V/V接線牽引變電所無功補償效果分析

摘 要： 針對三相V/V接線變壓器的牽引變電所大修改造工程，闡述了動態(tài)無功補償裝置的補償效果。通過多種容量組合方式進行現(xiàn)場測試，對功率因數(shù)所產(chǎn)生的影響，分析其主要原因，合理對待牽引變電所無功補償裝置改造中存在的問題，并采用滯后計算方法確定無功補償裝置相關(guān)容量參數(shù)，使牽引變電所功率因數(shù)滿足要求。通過方案比選、實施，最終結(jié)果達到了目標值。也同時得出三相V/V接線牽引變壓器的變電所，其無功補償裝置和可調(diào)電抗器的補償效果與其接入相別無關(guān)、無功補償裝置其容量采用滯后計算方法是有效可行的。

關(guān)鍵詞： V/V接線； 牽引變電所； 無功補償； 效果分析

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?0156?03

鐵路電力牽引負荷對供電系統(tǒng)造成的主要影響一般體現(xiàn)在3個方面，即功率因數(shù)、負序和高次諧波。目前，高次諧波產(chǎn)生的不利影響及對其應(yīng)采取的治理措施還處于探討研究中，負序影響已在牽引供電系統(tǒng)設(shè)計中采取相應(yīng)措施，同時隨著系統(tǒng)容量的增大而負序的影響也逐漸減小。功率因數(shù)作為電力系統(tǒng)考核電氣化鐵路用戶的重要指標必須引起高度重視。

1 功率因素和無功補償

1.1 電氣化區(qū)段牽引負荷功率因數(shù)的特性

在非“和諧號”電力機車牽引線路上，其牽引負荷自然功率因數(shù)較低，原因是電力機車（除和諧號機車外）采用單相交?直流傳動系統(tǒng)，另外牽引負荷具有隨機波動大、非線性等特征，導(dǎo)致功率因數(shù)低。

1.2 功率因數(shù)降低產(chǎn)生的后果

功率因數(shù)降低，既造成牽引供電系統(tǒng)設(shè)備的能力不能充分發(fā)揮，還對電力系統(tǒng)產(chǎn)生以下影響：

（1） 降低發(fā)電設(shè)備的效率，提高了運行成本；

（2） 影響輸、變電設(shè)施的出力；

（3） 增加電力系統(tǒng)損耗；

（4） 增加輸電系統(tǒng)中的電壓損失，使用戶電壓質(zhì)量降低。

1.3 功率因數(shù)標準

依據(jù)《全國供用電規(guī)則》，無功電力應(yīng)就地平衡，防止無功電力倒送。高壓供電用戶，其功率因數(shù)應(yīng)在0.90以上。功率因數(shù)調(diào)整電費按國家有關(guān)政策規(guī)定執(zhí)行。電氣化鐵道牽引負荷計量在牽引變電所110 kV電源側(cè)，為無功“反送正計”計量方式，月平均功率因數(shù)應(yīng)達到0.9以上，實行高獎低罰。

1.4 無功補償現(xiàn)狀

隨著“和諧號”交?直?交電力機車的投入使用，牽引負荷自然功率因數(shù)明顯提高，對應(yīng)牽引變電所的功率因數(shù)也大有改觀，基本能夠達到0.9以上要求。但在非“和諧號”機車牽引區(qū)段或機車混跑區(qū)段，牽引變電所還必須設(shè)無功補償裝置才能滿足對功率因數(shù)的要求。又據(jù)了解，由于電力部門不斷更新計量手段，新使用的計量表計考慮了諧波因素，這樣即使在“和諧號”機車牽引區(qū)段，牽引變電所功率因數(shù)也有所降低，有時也不能達標。

2 實例分析

以西安鐵路局管內(nèi)某牽引變電所整所大修改造為例，對無功補償效果進行分析。該所位于單線電氣化鐵路區(qū)段，牽引變壓器為三相V/V接線，安裝容量為（15+10） MVA，15 MVA供1#饋線系統(tǒng)（B相），供2個區(qū)間，10 MVA供2#饋線系統(tǒng)（A相），供1個區(qū)間。供電局計費在110 kV側(cè)，采用電子式電度表。并補裝置采用磁閥式可調(diào)電抗器的動態(tài)無功補償裝置，電容器為分立式布置。

2.1 安裝容量計算

按照傳統(tǒng)的計算公式如下：

[Q安=1-αUCHUM2· P1cos2?1-1-1cos2?2-111-q] （1）

式中：[Q安]為安裝容量（單位：kvar）；[P]為平均有功功率，取值2 051 kW；[cos?1]為牽引變電所補償前功率因數(shù)，取值0.71；[cos?2]為牽引變電所補償后功率因數(shù)，取值0.90；[q]為牽引變電所無電概率，取值0.682；[α]為補償度，取值為0.13，主要考慮兼顧濾除部分3次、5次諧波；[UCH]為電容器組額定電壓，取值33.6 kV；[UM]為牽引變電所母線電壓，取值29 kV。經(jīng)計算，無功補償裝置需要安裝容量為3 820 kvar，根據(jù)工程情況實際，電容器安裝容量為：1#（B相）饋線2 400 kvar，其支架按2 800 kvar預(yù)留；2#（A相）饋線1 600 kvar，其支架按2 000 kvar預(yù)留；可調(diào)電抗器（3DK）安裝在1#饋線，其容量為1 800 kvar。該工程竣工后，并補裝置按安裝容量投入運行，但功率因數(shù)未能達標。接線如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集

使用儀表為電子電度表；采集周期為24 h；采集時間約1個月（7次）。通過現(xiàn)場多種組合測試，測試結(jié)果如表1所示。

相應(yīng)的變化曲線如圖2所示。由測試結(jié)果得知：

（1） 并電容拆除運行時，牽引變電所自然功率因數(shù)為0.742。

（2） 沒有使得功率因數(shù)能達到0.9的組合方式，最高為0.875。

（3） 從系統(tǒng)吸收的無功量和反送到系統(tǒng)的無功量均偏大。

（4） 無功動態(tài)補償裝置工作正常，控制器采樣和判據(jù)均無誤。

2.3 分析原因

通過了解收集當(dāng)時的有關(guān)數(shù)據(jù)資料并結(jié)合測試結(jié)果分析，造成該牽引變電所功率因數(shù)低的主要原因為：

（1） 該區(qū)段重車方向牽引4 000 t以上，為雙機牽引，負荷波動大。下行饋線包括兩個區(qū)間，處于雙面坡地段，當(dāng)兩個區(qū)間都有列車并相向?qū)﹂_時，饋線電流可達800 A以上。上行饋線供一個區(qū)間，處于單面坡地段，上坡方向饋線電流可達500 A，下坡方向基本不取流。

（2） 該所牽引饋線零負荷時間較長，由日實際列車運行圖可知，一天內(nèi)全所零負荷間隔次數(shù)為30次，累計零負荷時間為12 h左右，因而導(dǎo)致牽引負荷很不均勻。endprint

圖1 并補裝置接線示意圖

圖2 曲線圖

（3） 施工周期長導(dǎo)致裝置投運時的牽引能耗參數(shù)與當(dāng)初設(shè)計時不一致，而且增加很大。

（4） 向系統(tǒng)反送的無功量隨電容器容量增大上升明顯，表明可調(diào)電抗器容量偏小。

2.4 方案確定

2.4.1 考慮原則

（1） 達到或超過功率因數(shù)目標值，即0.9及以上，并考慮預(yù)留一定裕度。

（2） 增大并聯(lián)電容器和可調(diào)電抗器容量，為滿足鐵路運量變化和探索無功補償裝置的使用積累經(jīng)驗創(chuàng)造條件。

（3） 結(jié)合管轄區(qū)段內(nèi)其他牽引變電所改造中并補設(shè)備可替代利用，以降低工程費用。

2.4.2 方案比選

方案一：維持原無功補償裝置接線方式不變，增大裝置容量，包括并聯(lián)電容器、濾波電抗器、可調(diào)電抗器。更換下的設(shè)備可用于其他牽引變電所。

方案二：在原無功補償裝置接線的基礎(chǔ)上，增加一臺可調(diào)電抗器，新增的可調(diào)電抗器安裝于A相，同時，增大裝置容量。通過綜合考慮，按方案一實施。

2.4.3 實施效果

根據(jù)并補裝置滯后設(shè)計安裝容量計算公式：[Q=Q11-770t0] （2）

式中：Q為安裝容量（單位：kvar）；[Q1]為系統(tǒng)輸出的最大無功功率（單位：kvar）；[t0]為供電臂帶電累計時間（單位：min）。

依據(jù)當(dāng)時收集的相關(guān)參數(shù)，計算結(jié)果為：電容器安裝容量：27.5 kV A相母線為2 800 kvar（4串7并，單臺容量100 kvar），其支架按3 200 kvar預(yù)留，濾波電抗器容量410 kvar；27.5 kV B相母線為6 400 kvar（4串4并，單臺容量400 kvar），其支架按8 000 kvar預(yù)留，濾波電抗器容量524 kvar，可調(diào)電抗器容量5 500 kvar。按照該方案將設(shè)備投入運行后，補償效果顯著，功率因數(shù)達到0.92以上。

3 結(jié) 語

在非“和諧號”交?直?交電力機車牽引、運量小、列車對數(shù)少、牽引負荷波動大的區(qū)段，且在無功功率“反轉(zhuǎn)正計”的計量方式下，固定式無功補償裝置若用于牽引變電所其功率因數(shù)很難達到標準規(guī)定。無功補償裝置設(shè)計的關(guān)鍵在于補償容量的計算。收集相關(guān)計算數(shù)據(jù)要盡可能準確，要考慮中、遠期牽引負荷的變化。采用滯后計算法是有效可行的。并聯(lián)電容器盡可能采用分體式布置，其安裝支架應(yīng)預(yù)留以后可能增容的位置。牽引變電所應(yīng)采用動態(tài)無功補償裝置。測試數(shù)據(jù)和理論分析均表明，三相V/V接牽引變壓器的變電所，其并補裝置和可調(diào)電抗器的補償效果與其接入相別無關(guān)。

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