重載鐵路牽引負荷對變電所功率因數的影響研究

魏儔元，曹曉斌

(1.朔黃鐵路發展有限責任公司，山西原平 034101;2.西南交通大學電氣工程學院，成都 610031)

重載鐵路牽引負荷對變電所功率因數的影響研究

魏儔元1，曹曉斌2

(1.朔黃鐵路發展有限責任公司，山西原平 034101;2.西南交通大學電氣工程學院，成都 610031)

功率因數是衡量電源利用效率的重要因素，也是影響牽引供電系統效率及輸電線路末端網壓的重要因素。通過現場測試研究朔黃鐵路牽引負荷對變電所功率因數的影響規律，發現牽引負荷對進線電源側和饋線側功率影響方式存在較大的差異：電源側功率因素隨牽引負荷的增大而減少，饋線側功率因素隨牽引負荷的增大而增大。通過研究認為變電站無功補償方式是造成該現象的主要原因。最后，對朔黃鐵路如何改善電能質量及擴能提出了建議。

朔黃鐵路;牽引供電系統;功率因數;擴能;牽引負荷

朔黃鐵路是繼大秦鐵路之后我國第二條西煤東運大通道，其運量自2000年正式投入運營以來逐年增加，到2012年已達到1.97億t。為了滿足運量快速增加的要求，需要研究進一步提高運輸能力的措施。提高鐵路運輸能力主要有三個途徑，一是增加列車密度，二是建設新的鐵路線路，三是提高列車載運量［1-2］。由于現階段朔黃鐵路的行車密度己經處于飽和狀態，提高車速、增加行車密度的空間較小，建設新的線路投資大，周期長，因此，提高列車載運量是增加既有線路運輸能力的主要措施。而且重載技術提高了運輸效率，降低了運輸成本，在多個國家得以應用，是今后貨物運輸的發展趨勢［3-5］。牽引供電系統是重載鐵路的動力來源，大功率機車的應用在提高列車的負載能力的同時，也加大了牽引供電系統的負荷［6-7］。功率因數是決定供電系統效率的重要因素，當功率因數過低時，牽引負荷中包含有大量的無功，對鋼軌電位、末端電壓均有著較大的影響，最終影響重載列車的正常運行［8-11］。我國目前對重載鐵路牽引供電系統功率因數研究較少，本文通過對朔黃鐵路萬噸重載列車試驗時牽引供電系統的網壓及功率因數的實際測量結果，研究重載對功率因數的影響，從而為重載列車的開行打下基礎。

1 測試方案

本次牽引供電系統性能測試選取110 kV進線電源薄弱，系統短路容量小，線路縱斷面坡度大，重車方向供電臂列車帶電平均電流大的牽引變電所和分區所進行。此次測試分為SS4機車1+1編組方式和2+0編組方式，1+1編組方式下機車位于萬噸列車前部和中部，過分相時間相隔大約1 min，2+0編組方式下兩個機車均位于萬噸列車前部，過分相時間相隔僅約1～3 s，因此兩個機車可以看作一個整體。測試時分為重車與輕車，分別對應相同列車編組方式下滿載與空載時的情況。

1.1 測試設備

本次測試所用的主要設備包括4臺DSA-2000型綜合電能分析裝置，1臺BDC-5電能質量監測儀。其中3臺DSA-2000型綜合電能分析裝置安裝在3個牽引變電所，1臺DSA-2000型綜合電能分析裝置和1臺BDC-5電能質量監測儀安裝在2個分區所。

測試設備接線:將需要測量的信號端子從中信盤、變送器盤、保護盤上引出，分別與測試設備的電流/電壓輸入模塊的端子相連，對測試設備進行調試及參數配置就可以進行數據采集了。不同地點的測試裝置及機車上、分相處、所內監測人員在測試前要進行時鐘對時，以保證測試的同步性。

本次變電所測試采用的DSA-2000型(便攜型)綜合電能分析裝置可實現對30路電壓、電流信號的同時監測，裝置如圖1所示。

圖1 DSA-2000型(便攜型)綜合電能分析裝置

本次在分區所進行測試所采用的試驗設備是BDC-5電能質量監測儀，該裝置能夠同時監測8路電壓電流信號，具體設備如圖2所示。

圖2 BDC-5電能質量監測儀

1.2 測試數據

在試驗中，使用電能分析裝置采集列車運行時的電壓、電流、列車運行區間功率因數及牽引變電所高壓側功率因數等數據，各波形如圖3所示。

2 牽引負荷對牽引變電所功率因數的影響

2.1 牽引負荷對進線電源側的影響

在試驗中，使用電能分析裝置采集列車運行時的電壓、電流、列車運行區間功率因數及牽引變電所高壓側功率因數等數據，各波形如圖4所示。重載列車運行后產生大量的無功功率，由于牽引變電所的電能是從地方變電站獲取，無功增加后造成電能質量下降，從而導致進線電源容量的利用率下降，嚴重時可能造成進線容量無法滿足要求。根據朔黃鐵路的特點，可以將供電臂按地形分為3種:當該供電臂內線路地形以單向坡道為主時，本文中稱為爬坡地形;當供電臂內線路地形以上下坡為主時，本文中稱為山區丘陵地形;當供電臂內線路較為平直時，本文中稱為平原丘陵地形。

圖4為不同地形對應的變電所進線側功率因數的測量結果。

從圖4中可以看出，不管什么地形，變電所進線側功率因數90%以上的時間超過了0.8，部分區段的功率因數有50%以上的時間超過了0.9，因此變電所電源側的功率因數總體較高，開行重載列車對進線側輸出的無功沒有顯著增加，對地方變電站的電能質量沒有太大的影響。

圖4 不同地形對應的變電所進線側功率因數波形

圖4(a)對應的是爬坡地形，由于該區段重載列方向對應的是下坡，機車長期處于低功率牽引或惰行方式運行，此時總牽引電流小，電源側功率因數較高，圖4(b)和圖4(c)對應的是丘陵地形，由于上下坡影響機車的輸出功率，功率因數變化較大。總體而言，牽引變電所進線側對應的功率因數與機車總輸出功率有關，總功率越大，功率因數越低。

從圖4中同樣可以看出，該現象與牽引變電所的無功補償有關，當牽引電流很小時，如圖4(a)所示，此時所內補償的容性無功功率大于機車產生的無功功率，此時進線側以容性無功為主，圖4(b)和圖4(c)中機車產生的無功功率遠大于容性補償無功功率，從而導致系統的總功率因數下降。

2.2 牽引負荷對饋線側的影響

在饋線側，重載列車產生的無功功率將直接造成線路末端電壓下降，影響正常行車，本節同樣按3種地形分析牽引負荷對饋線側功率因數的影響。不同地形下牽引負荷與功率因數的關系如圖5所示。

圖5 不同地形對應的變電所饋線側功率因數波形

圖5(a)對應的是爬坡地形，由于該區段重載列方向對應的是下坡，機車長期處于低功率牽引或惰行方式運行，此時總牽引電流小，饋線側功率因數較低，圖4(b)和圖4(c)對應的是丘陵地形，由于上下坡影響機車的輸出功率，功率因數變化較大。總體而言，牽引變電所饋線側對應的功率因數與機車總輸出功率有關，總功率越大，功率因數越高。

3 重載鐵路擴能方案分析

3.1 進線側的擴能方案

進線電源的容量必需滿足牽引負荷的要求，當不增加進線電源的容量時，必需提高進線電源的利用率，這與提高牽引變電所高壓側的功率因數，提高電能質量的目標是一致的。從本次現場測試結果來看，牽引負荷對進線電源利用率有一定的影響。

表1為某區間不同牽引負荷對應的高壓側功率因數，從電源的利用情況分析，其總功率沒有超出牽引變電所設計功率，隨著功率的增加，功率因數不斷下降。但從圖4中可以看出，隨著負荷的增加，無功功率所占的比例增加，并從容性無功轉變為感性無功，機車消耗功率越大，感性無功隨之增大。

表1 機車在某所區段的運行功率數據

對于重載鐵路擴能改造，測試結果表明，在牽引負荷較低的情況下，朔黃鐵路總的容性無功補償功率超過了機車產生的感性無功功率，因此存在著過補償現象，但功率因數依然在0.9以上，滿足電能質量的要求。當牽引負荷超過10 000 kW時，功率因數降到了0.9以下，而且隨著負荷上升而下降的規律性明顯。因此根據本次測試結果，為了提高進線電源容量的利用率，提高電能質量，可以考慮增加容性無功補償裝置的補償功率。

3.2 進線側的擴能方案

對比第2節可以看出，牽引變電所進線側與饋線側功率因數同樣與機車總輸出功率有關，但二者的關系正好相反，機車總輸出功率對進線側功率因數起抑制作用，輸出功率越大，功率因數越低;饋線側機車總輸出功率越大，功率因數越高。造成該現象的主要原因是，目前電容補償裝置安裝在饋線側，當機車處于低功率牽引或惰行方式運行時，機車輸出功率中有功功率少，以無功為主，饋線側的電容補償功率小于機車無功，導致饋線側功率因數下降;當多出的無功功率經牽引變壓器傳到高壓側后，其他饋線的電容補償裝置可以對其進行補償，導致進線側功率因數高。當機車以大功率牽引方式運行時，輸出功率中有功功率占的比重上升，饋線側功率因數上升;由于輸出功率增加后，總的無功功率增加，變電所電容無法滿足無功補償的需要，因此進線側功率因數下降。

表2為某變電所饋線負荷與功率因數的運行數據，從表中可以看出，隨著負荷的增加，功率因數開始上升，當負荷增加到某一程度后，功率因數基本保持不變。從表中數據可知，當機車低功率運行時，輸出的負荷中無功所占的比重較大，功率因數較低;當其負荷達到某一定的值后，其無功所占的比重基本保持不變。

表2 某變電所饋線側的運行數據

根據這一特點可以得出以下結論:小負荷情況下牽引電流較小，盡管功率因數低，但機車輸出總功率低，此時對牽引變電所容量占用及末端網壓影響較小，因此擴能改造時不能以小負荷下的功率因數作為依據;大負荷情況下功率因數較高，此時牽引變電所容量利用率較高，擴能改造時以提高大電流下線路容量及末端網壓為主要目標，此時機車功率因數趨向恒定，電能質量改造可以參照此時機車的無功功率作為補償標準。

4 結論

進行擴能改造是提高朔黃線路運輸能力的重要措施。功率因數是衡量電源利用效率和電能質量的重要因素，重載列車開行后牽引負荷增加，對牽引供電系統的功率因數造成重要的影響。牽引負荷對變電所進線側和饋線側功率因數的影響規律并不相同，進線側功率因數隨牽引負荷的增大而減小，饋線側功率因數隨牽引負荷的增大而增大，但增大到一定程度后趨向定值。造成該差異的原因是變電所補償裝置對進線與饋線的補償效果不同，饋線側機車產生的無功功率主要通過本饋線的電容進行補償，而進線可以通過其他饋線進行補償。根據上述結果，對重載鐵路進行擴能改造時，不僅需要根據牽引負荷提高線路的載流能力，還需要增加線路的無功補償裝置的功率，提高功率因數。

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Influence of Traction Load of Heavy Haul Railway on Power Factor of Substation

WEI Chou-yuan1，CAO Xiao-bin2
(1.Shuo-Huang Railway Development Co.，Ltd.，Yuanping 034101，China;2.School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Power factor is an important factor to measure power source utilization efficiency，also is an important factor affecting both the traction power supply system efficiency and the end-voltage of power supply network.A field test about the influence of traction load on the power factor of substation was conducted for Shuo-Huang Railway.And then a great difference was found out:when the traction load of heavy haul railway was increased，the power factor of the power supply incoming line side was decreased，but the power factor of feeder side was increased.The paper thinks that:it is the reactive power compensation mode of substation that plays the leading role in causing this phenomenon.Finally，suggestions are presented in this paper about how to improve the power energy quality and how to expand the power capacity for Shuo-Huang Railway.

Shuo-Huang Railway;traction power supply system;power factor;capacity expansion;traction load

U225

A

1004-2954(2013)09-0100-04

2013-02-28;

2013-04-20

魏儔元(1973—)，男，高級工程師，E-mail:weichouyuan@sina.com。