鐵路電力貫通線路動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方案探究

中鐵十一局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司 羅 明

1 引言

一般情況下，鐵路線路改造環(huán)節(jié)中，沿線的電力貫通線路普遍負(fù)荷較小，用電負(fù)荷不會(huì)產(chǎn)生明顯變化，負(fù)荷與架空線路之間產(chǎn)生了容性電流，這種電流通常會(huì)跟隨電纜與線路的比例而變化，并引發(fā)線路供電無功負(fù)荷問題以及線路損耗問題，嚴(yán)重情況下會(huì)造成調(diào)壓器過負(fù)荷。面對(duì)這一情況，有必要加強(qiáng)對(duì)容性電流的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，保持線路供電安全。

2 鐵路電力貫通線路動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方式分析

針對(duì)鐵路沿線的電力貫通線路，決定采取固定補(bǔ)償聯(lián)合動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆绞剑丛谘鼐€信號(hào)中繼站搭設(shè)并聯(lián)電抗器，以此作為固定補(bǔ)償；在變電站內(nèi)加設(shè)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，以此作為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，其中用到的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償主要有以下三種。

2.1 分組投切電抗器補(bǔ)償方式

掌握線路運(yùn)行的實(shí)際情況，分組投切電抗器無功補(bǔ)償裝置一般是使用成套設(shè)備，在真空接觸器與計(jì)算機(jī)大數(shù)據(jù)的幫助下分析數(shù)據(jù)，使三個(gè)容量不同的電阻器一同構(gòu)成補(bǔ)償裝置，隨后按照線路當(dāng)前無功情況完成功率因數(shù)分析，以此更好的控制補(bǔ)償裝置。實(shí)際上真空接觸器主要接收源于計(jì)算機(jī)的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電抗器的投切管理，再按照無功補(bǔ)償數(shù)據(jù)選擇投切方案。這種補(bǔ)償方式能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化操作，計(jì)算機(jī)在控制投切裝置動(dòng)作的同時(shí)可對(duì)功率因數(shù)加以設(shè)置，防止投切期間出現(xiàn)任何振蕩的情況，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性[1]。

2.2 相控電抗器補(bǔ)償方式

這種補(bǔ)償方式能夠?qū)崟r(shí)跟蹤電壓與無功的實(shí)際變化情況，以控制晶閘管導(dǎo)通角的方式完成電抗器電流的調(diào)節(jié)工作，最終將功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)筋A(yù)期范圍中，以此達(dá)到無功補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｏ嗫仉娍蛊餮a(bǔ)償期間常會(huì)出現(xiàn)以下情況：功率因數(shù)絕對(duì)值大于限定范圍后，補(bǔ)償裝置暫停工作，不再繼續(xù)無功補(bǔ)償；功率因數(shù)無法滿足線路所需時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤電壓與無功變化，繼續(xù)完成無功補(bǔ)償。這種自動(dòng)式無功補(bǔ)償要求功率因數(shù)達(dá)到預(yù)期系統(tǒng)設(shè)定值，只有這樣才能保持補(bǔ)償效果，但由于系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，后期需要安排專業(yè)人員加強(qiáng)維護(hù)[2]。

2.3 磁閥式可控電抗器補(bǔ)償方式

與其他補(bǔ)償方式不同，基于磁閥控制原理下的補(bǔ)償方式需要調(diào)整電抗器的容量，以此作為無功補(bǔ)償?shù)谋匾侄巍Ｒ揽烤чl管觸發(fā)角控制電流大小，再經(jīng)過相應(yīng)的自動(dòng)化操控，實(shí)現(xiàn)電抗器容量的有效控制，以此補(bǔ)償線路無功，也讓功率因數(shù)達(dá)到需求數(shù)值。電抗器鐵心主要包含兩部分，每部分鐵心截面都會(huì)有著可控的磁飽和度。與其他兩種無功補(bǔ)償方式相比，磁閥式電抗器無功補(bǔ)償不僅耗損低，補(bǔ)償效果更好，無需投入過多成本即可達(dá)到補(bǔ)償效果。

3 鐵路電力貫通線路動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方案

3.1 線路容性電流分析

實(shí)施線路無功補(bǔ)償?shù)囊饬x在于提高功率因數(shù)，盡可能地減低設(shè)備容量和功率損耗，時(shí)刻維持電壓穩(wěn)定，提高電力供電質(zhì)量，從而滿足鐵路線路長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)妮旊娨蟆?shí)際上，實(shí)施無功補(bǔ)償?shù)哪康脑谟谙裏o功電流在線路內(nèi)的有功損耗，因負(fù)載而形成的無功功率與電力變壓器形成能量交換時(shí)，電流將會(huì)越過導(dǎo)線產(chǎn)生發(fā)熱的現(xiàn)象，此時(shí)發(fā)熱就屬于有功損耗。采用動(dòng)態(tài)感性補(bǔ)償方式，在貫通母線處經(jīng)過斷路器的位置T接感性無功補(bǔ)償裝置，以此用來補(bǔ)償容性無功，調(diào)整補(bǔ)償量，同時(shí)增加一路饋出。

但是這種補(bǔ)償方式容易受到場(chǎng)地的限制，成本偏高，裝置需要安裝在10kV的鐵路貫通線路母線段位置，具有補(bǔ)償電源容性無功的作用，在提升功率因數(shù)的同時(shí)全方位保障鐵路全線的供電質(zhì)量。經(jīng)過研究得知，貫通線路沿著鐵路主要呈現(xiàn)出帶狀的分布方式，線路中容性電流偏大，架空線路會(huì)產(chǎn)生較少感性電流，從貫通線路末端一直到配電所首段，整個(gè)區(qū)域內(nèi)的容性電流是逐漸加大的。一般情況下，貫通線路由A配電所負(fù)責(zé)主供供電臂，B所負(fù)責(zé)備供。A所在進(jìn)行設(shè)備檢修或者系統(tǒng)故障處理時(shí)會(huì)由B所來主供供電臂。當(dāng)整條線路設(shè)備都要維修時(shí)，線路開關(guān)可以采用開口運(yùn)行的方式，A和B兩個(gè)配電所能夠完成分段供電[3]。由此，線路容性電流大小會(huì)因?yàn)楣╇姺绞蕉淖儭?/p>

3.2 技術(shù)選型與方案設(shè)計(jì)

用于電力線路中的無功補(bǔ)償方案較多，如使用靜態(tài)補(bǔ)償器、并聯(lián)電容器等補(bǔ)償裝置達(dá)到預(yù)期補(bǔ)償效果。無功補(bǔ)償就是指在交流非純阻性系統(tǒng)內(nèi)采用感性負(fù)載的辦法發(fā)出無功功率，以此補(bǔ)償系統(tǒng)內(nèi)容性負(fù)載所吸收的無功功率，從而達(dá)到雙方無功功率平衡的效果。簡(jiǎn)而言之，無功補(bǔ)償就是將帶有感性功率和容性功率的負(fù)載裝置并聯(lián)在同一條電路中，感性負(fù)載裝置釋放出能量的同時(shí)，容性負(fù)載裝置吸收能量；容性負(fù)載裝置對(duì)外釋放能量的時(shí)候，感性負(fù)載可以吸收能量，此時(shí)能量會(huì)在容性負(fù)載和感性負(fù)載之間相互轉(zhuǎn)換，以此實(shí)現(xiàn)無功功率的補(bǔ)償。

用于鐵路電路貫通線路中的補(bǔ)償方式主要為集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償兩種，前者一般將補(bǔ)償裝置安裝在配電所中，設(shè)備數(shù)量比較少，人們可以在配電所內(nèi)集中完成設(shè)備的運(yùn)檢維修工作，降低了運(yùn)營(yíng)維護(hù)難度。相比之下，分散補(bǔ)償方式就是將無功補(bǔ)償分別在鐵路沿線分散設(shè)置，以此提升鐵路電能質(zhì)量，最大限度降低線路損耗，但是相對(duì)應(yīng)的裝置檢修與維護(hù)難度比較大，這種無功補(bǔ)償方式更容易受到氣候環(huán)境與地質(zhì)條件等因素的影響。

對(duì)于方案設(shè)計(jì)部分，相應(yīng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：一是基波補(bǔ)償容量，要求功率因數(shù)超過0.95，按照實(shí)際情況在A和B兩個(gè)供電臂的27.5kV母線處安裝電容器，其中A供電臂的電容器容量為6000kVar，B供電臂的容量也是6000kVar，單臺(tái)電容器電壓值額定8.4kV，可以在1.36倍電壓下運(yùn)行，支路上的額定電壓是27.5kV，此時(shí)A和B兩個(gè)供電臂的補(bǔ)償容量同時(shí)達(dá)到4567kVar，如果線路電壓達(dá)到了29kV，此時(shí)補(bǔ)償容量就會(huì)變?yōu)?080kVar，這就是方案中的基波補(bǔ)償容量情況。

二是磁控式電抗器容量，安裝這種電抗器可以實(shí)現(xiàn)電纜容性充電功率朝著系統(tǒng)的方向倒送無功，依據(jù)各個(gè)時(shí)段線路輸出的容量變化判斷電抗器與電容器支路配合情況，無論是對(duì)電抗器單獨(dú)應(yīng)用，或是電抗器與電容器聯(lián)合使用，都可以達(dá)到預(yù)期補(bǔ)償效果。

三是對(duì)電路補(bǔ)償支路合理設(shè)計(jì)，依據(jù)12%電抗率使用單調(diào)諧濾波器裝置。該動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置正式投入運(yùn)行之后，系統(tǒng)電壓值一般處于26.4～28.8kV，此時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置控制點(diǎn)的功率因數(shù)超過0.95，3次諧波電流為95%的概率值是21.64A；5次諧波電流為95%概率值是18.46A；7次諧波電流在95%的概率值可達(dá)到9.864A。

3.3 動(dòng)態(tài)感性無功補(bǔ)償裝置

3.3.1 工作原理

基于電抗器自身，首選磁控式電抗器，利用磁閥控制原理創(chuàng)建無功調(diào)整方案，使鐵芯得到磁化，以此達(dá)到調(diào)節(jié)電抗器磁飽和度的作用，最終改變無功功率。對(duì)于線路內(nèi)不同的運(yùn)行方式，一般可以使用電壓與電流互感器進(jìn)行線路運(yùn)行參數(shù)的在線監(jiān)控，工業(yè)單片機(jī)負(fù)責(zé)采集分析數(shù)據(jù)，再依據(jù)相應(yīng)程序?qū)﹄娍蛊鬏敵隹刂菩盘?hào)，從而改變無功功率，以完成對(duì)線路的感性無功補(bǔ)償。

3.3.2 總體結(jié)構(gòu)

在加權(quán)知識(shí)超網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)同成員具有不同的重要性與權(quán)重。因此，在考慮協(xié)同成員權(quán)重的情況下，進(jìn)一步提出加權(quán)專有知識(shí)成員比例這一概念來評(píng)價(jià)CPIKN中專有知識(shí)成員的重要性。加權(quán)專有知識(shí)成員比例

該裝置包含電抗器、電壓互感器、電流互感器以及控制器幾部分，基于無功補(bǔ)償需求確定裝置運(yùn)行方案，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路的運(yùn)行參數(shù)，通過固定與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式的綜合應(yīng)用提升功率因數(shù)，以此抑制過電壓，解決線路電壓諧振問題。

3.4 線路降損

3.4.1 線路損耗計(jì)算

以某線路為例，10kV主線與分支線全長(zhǎng)共75.71km，其中共有公專變和公變167臺(tái)和93臺(tái)，而專變共有74臺(tái)，公變偏多導(dǎo)致鐵路線損偏大。線路負(fù)荷一般集中于末端位置，電流大且線路長(zhǎng)，這是導(dǎo)致電阻損耗偏大的主要原因。隨著末端低電壓和分段壓差的不斷增加，無形中加大了線路損耗，所以這是造成線路損耗的原因之一[4]。

線路有功網(wǎng)損主要分為變壓器總鐵損、總銅損、配電網(wǎng)支路總線損，單臺(tái)變壓器鐵損與配電網(wǎng)全部變壓器的鐵損計(jì)算公式如下：

公式（1）中，ΔPoi指的是第i臺(tái)變壓器上的鐵損情況；ue指的是各變壓器額定電壓。如果電壓相等，那么配電網(wǎng)內(nèi)單臺(tái)變壓器和所有變壓器的銅損計(jì)算公式如下所示：

公式（2）中，Ie指的是額定電流，針對(duì)各個(gè)配電支路，需滿足P=UIcosα，cosα指的是支路處的功率因數(shù)，計(jì)算公式經(jīng)過變化之后可以變成以下情況：

此時(shí)各配變支路線損情況如下所示：

公式（4）中，Ri指的是第i條支路上的電阻，此時(shí)總線損計(jì)算公式如下所示：

計(jì)算得知配網(wǎng)線路壓降如下：

Δu=PR+QX/Ue

其中，Ue代表的是額定電壓，壓降和有功功率P、電阻R、無功功率Q以及電抗X存在著緊密的聯(lián)系，線路內(nèi)設(shè)備固定，此時(shí)電阻值與電抗值將會(huì)恒定不變，提升線路電壓水平才能降低壓降。所以，在線路上需要變量一處電容補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償，從而降低損耗。自動(dòng)調(diào)壓器的裝置圖如圖1所示。

3.4.2 方案選擇與配置分析

在方案選擇環(huán)節(jié)，決定安裝10kV無功補(bǔ)償裝置，該裝置的響應(yīng)速度可以達(dá)到5min，每條線路需要安裝2臺(tái)左右，以階梯性的電壓抬升效果為主，每條線路上補(bǔ)償裝置成本在10萬元左右，可降低線路耗損。在配置環(huán)節(jié)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)分析，決定在10kV新農(nóng)線路處安裝兩套補(bǔ)償裝置，其中一套無功補(bǔ)償裝置的容量是800kVar，另一套裝置的容量是1000kVar。表1為降損前后的線損率對(duì)比情況，可見采用無功補(bǔ)償措施后線損率降低了2.6%，每日線路上損失的電量可以降低2000kWh，且平均每年可節(jié)能30萬元左右。

表1 降損前后線路線損率情況對(duì)比

總而言之，采用補(bǔ)償技術(shù)對(duì)線路內(nèi)的容性電流加以補(bǔ)償，這是保障鐵路穩(wěn)定運(yùn)行的重點(diǎn)。由于鐵路供電系統(tǒng)在不同時(shí)間段內(nèi)有著不一樣的運(yùn)行方式，所造成的負(fù)荷電流也會(huì)發(fā)生變化，電纜線路電流因此改變。針對(duì)鐵路電力貫通線路，將固定補(bǔ)償與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償兩種方式相結(jié)合，根據(jù)線路無功波動(dòng)的隨機(jī)性特點(diǎn)，通過補(bǔ)償方式治理線路耗損問題，通過線損計(jì)算分析，依靠磁閥式補(bǔ)償裝置提高功率因數(shù)，從而消除諧波，為鐵路貫通線路電力系統(tǒng)運(yùn)行營(yíng)造良好的環(huán)境。