城際鐵路10kV配電所無功補償方案探討與應用

寧玉琳，陳國慶，閆宏宇

（湖北城際鐵路有限責任公司，湖北武漢430062）

1 引言

目前我國大規模建設的城際鐵路，作為中等距離區域內的鐵路客運系統，基本上以各省為投資主體，以省會城市為中心，連接省內人口密集的城市。城際鐵路10kV配電所一般建設在城市區域，配電所10kV電源線基本采用電纜線路。由于城際鐵路10kV配電所進線和饋線均采用電纜線路，配電所內出現容性無功功率，此時向地方電網反送的容性無功很大。配電所的無功補償設計只考慮了饋出貫通線電容無功，沒有考慮進線電纜的電容無功。這導致配電所內顯示功率因數達到補償要求，但在電力部門計費端的功率因數沒有達到補償標準，需承擔功率因數考核電費。以湖北城際鐵路已開通的武漢至黃岡城際鐵路黃岡東10kV配電所為例，配電所的用電計量裝置安裝在供電公司變電站的饋線柜內。自2014年6月份開通以來，黃岡東10kV配電所安裝的自動投切無功補償裝置運行正常，配電所所內功率因數經補償后達到0.9以上，但供電公司計費的平均功率因數基本在0.7-0.8之間，達不到考核標準值0.85，每月需額外繳納一定的功率因數調整電費。根據城際鐵路10kV配電所的運行特點，研究并優化其無功補償方案以提高功率因數具有非常重要的現實意義。

2 城際鐵路配電所原無功補償配置及功率因數

2.1 城際鐵路10kV電力系統無功補償配置

城際鐵路10kV電力系統采取10kV貫通線路固定電抗器補償和配電所動態補償相結合的補償方式。圖1所示是湖北城際鐵路武漢至黃岡（簡稱武岡）城際鐵路電力系統圖。

圖1 武漢至黃岡城際鐵路電力系統圖

城際鐵路貫通電力線路采用3根YJV62-8.7/10kV單芯50mm2或70mm2銅芯電纜，通過查電纜手冊，該電纜每公里電容量為0.339μF。一般區間約10km設置一臺箱式電抗器補償線路電纜電容無功。一般補償度按照75%進行補償。

武漢至黃岡城際鐵路線路全長36km，區間線路設固定補償用電抗器2臺，每臺76kVar，補償貫通電纜線路電容無功。

在黃岡東10kV配電所設分組投切電抗器，根據配電所運行實測功率因數自動投切電抗器，進行動態補償，使功率因數達到0.85以上。其中一級貫通線母線段分組投切電抗器分3組，容量分別為30kVar、60kVar和120kVar；綜合貫通母線段分組投切電抗器分3組，容量分別為30kVar、60kVar和120kVar。

通過實時監測黃岡東10kV配電所的功率因數數據，對比分析查找到了功率因數偏低的原因，并采取措施提高了配電所的功率因數，節省了每月上繳的功率因數考核電費，降低了運行成本。

2.2 城際鐵路10kV電力系統功率因數

城際鐵路10kV配電所從地方變電站10kV專盤專線接引電源，在地方變電站饋出盤安裝計費裝置。計費方式執行功率因數調整電費，考核標準為0.85，計量電表無功電量為正反向無功電量的絕對值總量。

黃岡東10kV配電所兩路電源線分別由地方路口變電站和楊鷹嶺變電站專盤專線接引，兩路電源線的數據如表1所示。

表1 黃岡東10kV配電所電源線基礎數據

在所有設備正常運行情況下，人工投切補償電抗器補償容量，對黃岡東配電所和地方變電站對應出線的功率因數進行監測，監測數據如表2所示。

表2 黃岡東10kV配電所功率因數監測數據

3 提高功率因數的補償方案

3.1 原設計補償方案的不足

城際鐵路10kV配電所電力系統設計補償方案是基于補償城際鐵路10kV配電系統的無功功率而設計，即補償范圍為配電所10kV電源進線端至出線線路末端整個系統，不包含從地方變電站出線端至10kV配電所之間的電源線路。

配電所安裝的自動投切無功補償裝置檢測從本配電所進線至負載的功率因數，根據檢測結果自動進行補償，經補償后配電所顯示功率因數在0.9以上。由于配電所進線電源線路為電纜線路，該電纜線路產生容性無功功率，使地方變電所出線端功率因數相對較低。

從表2可以看出，無功補償裝置采樣補償點為10kV配電所電源進線端，考核點在地方變電站出線端，采樣點和考核點不一致，監測得到的功率因數數據也不同。無功補償裝置在自動投切狀態，監測路口電源線，配電所內的功率因數為1，自動無功補償裝置不投入電抗器，但地方變電站的功率因數只有0.209；監測楊鷹嶺電源線，自動無功補償裝置投入電抗器60kVA，配電所內的功率因數為0.95，而地方變電站的功率因數僅0.513。

因此，原設計無功補償方案沒有考慮電源線路的電纜容性無功，造成配電所補償后功率因數滿足要求，但電源線路接入點即電表安裝處的功率因數偏低。

3.2 提高功率因數的改進措施

配電所功率因數補償裝置的設計采用固定補償加自動補償的補償方案，其中自動無功補償裝置補償配電所進線開關柜以內，10kV電力系統的無功，固定無功補償裝置補償配電所10kV電源線路電容，即地方變電站出線至配電所進線開關柜的電力電纜線路，架空線路段可不考慮。補償裝置示意圖如圖2所示。

圖2 黃岡東10kV配電所補償示意圖

固定補償裝置考慮和動態補償裝置均安裝在所內，但補償采樣點不同，自動無功補償裝置采樣配電所進線開關柜內的電壓和電流，但固定補償裝置采樣的是進線電源線的電壓和電流。黃岡東10kV配電所內補償如圖3和圖4所示。

圖3 黃岡東10kV配電所補償前示意圖

圖4 黃岡東10kV配電所補償后示意圖

3.3 固定補償裝置的容量計算

黃岡東10kV配電所電源線路使用的架空導線JKLGYJ-240的絕緣導線，電纜為YJV22-8.7/10kV 3×240的高壓電纜。3×240的電纜線路電容量為C0=0.339μF/km。架空線路電容量非常小，暫忽略不計。

路口電源線：

電容C=8.07km×0.339μF/km=2.7357μF Xc=1/2πfC=1/2×3.14×50×2.7357μF=1164.13Ω

線路的無功Q=U2/Xc=10×10×106V/1164.13Ω=85.89kVar

根據計算結果，路口電源線固定補償電容可設定為90kVar。

楊鷹嶺電源線：

電容C=10.485km×0.339μF/km=3.5544μF Xc=1/2πfC=1/2×3.14×50×3.5544μF=895.99Ω

線路的無功Q=U2/Xc=10×10×106V/895.99Ω=116.28kVar

根據計算結果，楊鷹嶺電源線固定補償電容可設定為120kVar。

3.4 數據分析

從表2可以看出，對于路口電源線，當10kV配電所內的功率因數為1時，地方變電站的功率因數只有0.209；當10kV配電所內的功率因數為0.18時，地方變電站的功率因數只有0.996，如果手動加大用戶側的無功補償量，使其考核點的功率因數提高到0.9以上，需額外增加無功補償Q=90kVar，這部分補償的無功正好補償了電源線線路的無功，和計算得到的線路無功Q=85.89kVar基本差不多；對于楊鷹嶺電源線，當10kV配電所內的功率因數為0.95時，地方變電站的功率因數只有0.513；當10kV配電所內的功率因數為0.79時，地方變電站的功率因數為0.95。如果手動加大用戶側的無功補償量，使其考核點的功率因數提高到0.9以上，需額外增加無功補償Q=120kVar，這部分補償的無功正好補償了電源線線路的無功，和計算得到的線路無功Q=116.28kVar基本差不多。

通過人工投切試驗證明，按照上述計算結果配置無功補償容量，黃岡東配電所功率因數可達0.85以上。通過分析對比，對于長距離的供電電源線路，如果在用戶側配電所加一個固定的無功補償裝置，專門用來補償電源線路上的無功，將能保證考核點的功率因數達到考核的標準，消除了用戶側存在自動無功補償裝置還存在功率因數考核電費的煩惱。

4 結束語

城際鐵路10kV配電所基本建設在城市內，電源進線多采用電纜，且電纜線路距離較長。電源電纜線路容性無功大大降低鐵路電力系統在計費點的功率因數。

城際鐵路10kV電力系統的無功主要由一級、綜合貫通電纜容性無功，負載的感性無功和電源線容性無功構成。城際鐵路配電所的進線電源電纜線路的容性無功不容忽視。

城際鐵路一級、綜合貫通電纜容性無功和負載感性無功由貫通線路固定電抗器和配電所動態補償裝置補償。動態無功補償可根據負載的變化自動投切補償容量。

配電所電源電纜線路的容性無功在電源線路設計、施工完成后其容量基本不變，后期考慮在配電所采用固定容量進行補償。

本文所探討的無功補償方案可有效提高城際鐵路10kV電力系統的功率因數，解決了用戶側采取無功補償裝置仍存在功率因數考核電費的問題，能較好地滿足國家電網對功率因數的要求，減少功率因數考核電費的支出和線路損耗，降低鐵路運營的成本。

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