牽引變電所動態無功補償裝置改造方案研究

韓嘯

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京102600）

1 概述

隨著電力機車的高速發展，如今的電力機車可進行自我無功補償。但一些年代稍久的鐵路線路，由于采用交直型電力機車，功率因數較低，影響了電力系統的電能質量。當電力系統的電能質量下降時，會導致電能損耗增加，造成電力資源浪費。因此，電力部門對電源側功率因數不滿足0.9 的牽引變電所進行罰款。為彌補線路上的無功功率，減少無功罰款，電容補償裝置應運而生。

2 無功補償裝置簡介

2.1 固定電容補償器

固定電容補償器通過投入固定數量的電容器來對線路上的無功功率進行補償，原理簡單但是靈活性差，尤其是對運量較小的鐵路線路，當線路上無車運行時，固定電容器仍在投運反而會使功率因數更低。但是由于其結構簡單，成本偏低，且對于中等運量的鐵路仍有一定的無功補償效果，因此目前多數牽引變電所仍采用這種補償方式。

2.2 動態電容補償器(SVC)

動態電容補償器可以通過調節投入運行的電容器數量來對線路上的負荷進行動態響應，當線路上負荷越大時投入的電容器越多，達到良好的無功補償效果。常見的動態電容補償裝置有晶閘管控制電抗器（TCR）式、晶閘管投切電容器（TSC）式、磁控電抗器（MCR）式[1]。晶閘管投切電容器型SVC 的原理是由多組并聯的晶閘管來控制容抗的大小，其中晶閘管只起到開關的作用，這種方式可以有效抑制諧波的產生，缺點是響應速度慢，不能很好的應對沖擊性負荷[2]。晶閘管控制電抗器式電容補償裝置中的晶閘管具有觸發延遲功能，通過此功能控制與其并聯的電容器形成連續、可控的感性電流，由于閥組容量大于電容組容量，使得整套裝置既能補償容性無功也能補償感性無功[3]。晶閘管控制電抗器式電容補償裝置直接連在高壓母線上，具有響應速度快、補償效果好的優點。但由于其晶閘管在高壓側，對晶閘管的耐壓水平的要求較高，在實際運行中的設備，時常會出現單體晶閘管損壞的情況，且TCR 型電容補償裝置結構復雜，后期運營維護成本高。磁控電抗器式電容補償裝置在其控制線圈連接有兩個晶閘管，在一個工頻周期內兩個晶閘管輪流導通，通過改變晶閘管控制角度，調節控制回路輸出的控制電流大小，進而控制線圈對應的鐵芯中產生的直流磁通量，以此來提供連續變化的無功功率。磁控電抗器的優點是結構原理簡單，本體抗沖擊能力強，通過控制晶閘管的控制角進行自動控制，實現連續補償，使用壽命長[4]。

3 雙流牽引所動補電容現狀及改造方案

3.1 雙流牽引所現狀

久永線雙流牽引變電所動補電容系統為2013 年投運，采用晶閘管控制電抗器投切的方式，電容器回路設備為室內布置，主要設備有電容器、室內濾波電抗器、電流互感器、放電線圈及避雷器等；閥組回路的一次側為室外布置，主要設備有相控電抗器、手動隔離開關及電流互感器，閥組為一層房屋布置，室內僅有晶閘管及控制屏。由于部分原因晶閘管部分損壞，B 相控制屏損壞，閥組室內二次電纜皆以拆除，其他設備外觀完好。現已不能投運，導致功率因數降低，不能滿足電力部門對于牽引變電所電源側功率因數不低于0.9 的要求，造成罰款。

牽引變電所現場設備型號及可利用情況如表1 所示。

表1 現場設備型號

牽引變電所現有電容器設備如圖1 所示。

圖1 既有電容器設備

3.2 電容器容量校核

根據《牽引供電系統并聯電容無功補償的計算條件和方法》（TB2009-87）中對牽引所并聯電容無功補償裝置的計算方法，無功補償裝置電容器的計算容量為[5]：

式中：Qx——無功補償計算容量，kvar；

cosφ1——補償前電源側功率因數；

cosφ2——補償后電源側功率因數標準值；取0.9；

PL——供電臂平均有功功率，kW。

電容器的安裝容量為：

式中：QC——無功補償安裝容量，kvar；

KΦ——運行條件系數（取1）；

α——補償度，取0.12；

UCH——電容器（組）標稱電壓，取42kV；

UM——二次母線額定電壓，取27.5kV。

根據以上公式，將雙流牽引所目前的功率因數及有功功率代入后，得到安裝容量為A 相8800kvar，B 相8400kvar，目前的電容器組容量滿足無功補償容量要求。

3.3 改造方案一

雙流牽引所目前為無人值班有人值守站，目前所內閥組已損壞，閥組控制屏主板擊穿。若維持晶閘管控制電抗器式的動態電容補償方式，則具體改造方案如下：

3.3.1 A 相控制屏現場檢查無明顯損壞，控制屏可正常開啟，但因室內二次電纜已拆除，未能進行晶閘管控制試驗，本次方案研究A 相控制屏，但投運前需要進行調試試驗。

3.3.2 B 相控制屏主板及屏體燒壞，B 相控制屏整體更新，原控制屏修復并作為站內備用，以便日后出現故障后及時更換故障器件。

3.3.3 更換損壞的閥組，規格參數與既有閥組設備相匹配。

3.3.4 室內閥組回路二次電纜更換為阻燃屏蔽電纜，閥組與綜合自動化系統連接電纜重新配置。

3.3.5 閥組回路室外設備及電纜利舊，電容器回路設備及電纜利舊。

3.4 改造方案二

對于晶閘管控制電抗器式的動態電容補償方式具有結構復雜、維護成本高等缺陷，本次改造方案提出將雙流牽引所動補電容改造為磁控電抗器式動態無功補償動補。具體改造方案如下：

3.4.1 既有電容器組回路設備及電纜利舊，原閥組回路改換為磁控電抗器回路。

3.4.2 磁控電抗器采用室外布置，根據牽引供電防火規范要求，油浸式磁控電抗器與主變壓器應有10m 以上間隔[6]。

3.4.3 磁控電抗器回路主要設備有電抗器、電流互感器、隔離開關、避雷器、MCR 端子箱等，此回路設備一次電纜從二層電容器室的母排通過穿墻套管穿出，在距地4 米位置改成電纜穿管的方式接入地下，利用電纜溝接入隔離開關。二次電纜從控制室走電纜溝接入電抗器。

3.4.4 新增磁控電抗器控制屏放置于控制室內。

3.5 保護配置

根據TB/T3309-2013 中的規定，動補裝置系統響應時間，無級連續調節方式應不大于50ms，分級調節方式應不大于4s，控制系統響應時間不大于15ms。同時，動態補償裝置中的所有設備應能耐受所要求的連續或短時過負載能力，在電壓和電流超過允許值時應能進行保護，通常1.1 倍過載應能連續運行，1.2倍過載運行時間不低于10s。

根據《牽引供電系統繼電保護配置及整定計算技術導則》（QCR687-2018）中規定，并聯補償電容器需要進行如下保護配置。

主保護：電流速斷保護、差電壓保護、差電流保護。

后備保護：過電流保護、全電流保護、過電壓保護、失壓保護。

4 方案總結比選

本文簡要介紹當前鐵路線路應用的幾種動態電容補償裝置，針對雙流變電所動態電容補償裝置的現狀，提出了兩種改造方案。方案一為維持晶閘管控制電抗器的動態電容補償方式，更換損壞的閥組及控制屏，更換阻燃屏蔽電纜以提高電纜的屏蔽性，防止閥組工作時產生的干擾，此方案投資較少，施工周期較短，缺點是結構復雜，后期維護成本高。方案二將閥組回路改換為磁控電抗器回路，此方案后期維護簡單，穩定性好，缺點是投資較高，施工相對復雜，且磁控電抗器為油式電抗器，根據防火規范需放置于室外，且距變壓器距離大于10m，需要牽引所室外具備一定的閑置地域，對于既有牽引所改造有一定難度。