高速鐵路運營初期增設無功補償裝置研究

盧文波

（京沈鐵路客運專線遼寧有限責任公司，沈陽 110001）

牽引變電所功率因數偏低除了會降低發電機有效利用率、增大輸電線路電能損失外，還會增加鐵路企業的電費支出。電力部門會對功率因數不達標的牽引變電所增收額外的罰款。

1 運行狀況

1.1 牽引供電系統及設計運量概況

京沈客專遼寧段共8座牽引變電所，各牽引變電所采用線路變壓器組接線方式，所內設置4臺牽引變壓器，每2臺構成V/X接線，容量均為40 MVA。

該區段設計運量為92～108對動車組，經過計算功率因數大于0.9，在牽引變電所內不設置無功補償裝置。

1.2 運行狀況

2018年12月底京沈客專正式開通運營，開通初期安排牛河梁—沈陽開行8對列車，朝陽—沈陽開行15對列車，阜新—沈陽開行18對列車，新民北—沈陽開行28對列車（其中部分列車不逐日開行）。各牽引變電所2018年3月1日—2018年3月18日有功電度、無功電度、功率因數統計情況如圖1～圖4所示。

如圖1～圖4所示，京沈客專在2019年3月份牽引變電所無功電量較高，平均功率因數未能達到0.9。

圖1 牛河梁所電度、功率因數

圖2 烏蘭和碩所電度、功率因數

圖3 朝陽北所電度、功率因數

圖4 馬友營電度、功率因數

2 原因分析

京沈客專設計運量初期牛河梁—沈陽92～108對列車；目前實際運量為14～24對，為設計運量的9%～26%，造成牽引供電系統大部分時間處于空載。京沈客專遼寧段各牽引變電所設計與開通初期實際年用電量對比見表1。

表1 設計與開通初期實際年用電量對比表

牽引供電系統在空載時主要2部分產生無功，一是牽引變壓器、自耦變壓器產生的感性無功，另一種是牽引網產生的容性無功。

2.1 變壓器空載無功

若牽引變壓器、自耦變壓器空載電流百分比0.12%計算（取試驗報告平均值），牽引變壓器容量為（40+40）MVA，AT所自耦變壓器容量為32 MVA，分區所自耦變壓器容量為25 MVA，則：

牽引變電所牽引變壓器空載無功功率Qss≈96 kvar，AT所自耦變壓器空載無功功率QAT≈76.8 kvar，分區所自耦變壓器空載無功功率Qsp≈60 kvar，以上各變壓器產生的均為感性無功。

2.2 牽引網產生無功

牽引網在空載時，其電氣模型如圖5所示，牽引變壓器視為電源，牽引網自身形成電抗和對地形成電容，根據情況可將接觸網分為若干個電容電感串聯回路，為便于計算，一般可按每千米分割成單位長度。

圖5 牽引網空載時的電氣模型

根據電路原理，牽引網單位長度電容和電感產生的無功計算為式（1）：

京沈客專采用AT供電方式，其牽引網產生的容性無功大于直供方式，AT供電方式牽引網電容計算模型如圖6所示。

圖6 AT供電方式牽引網電容計算模型

TR間電容為式（3）：

TN線間電容為式（4）：

式中：R為導線半徑；H為對地高度；ε0為空氣介電常數；D為接觸網與保護線間距離。

TF、FN線間電容參照TN。

牽引網單位長度產生的電容可按照并聯電容計算原理進行疊加，為式（5）：

供電臂對地電容為式（6）：

式中：l為供電臂長度；k為由于錨段關節產生的系數，一般為1.05～1.15。整個供電臂牽引網空載無功為式（7）：

由于京沈客專部分供電線采用電纜方式，電纜產生電容效應較大，同時線路采用無砟軌道以及橋隧比例大，接觸網對道床、橋、隧道的鋼筋也會產生電容效應，故實際牽引網無功不易準確計算，其值要大于上述理論計算值。

表2 牽引變電所空載無功統計表

2.3 無功計算分析

通過上述分析牽引變電所在空載時牽引網產生的容性無功要大于變壓器產生的感性無功，綜合變壓器和牽引網無功，京沈客專遼寧段牽引變電所空載無功功率為容性800～1 400 kvar［1］。

由統計數據分析可知，京沈客專牽引變電所功率因數低的主要原因是牽引網容性無功較大所致，牽引變電所在空載時呈現容性無功。因此只需在牽引變電所增設感性無功補償裝置來抵消牽引網空載無功，提高功率因數。

3 無功補償方案

3.1 方案比選

目前鐵路上采用的無功補償分為固定電抗補償和動態無功補償。動態無功補償裝置主要有MCR型SVC，TCR型SVC，SVG等。各方案主要技術特點對比見表3。

表3 無功補償裝置技術比較表

通過前面分析可知，本線功率因數偏低的主要原因是線路空載時的容性無功，經技術比選，建議采用MCR裝置進行補償，不設電容器組（FC）支路，或采用固定電抗器進行補償。

3.2 經濟分析

經技術比選后確定如下3個有意義的補償方案：

（1）每個牽引變電所內增設1套MCR裝置，只對一相進行動態無功補償。

（2）每個牽引變電所內增設2套MCR裝置，分別對兩相進行動態無功補償。

（3）每個牽引變電所內增設2套電抗器，分別對兩相進行固定無功補償。

下文將從節約電費和成本回收期角度對上述3個方案進行經濟比選。

目前電氣化鐵路向電力部門所繳電費主要包含3部分：基本電費、電度電費和功率因數調整電費。牽引變電所功率因數的高低直接影響鐵路部門每月繳納電費的數額

京沈客專目前基本電費按實際需量法收取，單價為33元/（kW?m），電度電費按0.492 6元/（kW?h）收取，力率電費根據實際功率因數按上表分別計算。按MCR動態補償和固定電抗器補償后各牽引變電所的功率因數達到0.9以上考慮，3個月力率電費節約情況見表4。

通過表4可以看出，當補償方案都達到了較為理想的補償效果時，功率因數達到0.9的標準，將力率電費減少為0元，這3個所3個月可節約電費約326萬元，平均每個月每個所節約電費約36萬元。

表4 牽引變電所節約電費預測表

每套MCR裝置的工程投資按121萬元計算，每套固定補償裝置按86萬元計列，計算各方案所節約電費額和成本回收期見表5。

表5 各補償方案節約電費額和成本回收期

4 結束語

由計算結果和節約電費預測，在高速鐵路聯調聯試和開通初期，牽引變電所功率因數較低，通過增設MCR補償裝置或固定電抗器補償等方式，提高功率因數，減少力率電費支出的效果明顯。

針對具體的線路，其電容電流為固定值，可采用結構簡單、造價低的固定電抗器補償方案。但隨著牽引負荷的增加，固定電抗器補償可能會造成“過補”，針對此情況下，建議采用MCR裝置進行動態補償［2］。

電容電流的存在會導致接觸網末端電壓升高，在電壓升高不影響運行情況下，盡可能采用單一供電臂設置補償裝置。

文中對牽引變電所增設補償裝置提出了初步構思和設想，具體技術細節、產品研發、制造、試驗等問題還有待深入研究。