鐵路電力供電系統無功補償研究

朱兵

【摘 要】研究鐵路電力供電系統的無功補償，可以有效的將鐵路補償容量選擇不合理、設備選型不穩定的現象進行徹底解決，同時降低鐵路供電線路的損耗，確保鐵路供電系統的穩定性。通過對電力系統無功補償裝置及無功補償計算方式的研究，結合實際供電情況，對鐵路電力供電系統的無功補償進行深入研究。

【關鍵詞】鐵路電力;供電;無功補償;研究

1、無功補償的配置原則

為了最大限度地減少無功功率的傳輸損耗，提高輸配電設備的效率，無功補償設備的配置，一般放在變配電所中，主要采取高壓電容補償的辦法。這一配置可以同時完成兩種功能，一是針對地方電業局對指標參數的考核看，完成了國家對功率因數不得低于90%的技術要求，達到了國家電力部門對功率因數的考核要求。二是單從經濟技術指標的考核看，也達到了上級考核的要求。因此，多年來在變配電所中以高壓電容器來對配電網絡中的無功功率進行補償一直做為鐵路電網無功補償的主要方式，而在用戶端低壓安裝無功補償的則極為少見。

2、無功功率的產生源頭

從鐵路電力網無功功率消耗的基本狀況可以看出，鐵路電力網絡主要為10kV及以下的配電網絡，其無功損耗主要來源于兩個方面，一是網絡損耗，主要是高低壓網絡中的損耗，主要是變電所的主變和配電變壓器。二是各低壓電力用戶，較大的主要是機務段、車輛段以及各部、局屬工廠的動力設備，其次還有房產段采暖動力設備和給水設備。但與高低壓配電網絡的無功損耗相比，各大高低壓用戶所占比重要遠遠大得多。這里就產生了一個問題：在鐵路供電網絡中，大量的在用戶低壓終端產生的無功負荷，確要通過幾乎整個網絡的輸送，而是在網絡的首端—變配電所中去補償。那么在這一個不合理的路徑循環中，就產生了大量的不必要的損耗。必須采取電力部門補償與用戶補償相結合。

3、普速鐵路電力供電系統補償研究

3.1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。

3.2并聯電容器補償方案

3.2.1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。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10kV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。

3.2.2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。

3.3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，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10kV和35kV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。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。

4、鐵路電力供電系統補償研究

4.1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。（1）晶閘管控制電抗器（TCR）。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。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。

4.2SVG靜止無功發生器

SVG靜止無功發生器是將電壓型自換相橋式電路通過電抗器并聯在電網上，當只考慮基波頻率時，SVG動態無功補償裝置可等效視為幅值和相位均可控的一個與電網同頻率的交流電壓源，適當調節交流側輸出電壓的相位和幅值，當其幅值大于系統側電壓幅值時輸出容性無功，小于時輸出感性無功。靜止無功發生器中最核心的器件是變頻器，如果變頻器的脈寬恒定，通過改變系統電壓與變頻器輸出電壓間夾角，變頻器DC側的電容電壓可以得到調節，使逆變器產生滿足要求的無功補償電流，使SVG發出或者吸收無功功率。SVG靜止無功發生器的優點是響應時間快、運行范圍寬，既可補充感性負荷，也可以補償容性負荷，高次諧波含量低，占地面積小，安全性高。缺點是控制復雜，成本高。

5、結論

目前，在鐵路供電管理中，并沒有對無功補償的方式進行有效的調整，現在所采用的基本上是以變配電所的高壓集中補償為主。而低壓終端用戶所需的大量無功負荷卻由變配電所通過高壓干線經變壓器再經低壓線路來提供。從而在無端產生了大量損耗的同時，對加大了線路電壓降，影響了網絡供電能力。而在諸多的小型變配電所的設計、建設中，又一概加入了電容補償裝置，既浪廢了投資，又增加了一次結線的復雜程度，非常不利于運行的操作與安全。

參考文獻：

[1]周建豐，顧亞琴.無功補償裝置的發展及性能比較分析[J].四川電力技術，2017，30（4）：59-62.

（作者單位：蘇北鐵路工程建設指揮部）