鐵路變配電所無功補(bǔ)償方案的研究

孫富華

（上海局集團(tuán)公司徐州供電段，江蘇 徐州 221004）

0 引 言

鐵路變配電網(wǎng)系統(tǒng)中廣泛存在電力變壓器、交流電動機(jī)、交流電抗器等感性負(fù)載以及電纜、架空線等呈現(xiàn)容性的輸電線路材料，這些負(fù)載和輸電線路都會在運(yùn)行的變配電網(wǎng)上產(chǎn)生大量的無功功率（無功功率又稱為力率）。

無功功率給鐵路變配電網(wǎng)帶來的危害主要有增大了輸電線路中的電流，在線路電阻上產(chǎn)生額外的電能損耗；增大了鐵路變配電網(wǎng)系統(tǒng)的供電容量，降低了線路和變壓器的利用率和供電能力；增大了線路電壓降，影響了電壓的穩(wěn)定[1]。此外，無功功率會使變配電所電源的功率因數(shù)指標(biāo)降低，造成電網(wǎng)公司的經(jīng)濟(jì)懲罰，每年給鐵路帶來了不小的經(jīng)濟(jì)損失[1，8]。而無功補(bǔ)償技術(shù)能夠改善電網(wǎng)的無功功率，從而提高功率因數(shù)，降低電能損耗以及提高設(shè)備利用率和變壓器供電能力。因此，研究變配電所內(nèi)的無功補(bǔ)償方案具有實際應(yīng)用價值。

傳統(tǒng)的變配電所安裝電容裝置來補(bǔ)償線路上設(shè)備產(chǎn)生的感性無功[2-4]，但隨著近年來電力電纜等容性輸電線路的使用，電網(wǎng)中產(chǎn)生了過多的容性無功，因此傳統(tǒng)的電容補(bǔ)償方式不在適合用于現(xiàn)代化高鐵線路的補(bǔ)償，新型的電抗器感性補(bǔ)償裝置將會更廣泛地應(yīng)用到電氣化鐵路變配電所中[5-7]。

考慮到電網(wǎng)公司在地方測量點處的功率因數(shù)與變配電所內(nèi)的功率因數(shù)不一致，從而造成罰款的因素，文章提出了一種無功功率測量和補(bǔ)償裝置容量確定的新算法的具體方案，該方案將電網(wǎng)測量點新的因子考慮在內(nèi)，能夠避免電網(wǎng)公司的罰款，提高設(shè)備利用率，該方案應(yīng)用到現(xiàn)場中，取得了很好的效果。

1 以某電力配電所無功補(bǔ)償現(xiàn)狀為例分析

某10 kV配電所電源一路，饋出線路上安裝了一臺50 kvar的箱式電抗器，所內(nèi)電源一處測量的有功功率84.17 kW，容性無功功率107.93 kvar，功率因數(shù)為0.61。其中電源線路電纜長度是2.07 km，型號為YJV22-3×185；饋出線路電纜全長18.7 km，采用YJV22-3×70。所內(nèi)電源一路調(diào)壓器的容量400 kVA。圖1為配電所供電線路簡圖。

對于電源電纜YJV22-3×185電纜，其電容值為0.38 μF/km，則2.07 km長的電纜線路等值電路計算如下。

電纜的電容值C：

電纜的充電電容性無功功率Qc：

其中，Uφ為相電壓，U為線電壓，取運(yùn)行電壓10 kV。

從野蠻到文明，人類的進(jìn)化漫長而又殘酷。可是，善惡、美丑、真假、忠奸、好壞等等，永遠(yuǎn)會此消彼長，兩相對壘，無休無止，循環(huán)往復(fù)。

容抗Xc：

其中，W為角頻率；C為電容值；f為頻率，取值50；π取值3.14。

則電源電纜產(chǎn)生的無功功率Qc1：

對于饋出線路電纜YJV22-3×70，其電容值0.27 μF/km，全長18.7 km，亦可算出一級貫通線路產(chǎn)生的無功功率Qc=158.5 kvar。

現(xiàn)在在饋出線路上只安裝了一臺50 kvar的箱式電抗器，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠用于補(bǔ)償容性無功的。現(xiàn)場也經(jīng)實地測試得出有功功率P=84.17 kW，容性無功功率Qc2=107.93 kvar，功率因數(shù)PF1=0.61=cosφ，從數(shù)據(jù)也可看出，即使電抗器全投以及感性負(fù)荷的抵消，還有107.93 kvar容性無功沒有補(bǔ)償?shù)簟?/p>

2 補(bǔ)償裝置增加容量QB的計算

由于現(xiàn)在配電所功率因數(shù)PF1=0.61=cosφ1，無功功率呈容性，所以采取過補(bǔ)償?shù)姆绞剑寡a(bǔ)償后的無功功率呈感性，且預(yù)計讓配電所功率因數(shù)提高到PF1=0.97=cosφ2，這樣使多余的感性無功用于抵消地方電源到配電所的電源電纜引起的容性無功，從而提高地方測量點處的功率因數(shù)。

補(bǔ)償量的計算方式如下：

QB即為需要增加的補(bǔ)償裝置容量。多余的感性無功ΔQB：

可以大部分抵消掉地方電源到配電所電源電纜引起的容性無功QC1=24.7 kvar，使得電力公司獲得功率因數(shù)PF2：

電力公司獲得功率因數(shù)在0.90以上，避免了電力公司的電費(fèi)罰款。

3 變配電所無功補(bǔ)償方案

3.1 變配電所增補(bǔ)容量QB確定的具體步驟

（1）相關(guān)原始數(shù)據(jù)采集：通過使用電能質(zhì)量測試儀在配電所電源側(cè)實測線路，獲取該線路的有功功率、無功功率、功率因數(shù)。

（2）確定無功補(bǔ)償裝置增補(bǔ)容量的初始值：根據(jù)式（5）分析方法算出變配電所功率因數(shù)調(diào)整為PF1=0.90～1下的無功補(bǔ)償裝置的增補(bǔ)容量QB。

（3）確定電網(wǎng)公司測量點的功率因數(shù)PF2：根據(jù)電網(wǎng)公司到變配配電所之間電源電纜的線路長度、型號，仿照第1章公式（1）、（2）、（3）、（4）和第2章公式（6）、（7）分析計算公式得出這部分電源電纜產(chǎn)生的無功功率，以及電網(wǎng)公司測量點處的功率因數(shù)PF2。

（4）循環(huán)判斷，確定無功補(bǔ)償裝置增補(bǔ)容量的最終值：若電網(wǎng)公司測量點處的功率因數(shù)PF2數(shù)值在0.9～1，則無功補(bǔ)償裝置增補(bǔ)容量為QB，反之，回到步驟（2）重新調(diào)整PF1值重新算出無功補(bǔ)償裝置的增補(bǔ)容量QB。

實施步驟流程如圖2所示。

3.2 電能質(zhì)量測試儀

圖3是電能質(zhì)量質(zhì)量測試儀測量效果，電能質(zhì)量測試儀能夠準(zhǔn)確測出設(shè)備運(yùn)行的無功功率、有功功率、功率因數(shù)，且數(shù)據(jù)反映了功率因數(shù)無功的方向、負(fù)載的感性或容性。變配電所功率因數(shù)、無功功率和有功功率的數(shù)值與性質(zhì)均可以通過電能質(zhì)量測試儀準(zhǔn)確測出，為后續(xù)無功功率的補(bǔ)償和功率因數(shù)的改善提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參數(shù)。

圖2 確定變配電所增補(bǔ)容量QB流程圖

圖3 電能質(zhì)量測試測量圖

3.3 變配電所無功補(bǔ)償裝置確定

變配電所內(nèi)集中補(bǔ)償裝置建議采用戶內(nèi)10 kV干式磁控電抗器（見圖4）。該裝置能提供感性無功補(bǔ)償，特點是可以實時跟蹤負(fù)載的無功變化，控制磁控電抗器輸出感性無功容量，實現(xiàn)無功功率動態(tài)連續(xù)調(diào)整，并可以使高壓側(cè)功率因數(shù)控制在負(fù)荷高峰時大于等于0.93，在低谷時小于0.98，有效地減少了電網(wǎng)的無功功率輸出，提高了鐵路變配電系統(tǒng)的實時功率因數(shù)，降低貫通線路有功損耗和穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。因此，該裝置適合作為配電所內(nèi)集中補(bǔ)償方式以及解決電纜長距離輸電導(dǎo)致的無功倒送問題的方式。

目前，該裝置已在多個變配電所內(nèi)投入試運(yùn)行，功率因數(shù)均達(dá)到電網(wǎng)公司規(guī)定范圍內(nèi)，減少了地方供電公司經(jīng)濟(jì)罰款，設(shè)備容量利用率也得到了提高，取得了很好的無功補(bǔ)償效果。

圖4 變配電所投入運(yùn)行的干式磁控電抗器

4 結(jié) 論

本文以某鐵路電力變配電所為例進(jìn)行了無功功率的詳細(xì)分析，確定了增加無功補(bǔ)償容量新算法的具體方案。該方案既能改善設(shè)備運(yùn)行效率又能減少供電公司的巨額罰款，提高了經(jīng)濟(jì)效益。該方案為鐵路變配電所無功功率改善或無功補(bǔ)償裝置容量的確定提供了高效的借鑒，可廣泛應(yīng)用于鐵路系統(tǒng)中。