鐵路變配電所無(wú)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(dòng)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(huì)在運(yùn)行的變配電網(wǎng)上產(chǎn)生大量的無(wú)功功率（無(wú)功功率又稱為力率）。

無(wú)功功率給鐵路變配電網(wǎng)帶來(lái)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(wú)功功率會(huì)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(lái)了不小的經(jīng)濟(jì)損失[1，8]。而無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)能夠改善電網(wǎng)的無(wú)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(wú)功補(bǔ)償方案具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

傳統(tǒng)的變配電所安裝電容裝置來(lái)補(bǔ)償線路上設(shè)備產(chǎn)生的感性無(wú)功[2-4]，但隨著近年來(lái)電力電纜等容性輸電線路的使用，電網(wǎng)中產(chǎn)生了過(guò)多的容性無(wú)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(huì)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(cè)量點(diǎn)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(wú)功功率測(cè)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(cè)量點(diǎn)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(chǎng)中，取得了很好的效果。

1 以某電力配電所無(wú)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(tái)50 kvar的箱式電抗器，所內(nèi)電源一處測(cè)量的有功功率84.17 kW，容性無(wú)功功率107.93 kvar，功率因數(shù)為0.61。其中電源線路電纜長(zhǎng)度是2.07 km，型號(hào)為YJV22-3×185；饋出線路電纜全長(zhǎng)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(jiǎn)圖。

對(duì)于電源電纜YJV22-3×185電纜，其電容值為0.38 μF/km，則2.07 km長(zhǎng)的電纜線路等值電路計(jì)算如下。

電纜的電容值C：

電纜的充電電容性無(wú)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(zhǎng)而又殘酷?？墒?，善惡、美丑、真假、忠奸、好壞等等，永遠(yuǎn)會(huì)此消彼長(zhǎng)，兩相對(duì)壘，無(wú)休無(wú)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(wú)功功率Qc1：

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

現(xiàn)在在饋出線路上只安裝了一臺(tái)50 kvar的箱式電抗器，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠用于補(bǔ)償容性無(wú)功的?，F(xiàn)場(chǎng)也經(jīng)實(shí)地測(cè)試得出有功功率P=84.17 kW，容性無(wú)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(wú)功沒(méi)有補(bǔ)償?shù)簟?/p>

2 補(bǔ)償裝置增加容量QB的計(jì)算

由于現(xiàn)在配電所功率因數(shù)PF1=0.61=cosφ1，無(wú)功功率呈容性，所以采取過(guò)補(bǔ)償?shù)姆绞?，使補(bǔ)償后的無(wú)功功率呈感性，且預(yù)計(jì)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(wú)功用于抵消地方電源到配電所的電源電纜引起的容性無(wú)功，從而提高地方測(cè)量點(diǎn)處的功率因數(shù)。

補(bǔ)償量的計(jì)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)使用電能質(zhì)量測(cè)試儀在配電所電源側(cè)實(shí)測(cè)線路，獲取該線路的有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)。

（2）確定無(wú)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(wú)功補(bǔ)償裝置的增補(bǔ)容量QB。

（3）確定電網(wǎng)公司測(cè)量點(diǎn)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(zhǎng)度、型號(hào)，仿照第1章公式（1）、（2）、（3）、（4）和第2章公式（6）、（7）分析計(jì)算公式得出這部分電源電纜產(chǎn)生的無(wú)功功率，以及電網(wǎng)公司測(cè)量點(diǎn)處的功率因數(shù)PF2。

（4）循環(huán)判斷，確定無(wú)功補(bǔ)償裝置增補(bǔ)容量的最終值：若電網(wǎng)公司測(cè)量點(diǎn)處的功率因數(shù)PF2數(shù)值在0.9～1，則無(wú)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(wú)功補(bǔ)償裝置的增補(bǔ)容量QB。

實(shí)施步驟流程如圖2所示。

3.2 電能質(zhì)量測(cè)試儀

圖3是電能質(zhì)量質(zhì)量測(cè)試儀測(cè)量效果，電能質(zhì)量測(cè)試儀能夠準(zhǔn)確測(cè)出設(shè)備運(yùn)行的無(wú)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(wú)功的方向、負(fù)載的感性或容性。變配電所功率因數(shù)、無(wú)功功率和有功功率的數(shù)值與性質(zhì)均可以通過(guò)電能質(zhì)量測(cè)試儀準(zhǔn)確測(cè)出，為后續(xù)無(wú)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(cè)試測(cè)量圖

3.3 變配電所無(wú)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(jiàn)圖4）。該裝置能提供感性無(wú)功補(bǔ)償，特點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載的無(wú)功變化，控制磁控電抗器輸出感性無(wú)功容量，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率動(dòng)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(shí)大于等于0.93，在低谷時(shí)小于0.98，有效地減少了電網(wǎng)的無(wú)功功率輸出，提高了鐵路變配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(zhǎng)距離輸電導(dǎo)致的無(wú)功倒送問(wèn)題的方式。

目前，該裝置已在多個(gè)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(wú)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(wú)功功率的詳細(xì)分析，確定了增加無(wú)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(wú)功功率改善或無(wú)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。