鐵路電力供電系統無功補償研究

苗 晨

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

鐵路電力供電系統無功補償研究

苗 晨

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

對鐵路電力系統無功補償進行研究，以解決普速鐵路補償容量選擇不合理、高速鐵路補償設備選型不穩定的問題，同時降低鐵路供電線路的損耗，保證鐵路供電系統的穩定性。通過對電力系統中主流無功補償裝置和無功補償計算方法的研究，結合鐵路供電方案的實際情況，總結出鐵路電力系統的無功補償方案。

鐵路電力；供電系統；無功補償；動態無功補償；補償容量

1 概述

近年來,我國鐵路得到了快速發展,無論是普速鐵路、高速鐵路以及貨運重載鐵路的里程都在迅速增加。目前國內普速鐵路電力系統既有補償方案根據線路的架空和電纜敷設方式,采用傳統電容器和電抗器補償。如補償容量選擇不合理,經常發生過補償或欠補償的情況,經濟合理性下降,對電力系統的安全產生影響。高速鐵路補償方案經歷區間并聯電抗器補償、靜止無功功率補償器(SVC)、靜止無功功率發生器(SVG)、磁控式電抗器(MCR)等多個階段,補償方案的設備選型不穩定。通過對電力系統中主流無功補償裝置和無功補償計算方法的研究,結合鐵路供電方案的實際情況,總結出適用于普速鐵路和高速鐵路的電力系統補償方案,指導鐵路電力系統補償方案設計和設備選型,減少補償裝置重復投資。

2 普速鐵路電力供電系統補償研究

2.1 補償方案

我國普速鐵路電力系統的特點是電力線路大部分是以架空線路為主,負荷種類比較固定,沖擊性負荷較少,負荷變化率較小。普速鐵路電力系統既有補償方案根據電力線路的架空和電纜敷設方式,采用傳統并聯電容器和并聯電抗器補償。由于我國幅員遼闊,鐵路線路較長,其中普速鐵路占據較大的比例。本著合理經濟的原則,根據各種補償裝置的補償特點,選擇用傳統式的并聯電容器和并聯電抗器補償設備從經濟性和技術性都是合理的。但目前補償容量的選擇缺乏理論計算,經濟合理性下降。普速鐵路最需解決的問題是補償容量的計算。

2.2 并聯電容器補償方案

2.2.1 補償方式及補償地點

并聯電容器可以安裝在全系統的各個點上,目前根據安裝位置的不同可以分為就地補償、集中補償、混合補償等多種方式［1]。

普速鐵路電力系統中車站負荷較為分散,負荷功率較小,沖擊性負荷較少,不適宜采用就地補償,應根據負荷性質設置集中補償。有10 kV配電所的車站,在配電所的站饋母線段設置高壓并聯電容器,既能保證站饋供電線路的補償,又能滿足區間供電線路的補償要求。在車站變電所及箱式變電站低壓母線側設置低壓并聯電容器集中補償,滿足低壓負荷的補償要求。在車輛段等特殊工藝場合,由于沖擊性負荷較多,根據工藝設備功率因數要求,可采用混合補償方式。

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,增強可靠性。

2.2.3 投切方式

并聯電容器的投切方式主要有2種:人工投切和自動投切。

鐵路電力系統高壓負荷的變化率不是很大,并且沖擊性負荷較少,高壓電容器集中補償宜采用分組人工投切的方式,便于維護并且經濟優勢比較明顯。低壓負荷有一定的變化率,并且低壓無功功率因數補償裝置技術成熟,性價比較高,低壓電容器集中補償宜采用利用動態功率因數調整裝置自動投切的方式。

2.3 并聯電抗器補償方案

我國普速鐵路電力系統貫通線大部分為架空敷設,但在架空敷設困難地段,比如林區、山區等地區,需要采取電纜敷設方式。由于電纜對地電容電流較大,電力線路呈容性特點,需要對容性無功功率進行補償,常用并聯電抗器進行補償。鑒于我國鐵路電力供電系統多為10 kV和35 kV中壓網絡,并且貫通線由鐵路配電所直接饋出,大量電纜敷設均在貫通線段中,所以宜將并聯電抗器補償在電力貫通線側,在區間分散補償。［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,運行環境較為惡劣,宜選用油浸鐵心式并聯電抗器。如選用箱式變電站內,由于在箱變內安裝,并且工廠預制安裝整體運到現場,宜選用質量小、不漏油的干式電抗器。

2.4 補償容量的計算

2.4.1 并聯電容器容量計算

并聯電容器對系統無功補償時,電容器安裝容量的選擇,與補償方式、負載情況、電容器的接線方式等方面有關［3]。

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

式中 Pc―――由變電所供電的月最大有功功率計算負載,kW；

βav―――月平均負載率,一般可取0.7～0.8；

φ1―――補償前的功率因數角,可取最大負載時的值；

φ2―――補償后的功率因數角,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,每相電容器所需容量也是不一樣的。電容器為星形聯結時,每相電容器組的容量為

電容器為三角形聯結時,每相電容器組的容量

式中 U―――裝設地點電網線電壓,V；

ω―――角速度,ω=2πf=314；

CY的單位是μF,CΔ的單位為μF。

(2)就地補償電容器容量Qc(kvar)的確定,即

式中 UN―――供電系統額定線電壓,kV；

I0―――電動機額定空載電流,A。

(3)按功率因數值確定新設計工程的無功功率補償容量Qc(kvar)

式中 Pjs―――計算有功功率,kW；

tanφ1、tanφ2―――補償前后的功率因數正切值。

(4)按配電變壓器容量確定無功功率補償容量Qc(kvar)。配電變壓器低電壓側安裝電容器時,應注意防止輕載時向10 kV配電網倒送無功功率,以取得最大的節能效果,根據配電變壓器容量,其補償容量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―――負荷率(其中β=S/SN,S為負載平均功率,kVA)。

或按下式估算補償容量Qc

式中 SN―――變壓器的額定容量,kVA。

2.4.2 并聯電抗器容量計算

采用并聯電抗器補償電纜的電容電流時,應以電纜發生單相金屬接地故障時電弧能可靠自熄為根本目標,在滿足此條件下,可兼顧電力線路殘流小的目標。對于交聯電纜,系統對地電容電流不大于20 A時, 0.75是最佳補償度［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。

三相電抗器補償容量為

式中 α―――補償度,取0.75；

U―――線電壓,kV。

3 高速鐵路電力供電系統補償研究

3.1 補償方案

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

目前,高速鐵路的補償方案大致有3種,具體分析如下。

(1)在10 kV配電所貫通饋出端設集中固定式電抗器補償,區間10 kV貫通線路上不設固定電抗器［6]。該方案的缺點是占用的空間較大,不能隨用電負荷的變化調整補償電流,難以達到規范要求的功率因數, 10 kV貫通線上流過的電容電流較大,損耗較大。優點是投資較少,控制比較簡單。

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

(3)在10 kV配電所母線段集中設置小容量的無功動態補償裝置,區間10 kV貫通線路上分散設置小容量的固定電抗器。該方案的缺點是投資較大,控制較為復雜；優點是充分利用電力遠動控制系統,既能較好地補償線路側的電容電流,而且也能夠兼顧電源側的功率因數,新實施的《高速鐵路設計規范(試行)》也推薦此方案。

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

3.2 動態無功補償裝置的選擇

3.2.1 靜止無功功率補償器（SVC)

靜止無功功率補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連續調節無功輸出是依靠調節TCR中晶閘管的觸發延遲角α得以實現的,通過晶閘管控制角α的改變,電抗器中流經的電流波形產生變化造成基波分量產生變化,電抗器的感抗發生了改變,TCR變成連續可調節的電感器。TCR并聯上電容器后,使得總的無功功率為TCR與并聯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型靜止無功功率補償系統的總體無功電流偏置的補償范圍從感性范圍延伸到容性范圍內,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或雙向晶閘管構成的交流無觸點開關將單組或多組電容器投入到電網上或從電網切除。晶閘管投切電容器可以精確控制,實時根據用戶負荷的變化,將所需的電容器容量投切至電網中,保證系統中的功率因數要求,真正實現動態無功補償。若輸出無功功率需要連續調節,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,無功電流大小進行控制。自飽和電抗器穩定電壓是通過電抗器自身的能力,發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償裝置屬于第一代SVC。以快速響應的磁飽和式可控電抗器和并聯電容器組成的補償元件,配以相應的快速無功功率檢測環節組成的無功功率補償系統,可以保證補償的快速性、準確性和合理性,能夠快速補償系統無功功率,使功率因數保持較高水平。

3.2.2 靜止無功功率發生器（SVG)

SVG的電氣系統比較復雜,主系統的構成包括變流器、曲折變壓器、斷路器、高壓變壓器,二次系統的構成包括PT、CT、檢測電路、控制器、保護電路、驅動電路、監測器等［11]。SVG系統中的最核心器件是變流器。如果變流器的脈寬是恒定的,通過改變系統電壓與變流器輸出電壓間的夾角,無功功率與變流器DC側的電容電壓可以得到調節,并且調節了變流器的輸出電壓與電力系統的電壓間的夾角,在保證變流器DC側電容電壓恒定下,系統需要的無功功率被發出或吸收。

靜止無功功率發生器的優點是響應時間更快,運行范圍更寬,補償功能多樣化,諧波含量極低,占地面積較小。

3.2.3 動態無功功率補償方式對比

本著合理、成熟、經濟的原則,選擇MCR型SVC、TCR+FC型SVC和SVG型補償裝置進行對比分析。綜合以上研究,各種補償方式的特點如表1所示。

表1 動態無功補償裝置比較

4 結論

本文主要從合理、可靠、節約投資的角度出發,對鐵路電力供電系統的補償方案進行了研究,形成了初步的研究成果。

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

(2)通過對高速鐵路電力供電系統方案的研究,在10 kV配電所母線段集中設置小容量的無功動態補償裝置,區間10 kV貫通線路上分散設置小容量的固定電抗器,本補償方案適應目前高速鐵路電力系統的要求。通過對動態補償裝置的研究,結合其優缺點,建議選用TCR+FC的SVC補償模式和SVG補償模式,兩種模式均較為可靠。隨著設備技術的不斷進步,近期部分高鐵開始選擇性的試驗新的動態補償方式,如 TSC(低壓補償)+電抗器［12],應密切關注使用效果,不斷提高高速鐵路電力供電系統的補償合理性。

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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年畢業于北京交通大學,工學學士,E-mail:ruichendhm@126.com。