高鐵10 kV貫通線無功補償及諧振可能性研究

曹黔平，劉冰瑞，李　欣（.貴廣鐵路有限責任公司，工程師，貴州　貴陽　550000；.中鐵電氣化局集團第三工程有限公司，工程師，河南　鄭州　450000；.西南交通大學　電氣工程學院，碩士研究生，四川　成都　600）

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高鐵10 kV貫通線無功補償及諧振可能性研究

曹黔平1，劉冰瑞2，李欣3
（1.貴廣鐵路有限責任公司，工程師，貴州貴陽550000；2.中鐵電氣化局集團第三工程有限公司，工程師，河南鄭州450000；3.西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生，四川成都610031）

摘要：高速鐵路線路采用電纜長距離供電，由于電纜本身的電容特性，使其末端電壓被抬升，可能影響到電氣設備的正常運行，通過對線路進行無功補償可降低線路電壓至規程允許范圍。隨著負荷的增加，感性負荷電流疊加補償的感性無功有可能使功率因數降低，以致無法保證地方電力部門對配電所功率因數的要求。無功補償過程中可能會導致功率因數剛好到1的情況，如果發生，感性功率大小等于容性功率，整體電路呈阻性，極有可能觸發諧振，在實際無功補償中應該避免這種情況。

關鍵詞：10 kV貫通線；無功補償；諧振；功率因數

10.13572/j.cnki.tdyy.2016.01.004

我國電氣化鐵道對電力系統的影響主要體現在功率因數、諧波及負序上。鐵路牽引變電所為電力機車供電，而電力機車多采用的傳動系統，具有隨機波動大、非線性等特征，易導致電力系統功率因數低、諧波畸變大等缺點。提高功率因數和抑制諧波是改善電氣化鐵路電能質量主要措施。無功補償是利用無功補償裝置向系統注入一定的無功功率，以達到提高功率因數的目的。鐵路線路無負荷和輕負荷情況下，過補償問題十分明顯。選擇適合的補償方式，提高線路的功率因數，具有十分重要的作用。

安裝在10 kV貫通線的無功補償裝置容量多可調節，在不同情況下可以對系統進行不同容量大小的無功補償。無功補償過程中有可能出現功率因數剛好到達1或者功率因數非常接近1的情況。此時，線路上的容性無功在數值上大致等于感性無功，整體呈現阻性，有可能發生諧振〔1〕。牽引系統中諧振事故已有許多文獻報道，這些諧振事故可能造成斷路器跳閘，過電壓保護動作，配電設備、避雷針、電抗器、電容器等設備無法工作甚至燒毀爆炸，無功補償裝置無法正常運行，為系統安全穩定運行帶來一定影響〔2〕。此類諧振與機車作為諧波源注入牽引網的電流與系統參數發生匹配而產生的諧波諧振〔3〕有所區別。研究由無功補償過程中功率因數達到1時可能引起的諧振現象及其保護措施對電氣化鐵路安全運行及設備安全具有重要的意義。

常用的無功補償裝置有同步調相機、并聯電容器、并聯電抗器和靜止補償設備等。傳統的無功補償方法是將固定電容器與網絡感性負荷并聯，通過吸收系統的容性無功來補償感性無功，從而提升局部電壓。固定電容器的缺點是電容容量固定，無法跟蹤負荷無功的變化，無法實時補償無功功率。即使利用機械開關控制并聯電容的容量，響應速度也無法達到要求，嚴重地制約了它的發展。靜止無功補償裝置（SVC）的補償是動態過程，響應速度比機械設備快很多〔4〕。而隨著半導體器件、晶閘管的發展，出現了靜止同步補償器，它響應速度快、體積小，能夠快速實現從感性到容性的連續調節，即使電壓跌落，還能有效發出無功功率。

目前無功功率綜合補償方案主要有〔5〕：1）單調諧濾波器〔6〕；2）固定濾波器與晶閘管調節電抗器結合〔7〕；3）晶閘管投切電容器〔8〕；固定濾波器與電容器、電抗器配合調壓〔9〕；靜止同步補償器〔10〕等。

本文基于實際線路對高速鐵路10 kV貫通線建立模型，模擬仿真，分析不同負載在不同無功補償條件下功率因數變化情況，找到功率因數到1的情況，研究無功補償策略，讓功率因數既保持在數值較高的一定區域，同時避免功率因數到1，避免了諧振現象發生的可能性。

1　貫通線仿真模型

本文以新建鐵路貴陽至廣州線DK 42區間站-陽朔中間站-恭城中間站恭城供電區間10 kV電力貫通線為依據。在MATLAB中搭建陽朔中間站配電所饋出的4條供電貫通線仿真模型，線路結構如圖1所示。陽朔中間站配電所饋出的4路供電貫通線，分別連通DK 428區間站、恭城中間站兩配電所，其中，DK 428區間站到陽朔中間站供電臂貫通線電纜長達41.952 km，陽朔中間站到恭城中間站供電臂貫通線電纜長達34.765 km。

圖1恭城-鐘山西-賀州中間站區間電力貫通線

貴廣線10 kV電力貫通線全線采用電纜長距離送電，由于電纜本身的特性，導致其末端電壓可能升高，影響電力設備的正常運行，需要對線路進行無功補償讓電壓降到規程允許的范圍。在線路箱變附近安裝補償電抗器對無功進行調節。

在模型建立中電纜模型可分為集中參數型和分布參數型，這2種模型對于仿真結果有一定的影響。本模型中每一個供電間隔內設置有箱式變壓器，每個箱變之間的距離不超過3 km，線路長度較短，可以不考慮線路的分布參數長線效應，仿真中利用集中參數元件處理。

分別對空載及不同負荷工況、不同運行方式（正常運行方式，即該配電所供1條綜合負荷貫通線和1條一級負荷貫通線；最惡劣運行方式下，即配電所同時供2條綜合負荷貫通線和2條一級負荷貫通線）補償前后的電容電流、補償度、線路末端電壓、配電所進線側功率因數等進行了分析研究。

2　仿真分析

首先分析在空載條件不加任何補償情況下的功率因數和線路末端電壓情況。仿真結果顯示無論是哪種接線方式（左一級右綜合、左綜合右一級，極端情況下4線運行供電），電力貫通線空載運行時，如果不采取任何的補償方案，則線路末端的電壓抬升十分明顯，同時電源側和線路側的功率因數也十分低，這會對線路運行造成較大影響。

同時如果系統不加入任何的固定補償或者動態補償，針對3種供電方式進行各種典型負荷條件下的調壓器兩側功率因數以及線路末端電壓仿真分析。仿真結果顯示，在不投入任何補償的情況下，隨著負荷的增加，調壓器兩邊的功率因數逐漸增大，并且有容性向感性轉變的趨勢，也就是說其功率因數在某些負荷條件下有可能達到1，此時電路呈阻性，有可能發生工頻諧振的問題，有可能會引起設備發熱、無法工作等問題，需要避免這些情況。

無功補償可以分為固定補償和動態補償2個部分，固定補償的補償容量確定，動態補償容量可以實時調整。為分析固定補償對線路的影響，分別在關鍵位置投入114 kvar及76 kvar的固定感性無功補償，投入后分別分析不同供電方式下的功率因數變化和線路末端電壓抬升情況。仿真結果顯示，在正常運行方式下，采用114 kvar的固定補償投入方案比采用76 kvar的固定補償投入方案更好，大補償方案對線路末端電壓抬升起到了更好的抑制作用，對功率因數的提升也更大，但是電源側的功率因數仍然較低。

為了解決這一情況，還需要為系統增加動態補償。在已經投入114 kvar的情況下，投入動態補償，分別對多種供電方式進行仿真，在負荷改變時，對需要的動態補償容量進行分析。這里僅以10 kV貫通線最為常見的左一級右綜合供電方式為例。

在左邊供給一級貫通負荷，右邊供給綜合貫通負荷的運行方式下，動態補償裝置接在調壓器前。帶負載運行時，車站站房負荷低壓側的功率因數已被補償為0.95。線路上各箱變負荷低壓側功率因數考慮為0.8。

考慮空載和不同負載運行情況，以確定固定補償容量和動態補償容量，固定補償容量設置為114 kvar。其中，固定補償的作用主要是抑制電壓抬升過高，動態補償的作用主要是根據負荷的變化，改善電源/貫通線路側功率因數，使其滿足要求。仿真結果如表1所示。

表1陽朔中間站動態補償在調壓器前固定補償114 kvar左綜合右一級運行結果

由表1可以看出，在此種情況下，只需要在空載及較小負荷時投入動態補償就能夠使電源側的功率因數滿足大于0.93的要求，而隨著負荷的不斷增加，無需投入動態補償，電源側和線路側的功率因數都逐漸增大，直到線路變成感性后，功率因數逐漸減小。在表格中，當負荷達到15%、20%、25%、30%情況下，電源側和線路側的功率因數都有可能會達到1，整個過程線路從容性變為感性，系統中的感性無功在數值上等于容性無功。同時，整體電路呈阻性，有可能發生諧振現象，造成設備發熱、無法工作，甚至是燒毀設備的危險。

隨負荷的增長，一級貫通線和綜合貫通線電源側的功率因數如圖2所示。

圖2電源側功率因數變化情況

線路要求功率因數超過0.93，可以看出來投入動態補償可以提高功率因數，但是隨著負載的不斷增加，沒有動態補償的投入功率因數也能達到0.93以上，但是在很大負載情況下，線路可能會從容性變為感性，從而功率因數隨著負荷增加而降低。貫通線無功補償需要避免功率因數到達1這一情況，在動態補償時需要一定的控制策略。

根據實際情況大致畫出功率因數曲線（見圖3所示）。

圖3典型功率因數曲線

A、D兩點的縱坐標為0.93，表示要求的功率因數的最小值，而B、C兩點的縱坐標為0.98，設置為功率因數調整的上限。A、B邊表示功率因數為負數，此時線路為容性，隨著負荷增大或是動態補償的增加，會使得其往AB方向移動，逐漸到達1，然后線路變成感性，再到C、D。

具體的無功補償策略是：首先，試試檢測線路的功率因數，當線路功率因素沒有達到-0.93，則需要增加無功補償，讓其滿足要求。若是線路無功在-0.93到-0.98范圍內，及曲線段AB的范圍內，則說明功率因數滿足要求，無需做過多的調整，功率因數不會引起系統發生諧振。當功率因數處于BC階段，說明線路功率因數非常高，其絕對值已經大于0.98，離功率因數1已經非常接近，此時如果不做處理，線路功率因數很可能進過1，不管是從容性到感性還是從感性到容性，系統都有發生諧振的可能，有危及設備運行安全的可能。在這一區間內，需要及時添加動態補償，讓功率因數到達CD段，功率因數數值既能滿足要求大于0.93，同時也離功率因數為1的情況更遠，避免了發生諧振可能性。若是功率因數直接在CD段上，則滿足要求，也不會發生諧振，動態補償不同容量。若線路的功率因數在D點意外的情況，則說明系統感性無功過多，需要減少動態補償或者是減小固定補償，使功率因數從新回到CD段上去。

根據上面的無功補償控制策略，重新對線路動態補償進行研究，分析各種負荷下投入多少動態補償容量，得到陽朔中間站動態補償調整控制策略后運行結果（見表2）。

表2陽朔中間站動態補償調整控制策略后運行結果

由仿真可以看出，當負荷投入15%、20%、25%時，電源側功率因數非常接近1，處于可能發生諧振的危險階段，此時需要及時投入無功補償，調節電源側功率因數。這3種負荷情況下的無功補償方案如表2所示，在系統容量分別在15%到25%的范圍內，投入不同容量的動態補償，改變功率因數所在區域，繞過可能發生諧振的危險區。改變控制方案后的功率因數都在感性0.97左右，電源側的功率因數避開了1這一區域，同時處于0.98到0.93這一區域內，滿足線路功率因數要求，同時也能達到一個較高的值。

3　結論

線路無功補償可能會有功率因數過1的情況，此時系統有發生諧振的可能性，嚴重甚至會導致設備無法工作、燒毀等情況。在無功動態補償的控制策略上進行研究，當功率因數在-0.98到0.98范圍內時，線路有發生諧振的風險，需要及時投入動態補償，將功率因數轉到0.93到0.98范圍內，這樣才能避免諧振發生的可能性。仿真結果驗證了這一動態無功補償控制策略的正確性。

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中圖分類號：U223.5+3

文獻標識碼：A

文章編號：1006-8686（2016）01-0012-04