王向東，魏宏偉

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

節(jié)能型鐵路自閉貫通線路動態(tài)無功補償系統(tǒng)

王向東，魏宏偉

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

闡述了鐵路電力系統(tǒng)的自閉和貫通電力線路為鐵路沿線自動閉塞信號及車站負荷等提供電源。介紹了一種節(jié)能型動態(tài)無功補償系統(tǒng)，根據(jù)用電負荷需要補償?shù)娜萘浚淖冇休d分接開關的接頭，從而改變并聯(lián)電抗器電壓，進而實現(xiàn)自閉貫通線電壓、無功的綜合自動調整，從而實現(xiàn)提高供電電能質量、線路無功平衡的目標。

動態(tài)無功補償；鐵路電力系統(tǒng)；有載分接開關

1 鐵路自閉貫通配電網(wǎng)

鐵道配電網(wǎng)使用自動閉塞和電力貫通線路（簡稱自閉貫通線）為鐵路系統(tǒng)調度集中、車站電氣集中聯(lián)鎖、自動閉塞、駝峰信號等一級負荷提供電源。自閉電力線路是指對自動閉塞區(qū)段信號設備供電的10 kV專用電力線路。貫通線是指連通鐵路沿線兩個相鄰變電所、配電所間的10 kV 或35 kV電力線路，它主要對沿線的車站和區(qū)間負荷供電，兼做信號設備的備用電源。鐵路自閉貫通配電網(wǎng)在系統(tǒng)構成和功能上與常規(guī)電力系統(tǒng)配電網(wǎng)有所區(qū)別，它主要的特點有：供電線路長；供電點多，供電負荷小；電壓等級低，變（配）電所結構單一，但供電可靠性要求高。

隨著電氣化鐵路線，尤其是高速動車線路的發(fā)展，對于鐵路電力的供電穩(wěn)定性需求越來越高，因此，自閉貫通線往往都采用電纜線路來為鐵路信號系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等用戶供電。由于這些電纜線路較長，相間和對地電容較大，尤其是線路負載較少時，線路末端電壓很高而且狀態(tài)不穩(wěn)定，從而造成線路及其設備不能正常工作。

采用并聯(lián)電抗器可以吸收電纜線路的容性無功，改善線路上的電壓分布，使輕負荷時線路中的無功功率盡可能就地平衡，防止無功功率不合理流動，同時也減輕了線路上的功率損失。還可以防止發(fā)電機帶長線路可能出現(xiàn)的自勵磁諧振現(xiàn)象。本文將介紹一種實用新型的動態(tài)無功補償系統(tǒng)，全文的結構如下：第二節(jié)提出一種新的實用新型動態(tài)無功補償方案，第三節(jié)給出了該補償系統(tǒng)的實際應用案例，第四節(jié)就該系統(tǒng)的優(yōu)點和效益進行分析，最后一節(jié)是總結。

2 方案研討

按照電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)的需求，系統(tǒng)總體架構分為跨專業(yè)自動采集、集成大數(shù)據(jù)管理、指標計算和挖掘分析3個層次，見圖1。通過制定停電事件自動生成規(guī)約，建立數(shù)據(jù)集成規(guī)范，實現(xiàn)跨專業(yè)的數(shù)據(jù)自動采集。通過研究電力各業(yè)務數(shù)據(jù)特征，充分整合數(shù)據(jù)集成結構，實現(xiàn)跨專業(yè)、跨層級的大數(shù)據(jù)融合和應用。采用業(yè)務數(shù)據(jù)對象化、業(yè)務對象內(nèi)存化、內(nèi)存對象分布化、分析計算并行化的方法，實現(xiàn)了對象化并行計算框架，促進大數(shù)據(jù)挖掘和分析應用。由于自閉貫通線越來越多使用電纜，且負載較小的原因，無功補償?shù)谋匾燥@著。無功功率也會影響供電電壓的穩(wěn)定。這種關系可以通過圖1的基本線路來說明。

圖1 電壓與無功功功率的關系

其中，U1(U2)為線路電壓相量，I為電流相量，P為有功功率，Q為無功功率，R和X為線路的阻性和感性阻抗。在實際的電力線路系統(tǒng)中，因為線路兩端的電壓差的相角差異很小，所以在公式 (1)中的虛部可以忽略。由該公式可以看出，當鐵路系統(tǒng)電力自閉貫通線的有功負載較小的時候，電壓將主要取決于無功功率，對于電纜線路，主要是容性無功。

容性無功功率的補償方案通常分為以下幾種。

2.1 固定容量電抗器直接投入

固定容量方式結構簡單，操作維護維修容易，但不能及時響應電網(wǎng)無功電流及電壓的變化，不可避免出現(xiàn)過補償和欠補償狀態(tài)。

2.2 磁閥式并聯(lián)電抗器

通過晶閘管控制磁通量大小調整輸出容量的方式。磁閥式并聯(lián)電抗器調整幅度較大，調節(jié)速度很快，分級較細。

2.3 靜止補償器（STATCOM）

采用可關斷器件串聯(lián)技術，速度快，控制靈活，如果靜止補償器使用門控晶閘（GTO），則該器件最優(yōu)的故障率表現(xiàn)約為每個/每年100 Mvar。

2.4 分接開關調整變壓器線圈匝數(shù)改變電抗器無功

通過開關動作，改變變壓器分接接頭的連接，調整變壓器線圈匝數(shù)，通過改變電壓的方式改變電抗器的無功功率。此方式穩(wěn)定性高，維護量小，但調節(jié)速度比磁閥式并聯(lián)電抗器稍慢。

綜上，每種投入方式各有優(yōu)缺點，針對鐵路自閉貫通線負載低，無功調節(jié)穩(wěn)定性要求高，調節(jié)速度要求相對較低的特點，本文提出的節(jié)能實用新型動態(tài)無功補償系統(tǒng)是基于最后一種：通過有載分接開關調整自耦變壓器的方式進行電抗器無功功率的調節(jié)。并聯(lián)電抗補償容性無功是非常普遍的做法，該原理如圖2所示。通過并聯(lián)電抗器，把電纜的容性無功補償?shù)?，從而達到提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電壓的目的。

圖2 并聯(lián)電抗無功補償原理

本文提出的節(jié)能型無功補償裝置是調壓式并聯(lián)電抗器動態(tài)無功補償裝置，該系統(tǒng)的示意圖如圖3所示，系統(tǒng)的主要硬件構成為自耦變壓器，電抗器，有載分接開關，無勵磁開關以及檢測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用先進的DSP數(shù)字控制技術，實時采集系統(tǒng)電網(wǎng)電壓、無功等狀態(tài)參數(shù)，在綜合分析記錄基礎上，通過優(yōu)化算法決定有載分接開關的動作，通過調節(jié)電抗器電壓來調節(jié)無功量，實時控制電網(wǎng)的容性無功電流，將系統(tǒng)容性無功電流控制在最低程度且保持線路電壓平衡。系統(tǒng)中的無勵磁開關是為了進一步細化無功功率的調節(jié)范圍，使得補償量更加貼近系統(tǒng)真實需求。

圖3 節(jié)能實用新型并聯(lián)電抗無功補償原理

有載分接開關是圖3系統(tǒng)中的關鍵組件，以滅弧方式來分，有載分接開關分為油滅弧方式和真空滅弧方式，對于鐵路自閉貫通線，由于開關級電壓和額定電流小，油滅弧開關可以滿足技術要求。油滅弧有載分接開關具體的動作過程如圖4所示，圖4中展示了分解開關從1擋變換到2擋的動作程序。過渡電阻的存在保證了整個變換過程的順滑流暢。值得說明的是由于系統(tǒng)的無功調節(jié)是通過機械開關動作改變自耦變壓器接頭的方式來調節(jié)電抗電壓，進而調節(jié)無功量，這種動作模式保證了對電網(wǎng)系統(tǒng)最低的諧波污染。

圖4 有載分接開關動作過程

3 補償案例

無功補償分為變電站集中補償，線路分散補償和用戶端的當?shù)匮a償。集中補償和分散補償是針對10 kV及以上的高壓網(wǎng)絡，當?shù)匮a償主要針對380 V的低壓網(wǎng)絡。鐵路自閉貫通線主要是10 kV電壓級別，所以采用變電站集中補償或者分散補償?shù)姆桨浮?/p>

以一條鐵路10 kV的貫通線為例，該線路有350 mm2的三芯鋁線電纜約6.3 km。以三芯鋁纜的典型分布電容值0.33μF/km估算，該段電纜的無功約為

式中，Uu為線電壓，C為分布電容，L為電纜長度。

實際測量值顯示該段線路的無功在38～76 kvar之間。由于無功功率的變化，動態(tài)補償?shù)囊饬x更加明顯。

針對該線路，一套上文中介紹的無功補償系統(tǒng)被設計出來：補償容量36～180 kvar。有載分接開關分為9擋，每擋補償容量16 kvar；分接開關完全完成每檔的轉換速度大約為3 s每擋。安裝本文介紹的無功補償系統(tǒng)之前，該貫通線的功率因數(shù)約為0.6，安裝本系統(tǒng)后，功率因數(shù)提高到0.95。運行監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示，有載分接開關每天平均動作10次以下，完全可以實現(xiàn)動態(tài)實時的無功補償。該項目的成功運行顯示出本文提出的系統(tǒng)運行穩(wěn)定高效，完全滿足設計要求。

4 優(yōu)勢以及效益

與固定容量投入方式相比，本文介紹的動態(tài)無功補償系統(tǒng)輸出容量可以大幅度自動調節(jié)，適應性強。與磁閥式并聯(lián)電抗器裝置相比，本裝置安裝方便快速，不需要加蓋控制室和空調進行恒溫控制，可以露天室外安置，占地面積小，維護簡單，運行成本低，電流諧波含量低，根據(jù)理論仿真及樣機對比測量，只有同容量磁閥式電抗器電流諧波含量的十分之一。諧波含量小也是本系統(tǒng)優(yōu)于其他應用電力電子開關技術的系統(tǒng)的最大長處。同時該裝置的優(yōu)勢是節(jié)能環(huán)保效果明顯，系統(tǒng)附加損耗很小，只有自身額定容量的0.5%左右，相當于同容量磁閥式電抗器附加損耗的三分之一。

通過提高鐵路自閉貫通線的功率因數(shù)，直接減免功率因數(shù)調整電費，為業(yè)主帶來直接的經(jīng)濟效益。此外，動態(tài)無功功率補償對穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改進電能質量，保障電網(wǎng)安全也具有積極的促進作用。

5 結論

本文針對鐵路自閉貫通線長電纜、低負載的特性，提出了一種節(jié)能型動態(tài)無功補償系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有損耗低、穩(wěn)定性高、維護量低、噪音低等特點，裝置投入電網(wǎng)后能夠自動跟蹤電網(wǎng)運行狀態(tài)，及時準確補償電網(wǎng)所需要的無功容量。應用案例證實了該系統(tǒng)的價值。

Energy-saving Dynam ic Reactive Power Compensation System for Railway Power Lines

WANG Xiangdong,WEIHongwei

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

Self-blockingand run-through power lines in railway electric system provide powersupply for railway controlsignalsand railway stations.This paper introduced an energy saving-dynamic reactive power compensation system.According to compensation capacity thatpower load requires,this system employson-load tap changer to change the voltage ofshunt reactor so as to realize automatic adjustment for reactive power and self-blocking lines voltage.In thisway,power quality can be improved and reactive power balance can be realized.

dynamic reactive power compensation;railway;on-load tap changer

TM274

B

1671-0320（2016）05-0067-03

2016-07-08，

2016-08-18

王向東（1971），男，河北渾州人，1994年畢業(yè)于重慶大學電氣工程系，工學碩士，教授級高級工程師，研究方向為電氣化鐵路供電系統(tǒng)及供電系統(tǒng)電能質量；

魏宏偉（1968），男，河南洛陽人，1991年畢業(yè)于西南交通大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，工學碩士，教授級高級工程師，研究方向為鐵路電力供電系統(tǒng)。