并聯電容補償裝置的現狀及改進

王坤　趙配合

摘 要：在電氣化鐵路供電系統中，當某供電區間運行的機車比較多時，牽引網末端的電壓往往低于額定電壓，有時甚至低于允許的最低電壓，影響電力機車正常運行，降低運輸效益，同時也降低了線路功率因數，增大了諧波量，造成整個供電系統電壓質量不高。為了在運輸繁忙時保證整個鐵道系統的正常運行，須提高牽引網電壓質量，所以在電氣化鐵路供電系統中通常采用補償裝置來提高網壓，這不僅關系到電氣化鐵路運輸效益還關系到運輸生產的經濟效益。

關鍵詞：電氣化鐵路；補償裝置；諧波；功率因數

在鐵路牽引供電系統中，當某供電區間運行的機車比較多時，牽引網末端的電壓往往低于21KV，有時甚至低于19KV，影響電力機車牽引力的發揮，降低運輸效益，為了在運輸繁忙時保證整個鐵道系統的正常運行，須提高牽引網電壓，所以在鐵路牽引供電系統中通常采用并聯電容補償裝置來提高網壓。然而牽引變電所并聯電容補償裝置的技術狀態，不僅關系到運輸效益還關系到運輸生產的經濟效益，電力部門不僅對負序、諧波、功率因數等參數，制定了嚴格的考核標準，還實施按功率因數調整電費，由于牽引變電所現有的并聯電容補償裝置難以達到功率因數0.9標準，須交納功率因數調整電費。因此，很有必要對現有變電所電容補償裝置進行改造，減少功率因數調整電費的支出，提高電氣化鐵路經濟效益。

1 我段現有靜態電容補償裝置影響功率因數提高的原因

牽引變電所一般安裝兩組不可調的靜態并聯電容補償裝置，固定安裝在27.5KV母線上，分別補償兩個供電臂。由于牽引負荷為間歇性的特點，負荷變化大，功率因數低，靜態電容補償不能自動追蹤補償，影響功率因數提高，這一點在貴昆線變電所很常見。例如尹堡村變電所，兩組電容同時投入運行功率因數通常也就在0.89～0.91之間，功率因數也就勉強達到電力部門的要求，當然這還不包括反向無功計入之后的功率因數。

現有靜態電容補償裝置，不能根據電力機車負荷情況進行無功補償。一般設計部門設計都會按近期遠期不同用電量分不同階段進行主要電力設備容量的設計，如近期變壓器容量可能只有25000MVA，但是隨著運量的增加，遠期變壓器容量可達到60000MVA，而對某些電力設備為避免日后擴容改造的工程量過大，在近期的時候就按線路遠期運量考慮。因近期運量較小，牽引變電所電容補償投入后，易產生過補償。同時，為保證牽引供電的可靠性，供電臂牽引負荷率較低，單線區段的負荷率只能達到50%左右，此時補償電容投入，也會產生過補償。過補償給電力系統反饋無功電量，而電力部門對無功補償裝置實行“反轉正計”的計量方法，把用戶反送電力系統的無功電量與取用的無功電量絕對值相累加，加大了無功電量部分的計算，影響了功率因數的提高。這一點在盤西線表現很明顯，盤西線車流量較小，牽引網大半時間都處于空載狀態，像白水變電所只投入A組電容時，每天18點計算正向功率因數基本都可以達到0.98，而累加上反向后功率因數低于0.8，甚至有時候不足0.6，這就給電氣化鐵路的經濟效益帶來了極大的影響。

另外，現有電容補償裝置的補償還有一個特點，受地理環境和地勢環境的影響，牽引變電站一個變壓器所供兩個供電臂的長度通常都會有區別，每條供電臂線路縱斷面和坡度也不一樣，而兩個供電臂電容補償裝置容量相等，用相等容量的電容來補償不等負荷的供電臂，不能根據牽引變壓器每相符合情況進行補償，導致滯后相適度補償，超前相過度補償；超前相適度補償，滯后相欠補償，致使補償效果不甚理想。

2 投切電容補償裝置的危害及對設備的影響

諧波對系統并聯電容有較大的影響，諧波電流會疊加在基波電流上，使電容器的運行電流有效值增大，使峰值電壓大大增加。投入和撤出電容會使系統諧波電流放大。在實際電力系統中，經常可以把諧波阻抗與諧波容抗看作感性元件和容性原件并聯的等值諧波阻抗。

投切電容補償裝置，可能出現操作過電壓。在投入并聯電容補償裝置時，考慮到二階電路對正弦函數相應中的穩態分量是時間的正弦函數，為便于分析電容補償裝值投入時易產生過電壓的最大可能性，現將補償裝置視為二階電路零狀態下對階躍函數的響應進行剖析，另考慮到實際情況R很小，所以只分析R<2（L/C）1/2振蕩條件下的情況。振蕩充電過程中UC與I隨時間變化的曲線如圖1，可以看出，在振蕩的充電過程中，如果電路中的電阻R很小，UC的最大值將趨近于電源電壓的2倍，UC=2E，即電容兩端最大過電壓可達2倍母線電壓。

與電容電壓分析相同，電抗器過電壓約等于母線電壓27.5KV，而并聯電容裝置投入時，電抗器的過電壓大約為電抗器額定電壓的7.3倍。通過以上分析可知，并聯電容補償裝置投入瞬間產生的躍變電壓非常大，如此大的電壓將嚴重影響電容器、電抗器及真空斷路器的壽命。

3 目前國內提高功率因數的幾種常用方法

目前，國內電氣化鐵道牽引變電所為提高功率因數，提高電壓質量，普遍采用靜態電容的補償裝置。從六十年代末期以來，世界上許多國家都致力于研制新型電容器補償設備，以達到自動跟蹤補償的目的。許多國家先后研制了多種型式的靜止無功動態補償裝置（簡稱SVC），有利用晶閘管（可控硅）分組投切電容器組來補償牽引負荷產生的無功。還有一種新型的電壓無功綜合補償裝置（簡稱VQC），是根據電力牽引負荷情況，利用真空接觸投切電容器單元，達到自動追蹤補償目標。另外國內還有一種有效的方法是在牽引變電所安裝串聯電容補償裝置（SC C），將串聯電容補償裝置安裝在牽引變壓器二次側的接地端。

為了使牽引變電所能達到最佳的運行狀態，必須使補償裝置，在網壓比較高時旁路補償裝置，在網壓比較低時投入補償裝置。昆明鐵路局貴昆線、盤西線在建立初都是采用并聯電容組補償裝置，基于鐵路系統負荷的特殊性，牽引網有一半時間處于空載狀態，這一點前面已經提到這里就不再贅述。對此在2005年先后在盤西線幾個變電所投入靜止動態無功補償裝置（簡稱SVC），以盤西線白水牽引變電所為例，無功動態補償裝置的具體動作過程如下：

1）當白水變電所正常運行時，變壓器空載，補償裝置的晶閘管導通，串聯電容補償裝置被旁路斷開。

2）當白（水）平（河口）區間有列車運行時，檢測到A相出口電壓低于設定值，截斷A相晶閘管，投入A相串聯靜止電容補償裝置，提高網壓，保證白平區間上所有列車正常運行。

3）當白（水）平（河口）區間列車減少時，檢測到變壓器A相出口電壓大于設定值（29KV），則導通A相晶閘管，斷開A相串聯的靜止電容補償裝置，恢復到正常運行狀態。

在A相靜止電容補償裝置投切的過程中，B相不會因為A相的動作而動作，始終根據B相出口電壓的值來判定，是否投切B相靜止電容補償裝置。這樣根據負荷的變化適時動態的來進行補償，相比原有的靜止補償裝置，對電能的利用率有了很大的提高。

4 目前城市軌道交通采用的改進補償裝置的方法

城市軌道交通與交流電氣化鐵路一樣，都是與電力為牽引，是電氣化鐵路的一個分支。城市軌道交通與普通交流電氣化鐵路的不同之處在于，牽引供電電壓等級不同，電壓制式不同。城市軌道交通通常采用直流1500V，750V兩個等級的牽引供電電壓，而普通交流電氣化鐵路通常采用交流27.5kV等級的牽引供電。城市軌道交通一樣具有牽引負荷間歇性的特點，負荷變化大，城市軌道交通中有大量自然功率因數較低的低壓用電設備，供電系統中功率因數較低。另外，城市軌道交通還有一個自身的特點，使其功率因數比交流電氣化鐵路更低，更不容易進行補償。對城市軌道交通而言，功率因數的過低致使其每月向供電局交納的力調電費，遠遠超過正常使用電費，是嚴重影響城市軌道交通收益的一個重大問題。

城市軌道交通因主要是在城區建設，城區征地、拆遷較困難，城市軌道交通通常約20公里建兩座110kV等級的變電站，在110kV變電站將110kV電壓變為35kV電壓，通過沿軌道交通一起敷設的電纜供給軌道交通沿線的眾多降壓變電所，混合變電所。電纜是電壓傳遞的主要載體，而電纜又是純容性阻抗，截面為3×150的鋼制35kV交聯聚乙烯絕緣電纜每公里電纜阻抗達0.143Ω，20公里的電纜，阻抗約為2.86Ω。所以，城市軌道交通的功率因數在沒有補償裝置的情況下，非常之低，在昆明軌道交通公司曾經統計過，在沒有補償裝置的一個月，一臺變壓器的功率因數僅有0.08，功率因數調整率達到129%，而在投入補償裝置以后功率因數可以調整到0.98以上，補償裝置的補償效果非常明顯。

目前城市軌道交通通常采用的補償裝置為靜止無功發生器（SVG），其主要的工作原理是基于瞬時無功功率的概念和補償原理，以大功率可關斷電力電字器件組成的逆變器為核心，相應的自動控制和保護系統等組成的成套裝置，其基本原理與靜止動態無功補償裝置（簡稱SVC）相同，均是通過新型的控制器不再選用以功率因數為檢測量，而是以無功電流為檢測量，來進行補償。

5 靜態電容補償裝置與動態無功補償裝置優缺點比較

靜態電容補償裝置作為早期的補償裝置在交流電氣化鐵路中有大量的運用，其自身存在的補償問題也被不斷的發現，對此很多人和單位都做了很多的研究，隨著科學技術的不斷發展，電子科技的日趨成熟和普遍運用，動態無功補償裝置逐漸嶄露頭角，越來越多的應用于更廣闊的領域。在以往的工作中對兩種補償裝置均有運用，并且有一定的研究，對此也對兩種補償裝置的優缺點有一些自己的看法：

5.1 動態無功補償裝置由于包含設備較多，單獨一套補償裝置通常帶有一臺干式變壓器、隔離開關柜、電容器柜、可控硅柜、控制柜等設備，而一套靜態電容補償裝置通常只帶有電容器組，電抗器，隔離開關等主要設備，所以一套無功補償裝置的造價要比一套靜態電容補償裝置的造價要高很多。

5.2 靜態電容補償裝置都要配備電容器組和電抗器，雖然現在的工藝水平已經有了很大的提升，但是電容器組和電抗器都有很充裕的占地面積和安全距離。而動態無功補償裝置經過自帶變壓器的降壓后只是10kV的電壓等級，并且只有在進線線路超過20公里的情況下需要進行特殊補償的時候才會考慮設計電抗器，一般設計中都是柜式設備，大大縮減了補償裝置的占地面積。這一點靜態電容補償裝置對惜土如金的城市軌道交通來講是非常不利的，占地面積的擴大，增加了征地面積和拆遷面積，就意味著建設方將投入更多的征地和拆遷資金和投入更多的精力來完成變電站的建設，同時，征地和拆遷的困難增大也會導致整個工程建設難度的增大。

5.3 靜態電容器補償裝置通常是由電容器組、電抗器、隔離開關等這些大型器件組成，產品使用比較穩定，投入之初不需要進行很復雜的調試，試驗合格即可以投入使用，定期的核對性試驗較容易完成，也能盡早，及時，直觀的發現問題，后期如果需要可以重新更換不同生廠商的同類設備，對生產商的依賴不強。而動態無功補償裝置除了一些主要的硬件外，主要的工作核心還是在軟件上面，投入之初需要經過長時間的調試，才能將功率因數和諧波調整到一個最佳狀態。并且，補償裝置的核心部件都是電子元器件，插件式部件構成，故障率高，需要的檢修維護技術更高，后期對生產商的依賴更強。

6 結束語

昆明鐵路局昆明供電段白水牽引變電所在SVC投入系統后，經過一個月的試運行與變電所其他設備配合良好，計入反相無功后的功率因數也基本達到0.9，功率因數這一項較以前有了明顯的提高。在投入前期，SVC系統晶閘管擊穿比較敏感，饋線斷路器跳閘也很容易就導致晶閘管擊穿，之后經過生廠商的調試，運行時基本上解決這一問題。而在昆明供電段平關牽引變電所，SVC運行初期也是有一些很不穩定的表現。

在城市軌道交通工程中，使用的SVG一樣也是初期調試時間較長，調試完成以后補償效果有了明顯的改變，挽回了城市軌道交通不少經濟損失。總的來說，動態無功補償裝置系統還是利大于弊的，針對電氣化鐵路系統的特殊性，對功率因數提高和抑制諧波電流的產生都作出了一定的貢獻。

參考文獻

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