云桂鐵路平安牽引變電所無功補償方案及容量計算

楊雪凇，黃 文，李 劍

1 研究背景

云桂鐵路于2016年12月28日全線通車運營，運營初期，由于車流密度較低且車流隨時間段變化較大，牽引變電所也未設置無功補償裝置，功率因數(shù)低下的問題暴露出來，從而造成調(diào)整電費罰款等問題[1]。

根據(jù)《功率因數(shù)調(diào)整電費增減查對表（國家統(tǒng)一標準）》中相關規(guī)定，若電力用戶功率因數(shù)處于0.9～1.0區(qū)間，則可減收電費0.15%～0.75%；若功率因數(shù)處于0.89～0.8區(qū)間，則將增收電費0.5%～5.0%。由于電力部門采用無功反送正計計費方法，在電氣化鐵路負荷處于低谷時段時出現(xiàn)的容性無功反送現(xiàn)象將被電力部門正計入罰款區(qū)間。對于電氣化鐵路而言，電費在其運營成本中所占比重較大，若能保證其在運營各時段的功率因數(shù)均滿足電力系統(tǒng)要求，甚至將其控制在0.9～1.0的優(yōu)質(zhì)區(qū)間內(nèi)，則因增設無功補償裝置而少交的調(diào)整電費將是一筆可觀的費用[2]。

考慮到云桂鐵路牽引供電負荷、機車牽引特性、供電技術條件、既有牽引變電所運行情況等因素，本文將進行無功補償裝置技術經(jīng)濟比較，并針對本線進行補償裝置容量計算與分析，將功率因數(shù)提高至理想范圍，節(jié)省運營電費支出。

2 無功補償方案比選

2.1 理論分析

根據(jù)本工程供電系統(tǒng)組成及負荷構成分析，其牽引變電所無功補償需求主要由牽引負荷、牽引變壓器及供電線電纜組成。

牽引負荷：由于本工程采用交流牽引供電，列車類型為交直交型，牽引負荷總功率因數(shù)可達0.95以上。牽引負荷的用電單一且易控制，功率因數(shù)較高且相對穩(wěn)定，無功功率需求量較少。

牽引變壓器及供電線電纜：牽引變壓器消耗感性無功，而供電線電纜能提供一定的容性無功。

現(xiàn)以平安牽引變電所為例，對該變電所供電線電纜分布情況進行統(tǒng)計，該牽引變電所供電范圍內(nèi)的供電分段示意如圖1所示。

圖1 平安牽引變電所供電分段示意圖

各牽引所亭供電線電纜均采用TDWD-YJY73 27.5 kV 1×240[3]。長度如下：（1）平安牽引變電所供電電纜（南寧方向）長度17.28 km，其中，上行T線2×2.155 km，上行F線2×2.175 km，下行T線2×2.145 km，下行F線2×2.165 km；（2）平安牽引變電所供電電纜（昆明方向）長度0 km；（3）孟合山隧道AT分區(qū)所供電電纜（昆明方向）長度16.2 km；（4）那坡隧道AT分區(qū)所供電電纜（南寧方向）長度4.84 km；（5）孟村隧道AT所供電電纜長度0.6 km；（6）渭林AT所供電電纜長度0.82 km。

根據(jù)上述分析，功率因數(shù)低的原因是電纜產(chǎn)生大量反向無功功率，且由于運營初期運行列車較少，有功電量不大，導致功率因數(shù)較低。因此，牽引供電系統(tǒng)中大量存在的供電線電纜是本工程無功補償?shù)闹攸c。

2.2 無功補償方案

下文分析目前技術比較成熟的4種無功補償方案。

2.2.1 方案一 采用并聯(lián)電抗器

優(yōu)點：該方案要求在牽引變電所27.5 kV母線上設置一套并聯(lián)電抗器，通過監(jiān)測系統(tǒng)的功率因數(shù)來控制電抗器的投切，從而實現(xiàn)無功補償功能。該技術屬于第一代靜態(tài)無功補償技術，成熟可靠，投資較省，在電力系統(tǒng)、干線電氣化鐵路等眾多供用電領域均有廣泛運用。

缺點：該方案電抗器的輸出容量為固定值或固定組值，難以根據(jù)系統(tǒng)的實際運行情況實時調(diào)整補償容量，且響應速度為秒級，不適應高速鐵路供電系統(tǒng)快速變化的負荷特性和無功補償需求。

該技術相對落后，不適應高速鐵路供電系統(tǒng)對無功補償裝置的性能要求。

2.2.2 方案二 采用TCR（可控硅相控電抗器補償裝置）

優(yōu)點：該方案屬于第二代動態(tài)無功補償技術，主要由可控硅組、相控電抗器、控制保護單元等構成。其響應速度快（閉環(huán)響應速度為40～60 ms），可以實時跟蹤系統(tǒng)內(nèi)有功量、無功量的變化，迅速補償系統(tǒng)中過多的容性無功，將功率因數(shù)控制在電力部門許可的范圍內(nèi)。

缺點：（1）TCR仍屬于阻抗型動態(tài)無功補償裝置，其工作原理（通過改變觸發(fā)延遲角的大小改變其等效感抗）決定了該裝置本身就是諧波源，工作時將產(chǎn)生大量諧波，必須配備濾波支路濾除自身諧波才能可靠工作[4]；（2）單獨的TCR裝置僅能補償系統(tǒng)過容性，無法做到雙向補償；（3）由于TCR為阻抗型動態(tài)無功補償裝置，在牽引供電系統(tǒng)運行過程中，運行情況和參數(shù)將不可避免發(fā)生變化，由此可能導致諧振或諧波電壓放大等問題，影響系統(tǒng)運行的安全性；（4）TCR的占地面積較大，且工作時發(fā)熱量大，需要配置體積龐大的純水散熱系統(tǒng)。

該技術非常成熟可靠，在電力系統(tǒng)、干線電氣化鐵路供電系統(tǒng)中均有運用，但較新一代動態(tài)無功補償技術已明顯落后。

2.2.3 方案三 采用MCR（磁控電抗器補償裝置）

優(yōu)點：MCR亦屬于第二代動態(tài)無功補償技術，主要由并聯(lián)固定電容器組（兼濾波）、磁控電抗器、控制保護單元等構成。其響應速度較快（閉環(huán)響應速度為100～200 ms），磁控電抗器容量無級可調(diào)，可自動快速跟蹤補償負荷無功，穩(wěn)定母線電壓，將系統(tǒng)功率因數(shù)控制在電力部門許可的范圍內(nèi)[5，6]。

缺點：（1）MCR主要工作原理是通過改變磁閥控制電抗器的磁飽和程度來改變等效感抗，在工作過程中將產(chǎn)生大量諧波（3次諧波較嚴重），須配備濾波支路濾除自身諧波才能可靠工作；（2）單獨的MCR裝置僅能補償系統(tǒng)過容性，無法做到雙向補償；（3）MCR本體為油浸電抗器，其外觀如同電力變壓器（含油枕、散熱片），體積較大。

該技術成熟可靠，在電力系統(tǒng)、干線電氣化鐵路供電系統(tǒng)中均有運用，但較新一代動態(tài)無功補償技術已顯落后。

2.2.4 方案四 采用SVG（靜態(tài)無功發(fā)生器）

優(yōu)點：SVG主要采用基于IGBT電壓源逆變器構成動態(tài)無功補償裝置。SVG在以下方面具有重要優(yōu)越性：（1）就動態(tài)無功補償而言，SVG包含傳統(tǒng)SVC（以TCR和MCR為代表）裝置的一切功能且性能更好，體積更小，響應速度很快（閉環(huán)響應速度為1 ms以內(nèi)），補償能力更強；（2）由于SVG也具備可控電流源型補償裝置的特性，對系統(tǒng)參數(shù)不敏感，不會因系統(tǒng)參數(shù)變化而引起諧振或諧波電壓放大，并可根據(jù)系統(tǒng)需要方便地濾除系統(tǒng)諧波[7]；（3）SVG具備感性無功和容性無功雙向補償功能。

缺點：設備價格相對較高。

該技術先進可靠，在電力系統(tǒng)、電氣化鐵路供電系統(tǒng)均有采用或擬采用，且裝置體積適中，有利于節(jié)省牽引變電所場坪面積。

2.2.5 方案比較

上述4種無功補償方案中，方案一技術相對落后，將逐步淘汰，故不再納入技術經(jīng)濟比較。對TCR、MCR、SVG的技術經(jīng)濟比較見表1。

表1 無功補償方案技術經(jīng)濟比較

綜上分析，TCR、MCR、SVG的技術性能均能滿足電氣化鐵路牽引變電所對容性無功補償?shù)男枨?，但TCR、SVG投資更高，平安牽引變電所已預留了足夠的補償裝置安裝場地，且無需進行無功雙向補償。相對而言，MCR具有投資低、技術成熟可靠、響應速度快、可以實時調(diào)整補償容量等優(yōu)勢。

綜合上述分析，推薦本線平安牽引變電所補償方案采用磁控式并聯(lián)電抗器。

3 補償裝置容量計算

云桂鐵路采用自耦變壓器（AT）供電方式；牽引變電所由鄰近的220 kV變電站引入兩回獨立可靠的220 kV電源供電，兩回電源互為熱備用；全線按客車采用CRH1型動車組（2×5 500 kW），客機采用SS7E（2×4 800 kW），貨機采用HXD2（2×10 000 kW）設計。百色—昆明段信號機按貨車5 min追蹤運行進行布點，滿足客車4 min追蹤運行，近、遠期分別按列車7、6 min追蹤運行計算能力。平安牽引變電所既有情況如表2所示。

表2 平安牽引變電所既有情況

3.1 基礎資料

供電局提供220 kV平安牽引變電所用電基礎資料，以2017年1月為例，如表3所示。

表3 2017年1月平安牽引變電所用電統(tǒng)計

3.2 容量計算

根據(jù)平安牽引變電所供電線電纜分布可以看出，絕大部分電纜來自平安—孟合山供電臂，結合牽引變電所場坪情況，推薦在平安牽引變電所平安—孟合山方向27.5 kV接觸線母線設置磁控式并聯(lián)電抗器。

以平安牽引變電所在最大負荷情況下瞬時功率因數(shù)由實測數(shù)補償至0.95計算，以表3數(shù)據(jù)為例，計算可得有功功率P= 282 kW，低壓側無功負載Q= 1 752 kvar，視在功率kV·A，功率因數(shù)。

現(xiàn)將功率因數(shù)由0.159補償至0.95，可計算得到Q1= 93 kvar。平安牽引變電所電抗器補償容量QB=Q-Q1= 1 659 kvar。

同樣，依據(jù)供電局提供的其他月份用電基礎數(shù)據(jù)，可以計算出平安牽引變電所其他月份補償容量，計算結果如表4所示。

表4 2017年1～8月磁控電抗器容量計算結果

根據(jù)以上計算結果，磁控式并聯(lián)電抗器計算容量按最嚴重月份考慮，安裝容量可選為2 400 kvar。

4 功率因數(shù)實測情況分析

磁控式電抗器在平安牽引變電所投運后，供電局提供2018年7月16日～8月16日功率因數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如表5所示。

表5 磁控電抗器投運后功率因數(shù)跟蹤統(tǒng)計

從表5可以看出，磁控式并聯(lián)電抗器投運后本月平均功率因數(shù)為0.92，已得到明顯改善，并高于電力部門的懲罰限值[8]（0.9）。經(jīng)計算，磁控式并聯(lián)電抗器的投運可為云桂鐵路公司每月節(jié)省費用約146.1（最大功率因數(shù)0.438）～284.8（最小功率因數(shù)0.159）萬元。

5 結語

本文針對云桂鐵路項目的特點，對各類無功補償方案進行了技術經(jīng)濟對比分析，并推薦平安牽引變電所采用磁控電抗器補償裝置。通過容量計算，得出磁控電抗器補償裝置的安裝容量，根據(jù)電力部門提供磁控式電抗器投運后的統(tǒng)計數(shù)據(jù)驗證了該無功補償方案設計思路的正確性，可為云桂鐵路今后的運營節(jié)省高額電費開支。