高速鐵路運(yùn)營初期增設(shè)無功補(bǔ)償裝置研究

盧文波

（京沈鐵路客運(yùn)專線遼寧有限責(zé)任公司，沈陽 110001）

牽引變電所功率因數(shù)偏低除了會(huì)降低發(fā)電機(jī)有效利用率、增大輸電線路電能損失外，還會(huì)增加鐵路企業(yè)的電費(fèi)支出。電力部門會(huì)對(duì)功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)的牽引變電所增收額外的罰款。

1 運(yùn)行狀況

1.1 牽引供電系統(tǒng)及設(shè)計(jì)運(yùn)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(nèi)設(shè)置4臺(tái)牽引變壓器，每2臺(tái)構(gòu)成V/X接線，容量均為40 MVA。

該區(qū)段設(shè)計(jì)運(yùn)量為92～108對(duì)動(dòng)車組，經(jīng)過計(jì)算功率因數(shù)大于0.9，在牽引變電所內(nèi)不設(shè)置無功補(bǔ)償裝置。

1.2 運(yùn)行狀況

2018年12月底京沈客專正式開通運(yùn)營，開通初期安排牛河梁—沈陽開行8對(duì)列車，朝陽—沈陽開行15對(duì)列車，阜新—沈陽開行18對(duì)列車，新民北—沈陽開行28對(duì)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(shù)統(tǒng)計(jì)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(shù)未能達(dá)到0.9。

圖1 牛河梁所電度、功率因數(shù)

圖2 烏蘭和碩所電度、功率因數(shù)

圖3 朝陽北所電度、功率因數(shù)

圖4 馬友營電度、功率因數(shù)

2 原因分析

京沈客專設(shè)計(jì)運(yùn)量初期牛河梁—沈陽92～108對(duì)列車；目前實(shí)際運(yùn)量為14～24對(duì)，為設(shè)計(jì)運(yùn)量的9%～26%，造成牽引供電系統(tǒng)大部分時(shí)間處于空載。京沈客專遼寧段各牽引變電所設(shè)計(jì)與開通初期實(shí)際年用電量對(duì)比見表1。

表1 設(shè)計(jì)與開通初期實(shí)際年用電量對(duì)比表

牽引供電系統(tǒng)在空載時(shí)主要2部分產(chǎn)生無功，一是牽引變壓器、自耦變壓器產(chǎn)生的感性無功，另一種是牽引網(wǎng)產(chǎn)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(jì)算（取試驗(yàn)報(bào)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(qū)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(qū)所自耦變壓器空載無功功率Qsp≈60 kvar，以上各變壓器產(chǎn)生的均為感性無功。

2.2 牽引網(wǎng)產(chǎn)生無功

牽引網(wǎng)在空載時(shí)，其電氣模型如圖5所示，牽引變壓器視為電源，牽引網(wǎng)自身形成電抗和對(duì)地形成電容，根據(jù)情況可將接觸網(wǎng)分為若干個(gè)電容電感串聯(lián)回路，為便于計(jì)算，一般可按每千米分割成單位長度。

圖5 牽引網(wǎng)空載時(shí)的電氣模型

根據(jù)電路原理，牽引網(wǎng)單位長度電容和電感產(chǎn)生的無功計(jì)算為式（1）：

京沈客專采用AT供電方式，其牽引網(wǎng)產(chǎn)生的容性無功大于直供方式，AT供電方式牽引網(wǎng)電容計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 AT供電方式牽引網(wǎng)電容計(jì)算模型

TR間電容為式（3）：

TN線間電容為式（4）：

式中：R為導(dǎo)線半徑；H為對(duì)地高度；ε0為空氣介電常數(shù)；D為接觸網(wǎng)與保護(hù)線間距離。

TF、FN線間電容參照TN。

牽引網(wǎng)單位長度產(chǎn)生的電容可按照并聯(lián)電容計(jì)算原理進(jìn)行疊加，為式（5）：

供電臂對(duì)地電容為式（6）：

式中：l為供電臂長度；k為由于錨段關(guān)節(jié)產(chǎn)生的系數(shù)，一般為1.05～1.15。整個(gè)供電臂牽引網(wǎng)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(chǎn)生電容效應(yīng)較大，同時(shí)線路采用無砟軌道以及橋隧比例大，接觸網(wǎng)對(duì)道床、橋、隧道的鋼筋也會(huì)產(chǎn)生電容效應(yīng)，故實(shí)際牽引網(wǎng)無功不易準(zhǔn)確計(jì)算，其值要大于上述理論計(jì)算值。

表2 牽引變電所空載無功統(tǒng)計(jì)表

2.3 無功計(jì)算分析

通過上述分析牽引變電所在空載時(shí)牽引網(wǎng)產(chǎn)生的容性無功要大于變壓器產(chǎn)生的感性無功，綜合變壓器和牽引網(wǎng)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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知，京沈客專牽引變電所功率因數(shù)低的主要原因是牽引網(wǎng)容性無功較大所致，牽引變電所在空載時(shí)呈現(xiàn)容性無功。因此只需在牽引變電所增設(shè)感性無功補(bǔ)償裝置來抵消牽引網(wǎng)空載無功，提高功率因數(shù)。

3 無功補(bǔ)償方案

3.1 方案比選

目前鐵路上采用的無功補(bǔ)償分為固定電抗補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置主要有MCR型SVC，TCR型SVC，SVG等。各方案主要技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比見表3。

表3 無功補(bǔ)償裝置技術(shù)比較表

通過前面分析可知，本線功率因數(shù)偏低的主要原因是線路空載時(shí)的容性無功，經(jīng)技術(shù)比選，建議采用MCR裝置進(jìn)行補(bǔ)償，不設(shè)電容器組（FC）支路，或采用固定電抗器進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2 經(jīng)濟(jì)分析

經(jīng)技術(shù)比選后確定如下3個(gè)有意義的補(bǔ)償方案：

（1）每個(gè)牽引變電所內(nèi)增設(shè)1套MCR裝置，只對(duì)一相進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。

（2）每個(gè)牽引變電所內(nèi)增設(shè)2套MCR裝置，分別對(duì)兩相進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。

（3）每個(gè)牽引變電所內(nèi)增設(shè)2套電抗器，分別對(duì)兩相進(jìn)行固定無功補(bǔ)償。

下文將從節(jié)約電費(fèi)和成本回收期角度對(duì)上述3個(gè)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選。

目前電氣化鐵路向電力部門所繳電費(fèi)主要包含3部分：基本電費(fèi)、電度電費(fèi)和功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)。牽引變電所功率因數(shù)的高低直接影響鐵路部門每月繳納電費(fèi)的數(shù)額

京沈客專目前基本電費(fèi)按實(shí)際需量法收取，單價(jià)為33元/（kW?m），電度電費(fèi)按0.492 6元/（kW?h）收取，力率電費(fèi)根據(jù)實(shí)際功率因數(shù)按上表分別計(jì)算。按MCR動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和固定電抗器補(bǔ)償后各牽引變電所的功率因數(shù)達(dá)到0.9以上考慮，3個(gè)月力率電費(fèi)節(jié)約情況見表4。

通過表4可以看出，當(dāng)補(bǔ)償方案都達(dá)到了較為理想的補(bǔ)償效果時(shí)，功率因數(shù)達(dá)到0.9的標(biāo)準(zhǔn)，將力率電費(fèi)減少為0元，這3個(gè)所3個(gè)月可節(jié)約電費(fèi)約326萬元，平均每個(gè)月每個(gè)所節(jié)約電費(fèi)約36萬元。

表4 牽引變電所節(jié)約電費(fèi)預(yù)測表

每套MCR裝置的工程投資按121萬元計(jì)算，每套固定補(bǔ)償裝置按86萬元計(jì)列，計(jì)算各方案所節(jié)約電費(fèi)額和成本回收期見表5。

表5 各補(bǔ)償方案節(jié)約電費(fèi)額和成本回收期

4 結(jié)束語

由計(jì)算結(jié)果和節(jié)約電費(fèi)預(yù)測，在高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試和開通初期，牽引變電所功率因數(shù)較低，通過增設(shè)MCR補(bǔ)償裝置或固定電抗器補(bǔ)償?shù)确绞?，提高功率因?shù)，減少力率電費(fèi)支出的效果明顯。

針對(duì)具體的線路，其電容電流為固定值，可采用結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低的固定電抗器補(bǔ)償方案。但隨著牽引負(fù)荷的增加，固定電抗器補(bǔ)償可能會(huì)造成“過補(bǔ)”，針對(duì)此情況下，建議采用MCR裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償［2］。

電容電流的存在會(huì)導(dǎo)致接觸網(wǎng)末端電壓升高，在電壓升高不影響運(yùn)行情況下，盡可能采用單一供電臂設(shè)置補(bǔ)償裝置。

文中對(duì)牽引變電所增設(shè)補(bǔ)償裝置提出了初步構(gòu)思和設(shè)想，具體技術(shù)細(xì)節(jié)、產(chǎn)品研發(fā)、制造、試驗(yàn)等問題還有待深入研究。