鐵路電力線路動態無功補償方案

文/曹永亮

1 鐵路電力線路動態無功補償方式分析

充分利用補償技術對鐵路電力線路的電容電流進行合理補償是確保鐵路能夠持續、穩定的運行的關鍵所在。

現階段存在集中補償、分散補償、固定補償、動態補償四種補償方式。但是，因為高速鐵路電力供電系統在不同時間會有不同的運行方式，不同的運行方式會造成負荷電流的變化，而電纜線路的電流也會隨著負荷電流的變化而變化，所以，我國目前采用的是固定補償和動態補償相結合的方式，即固定補償是在沿著鐵路線路建立的作為沿線信號中繼站的箱式變電站安裝并聯電抗器，動態補償是在電力鐵路線路的變電站中安裝動態補償裝置。

目前高速鐵路電力供電系統中采用的動態無功補償方式有以下幾種：

1.1 分組投切電抗器的補償方式

分組投切電抗器的補償方式所利用到的裝置是成套補償裝置、計算機、真空接觸器、大數據分析等技術。其中成套補償裝置是3個不同容量的電抗器；計算機是分析功率因素、線路無功情況對成套補償裝置進行控制；真空接觸器是接收到計算機命令，對電抗器進行自動投切；大數據技術是根據無功補償數據做出合理化的投切方案。分組投切電抗器的補償方式是出現無功-大數據做出優化方案-計算機根據方案發出命令-真空接觸器進行自動投切。分組投切電抗器補償方式可以設置自動操作，用計算機不僅可以控制分組投切裝置的動作和次序，還可以設定功率因數，這樣不僅避免了投切過程中振蕩情況的出現，還保證了裝置動作的精準性，有利于系統可靠性的提高。

1.2 相控電抗器的補償方式

相控電抗器的補償方式，可以自動跟蹤供電系統電壓和無功的變化，通過控制晶閘管的導通角來連續調節電抗器的電流，把功率因數補償至要求的范圍之內，從而實現無功補償。在實際運作中，一般會遇到這兩種情況：當功率因數的絕對值超出要求范圍的時候，相控電抗器補償裝置就會停止工作，不進行無功補償；當功率因素不滿足電力鐵路線路所要求的范圍時候，系統就會自動跟蹤供電系統電壓和無功的變化進行無功補償。自動進行動態補償，直至功率因數達到設定值。這種補償方式的補償效果好，但是因結構復雜，自身的穩定性比較差，后期維護的專業性很強。

1.3 磁閥式可控電抗器的補償方式

改變電抗器的容量是磁閥式可控電抗器進行動態無功補償的手段。怎么改變改變電抗器的容量呢？首先控制電抗器鐵心飽和程度，而電抗器鐵心飽和程度又是由電抗器中電流大小決定的，其中電抗器中電流大小的改變主要是通過晶閘管的觸發角來進行控制的，通過一系列的自動操作控制電抗器容量來限制過電壓或補償鐵路電力線路產生的無功，使功率因數達到要求的數值。為了使磁閥式可控電抗器結構簡單、損耗降低、制作成本降低，并更好的對鐵路電力線路進行動態無功補償，將磁閥式可控電抗器的工作繞組和控制繞組放在一起；此外，磁閥式可控電抗器的鐵心一般會分為兩個部分，每一部分鐵心的截面都具有可控磁飽和度，就像前面講的控制電抗器鐵心飽和程度就能控制電抗器容量。由此可見，這種補償方式的優勢非常明顯：損耗低，可以降低成本，節約開支；補償效果好，則可以更好地進行鐵路電力線路的動態無功補償。

2 鐵路電力線路動態無功補償方案

某鐵路股份有限公司鐵路電氣化開通，全線鐵路為貨物專線，全線主要采用SS3型機車進行牽引，導致產生大量高次諧波，嚴重影響電能質量，且平均功率因數約0.8，每月力率罰款電費14萬左右。因此，我們針對這一現狀進行研究，決定采用磁閥式動態補償（MSVC)進行整治，下面以某鐵路電力線路為例，就整治的具體情況進行分析。

2.1 鐵路電力線路基本情況

全線主要采用SS3型機車進行牽引，采用交流電流制（單相工頻制）的電力機車，交-直方式的傳動方式，在運輸過程中有豐富的3、5、7次諧波含量。

2.2 動態補償方案

2.2.1 技術選型概述

目前該線路采用主要采用靜止型動態補償裝置，主要由并聯電容器組和可調電抗器并聯組成；其中電容器支路提供容性無功并抑制諧波，當需要調節裝置補償容量時，只需改變可調電抗器的輸出容量，就可以實現無功功率連續快速可調。目前普遍應用的SVC主要有晶閘管控制電抗器和磁閥式可控電抗器兩種，其補償效果是一樣的，主要區別在于可調電抗器的調節方式。在鐵路牽引變電站常用磁閥式可控電抗器進行動態補償，因為晶閘管控制電抗器動態補償裝置比磁閥式動態補償裝置結構復雜、運維工作量大、運行成本高、所占面積大。因此，此鐵路線路的無功補償裝置選用兩套磁閥式動態無功補償技術裝在電力鐵路線上。

2.2.2 方案設計

（1）基波補償容量：功率因數必須大于等于0.95，根據實際需求在A、B兩個供電臂27.5kV母線上安裝的電容器容量分別為6000kVar、6000kVar（單臺電容器額定電壓8.4kV，能在1.36倍的工頻額定電壓下連續運行），電容器支路在額定電壓27.5kV時有效補償容量為4567kVar、4567kVar，當線路電壓在29kV時有效補償容量為5080kVar、5080kVar。

（2）磁控電抗器容量：配置磁控電抗器的目的將電纜及接觸網容性充電功率向系統倒送無功，磁控電抗器和電容器支路是否配合使用的是根據不同時段輸出容量的變化決定的，是根據，無論是磁控電抗器單獨使用還是磁控電抗器和電容器支路之間配合都可以實現無功補償裝置連續動態補償。

（3）電容補償支路設計：電容補償支路設計按照12%的電抗率設計并采用單調諧濾波器。

2.2.3 磁控式動態無功補償裝置工作原理

（1）成套裝置工作原理：電容補償支路、磁控電抗器組成了成套裝置磁閥式動態補償裝置，成套裝置磁閥式動態補償裝置實現動態無功補償的連續性的過程是安裝在母線上的電容補償支路通過不同時段輸出容量的變化決定的是否與磁控電抗器配合，磁控電抗器調節電抗器容量的方式。

（2）磁控電抗器（MCR）工作原理：成套裝置磁閥式動態補償裝置最主要的元件就是磁控電抗器，它通過控制電抗器鐵心飽和程度而進行電抗器容量的控制。具體的控制步驟是電抗器鐵心飽和程度由電抗器中電流大小決定的，電抗器中電流大小的改變主要是通過晶閘管的觸發角來進行控制的，通過一系列的自動操作控制電抗器容量來限制過電壓或補償鐵路電力線路產生的無功，使功率因數達到要求的數值。

2.2.4 應用效果測試

動補裝置投入運行后，系統電壓在26.4kV～28.8kV；動補裝置控制點（27.5kV側)功率因數大于0.95，3次、5次、7次諧波電流95%的概率值分別為21.65A、18.46A、9.864A。

3 結論

鐵路電力線路無功波動具有隨機性，整體功率因數很低，導致力率調整電費高昂，而機車產生的大量高次諧波嚴重影響電能質量，因此必須進行治理。本文通過對磁閥式動態補償裝置在某鐵路電力線路實際應用后的數據分析，表明其對提高功率因數、濾除系統諧波具有明顯效果，且裝置本身優勢明顯，較其它類型動態無功補償裝置更適應牽引變電所相對惡劣的使用環境，是理想的技術選擇。