi)有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)耐度牍β室驍?shù)也能達(dá)到0.93以上，但是在很大負(fù)載情況下，線路可能會(huì)從容性變?yōu)楦行?，從而功率因?shù)隨著負(fù)荷增加而降低。貫通線無(wú)功補(bǔ)償需要避免功率因數(shù)到達(dá)1這一情況，在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償時(shí)需要一定的控制策略。

根據(jù)實(shí)際情況大致畫(huà)出功率因數(shù)曲線（見(jiàn)圖3所示）。

圖3典型功率因數(shù)曲線

A、D兩點(diǎn)的縱坐標(biāo)為0.93，表示要求的功率因數(shù)的最小值，而B(niǎo)、C兩點(diǎn)的縱坐標(biāo)為0.98，設(shè)置為功率因數(shù)調(diào)整的上限。A、B邊表示功率因數(shù)為負(fù)數(shù)，此時(shí)線路為容性，隨著負(fù)荷增大或是動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)脑黾?，?huì)使得其往AB方向移動(dòng)，逐漸到達(dá)1，然后線路變成感性，再到C、D。

具體的無(wú)功補(bǔ)償策略是：首先，試試檢測(cè)線路的功率因數(shù)，當(dāng)線路功率因素沒(méi)有達(dá)到-0.93，則需要增加無(wú)功補(bǔ)償，讓其滿足要求。若是線路無(wú)功在-0.93到-0.98范圍內(nèi)，及曲線段AB的范圍內(nèi)，則說(shuō)明功率因數(shù)滿足要求，無(wú)需做過(guò)多的調(diào)整，功率因數(shù)不會(huì)引起系統(tǒng)發(fā)生諧振。當(dāng)功率因數(shù)處于BC階段，說(shuō)明線路功率因數(shù)非常高，其絕對(duì)值已經(jīng)大于0.98，離功率因數(shù)1已經(jīng)非常接近，此時(shí)如果不做處理，線路功率因數(shù)很可能進(jìn)過(guò)1，不管是從容性到感性還是從感性到容性，系統(tǒng)都有發(fā)生諧振的可能，有危及設(shè)備運(yùn)行安全的可能。在這一區(qū)間內(nèi)，需要及時(shí)添加動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，讓功率因數(shù)到達(dá)CD段，功率因數(shù)數(shù)值既能滿足要求大于0.93，同時(shí)也離功率因數(shù)為1的情況更遠(yuǎn)，避免了發(fā)生諧振可能性。若是功率因數(shù)直接在CD段上，則滿足要求，也不會(huì)發(fā)生諧振，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償不同容量。若線路的功率因數(shù)在D點(diǎn)意外的情況，則說(shuō)明系統(tǒng)感性無(wú)功過(guò)多，需要減少動(dòng)態(tài)補(bǔ)償或者是減小固定補(bǔ)償，使功率因數(shù)從新回到CD段上去。

根據(jù)上面的無(wú)功補(bǔ)償控制策略，重新對(duì)線路動(dòng)態(tài)補(bǔ)償進(jìn)行研究，分析各種負(fù)荷下投入多少動(dòng)態(tài)補(bǔ)償容量，得到陽(yáng)朔中間站動(dòng)態(tài)補(bǔ)償調(diào)整控制策略后運(yùn)行結(jié)果（見(jiàn)表2）。

表2陽(yáng)朔中間站動(dòng)態(tài)補(bǔ)償調(diào)整控制策略后運(yùn)行結(jié)果

由仿真可以看出，當(dāng)負(fù)荷投入15%、20%、25%時(shí)，電源側(cè)功率因數(shù)非常接近1，處于可能發(fā)生諧振的危險(xiǎn)階段，此時(shí)需要及時(shí)投入無(wú)功補(bǔ)償，調(diào)節(jié)電源側(cè)功率因數(shù)。這3種負(fù)荷情況下的無(wú)功補(bǔ)償方案如表2所示，在系統(tǒng)容量分別在15%到25%的范圍內(nèi)，投入不同容量的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，改變功率因數(shù)所在區(qū)域，繞過(guò)可能發(fā)生諧振的危險(xiǎn)區(qū)。改變控制方案后的功率因數(shù)都在感性0.97左右，電源側(cè)的功率因數(shù)避開(kāi)了1這一區(qū)域，同時(shí)處于0.98到0.93這一區(qū)域內(nèi)，滿足線路功率因數(shù)要求，同時(shí)也能達(dá)到一個(gè)較高的值。

3　結(jié)論

線路無(wú)功補(bǔ)償可能會(huì)有功率因數(shù)過(guò)1的情況，此時(shí)系統(tǒng)有發(fā)生諧振的可能性，嚴(yán)重甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備無(wú)法工作、燒毀等情況。在無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)目刂撇呗陨线M(jìn)行研究，當(dāng)功率因數(shù)在-0.98到0.98范圍內(nèi)時(shí)，線路有發(fā)生諧振的風(fēng)險(xiǎn)，需要及時(shí)投入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，將功率因數(shù)轉(zhuǎn)到0.93到0.98范圍內(nèi)，這樣才能避免諧振發(fā)生的可能性。仿真結(jié)果驗(yàn)證了這一動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制策略的正確性。

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中圖分類號(hào)：U223.5+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-8686（2016）01-0012-04