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，闡述了動態無功補償裝置的補償效果。通過多種容量組合方式進行現場測試，對功率因數所產生的影響，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容量參數，使牽引變電所功率因數滿足要求。通過方案比選、實施，最終結果達到了目標值。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電抗器的補償效果與其接入相別無關、無功補償裝置其容量采用滯后計算方法是有效可行的。

關鍵詞： 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造成的主要影響一般體現在3個方面，即功率因數、負序和高次諧波。目前，高次諧波產生的不利影響及對其應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設計中采取相應措施，同時隨著系統容量的增大而負序的影響也逐漸減小。功率因數作為電力系統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 電氣化區段牽引負荷功率因數的特性

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，另外牽引負荷具有隨機波動大、非線性等特征，導致功率因數低。

1.2 功率因數降低產生的后果

功率因數降低，既造成牽引供電系統設備的能力不能充分發揮，還對電力系統產生以下影響：

（1） 降低發電設備的效率，提高了運行成本；

（2） 影響輸、變電設施的出力；

（3） 增加電力系統損耗；

（4） 增加輸電系統中的電壓損失，使用戶電壓質量降低。

1.3 功率因數標準

依據《全國供用電規則》，無功電力應就地平衡，防止無功電力倒送。高壓供電用戶，其功率因數應在0.90以上。功率因數調整電費按國家有關政策規定執行。電氣化鐵道牽引負荷計量在牽引變電所110 kV電源側，為無功“反送正計”計量方式，月平均功率因數應達到0.9以上，實行高獎低罰。

1.4 無功補償現狀

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明顯提高，對應牽引變電所的功率因數也大有改觀，基本能夠達到0.9以上要求。但在非“和諧號”機車牽引區段或機車混跑區段，牽引變電所還必須設無功補償裝置才能滿足對功率因數的要求。又據了解，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”機車牽引區段，牽引變電所功率因數也有所降低，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（B相），供2個區間，10 MVA供2#饋線系統（A相），供1個區間。供電局計費在110 kV側，采用電子式電度表。并補裝置采用磁閥式可調電抗器的動態無功補償裝置，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，取值0.71；[cos?2]為牽引變電所補償后功率因數，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。經計算，無功補償裝置需要安裝容量為3 820 kvar，根據工程情況實際，電容器安裝容量為：1#（B相）饋線2 400 kvar，其支架按2 800 kvar預留；2#（A相）饋線1 600 kvar，其支架按2 000 kvar預留；可調電抗器（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，但功率因數未能達標。接線如圖1所示。

2.2 數據采集

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）。通過現場多種組合測試，測試結果如表1所示。

相應的變化曲線如圖2所示。由測試結果得知：

（1） 并電容拆除運行時，牽引變電所自然功率因數為0.742。

（2） 沒有使得功率因數能達到0.9的組合方式，最高為0.875。

（3） 從系統吸收的無功量和反送到系統的無功量均偏大。

（4） 無功動態補償裝置工作正常，控制器采樣和判據均無誤。

2.3 分析原因

通過了解收集當時的有關數據資料并結合測試結果分析，造成該牽引變電所功率因數低的主要原因為：

（1） 該區段重車方向牽引4 000 t以上，為雙機牽引，負荷波動大。下行饋線包括兩個區間，處于雙面坡地段，當兩個區間都有列車并相向對開時，饋線電流可達800 A以上。上行饋線供一個區間，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，一天內全所零負荷間隔次數為30次，累計零負荷時間為12 h左右，因而導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） 施工周期長導致裝置投運時的牽引能耗參數與當初設計時不一致，而且增加很大。

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

2.4 方案確定

2.4.1 考慮原則

（1） 達到或超過功率因數目標值，即0.9及以上，并考慮預留一定裕度。

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

（3） 結合管轄區段內其他牽引變電所改造中并補設備可替代利用，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，包括并聯電容器、濾波電抗器、可調電抗器。更換下的設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上，增加一臺可調電抗器，新增的可調電抗器安裝于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

根據并補裝置滯后設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）。

依據當時收集的相關參數，計算結果為：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預留，濾波電抗器容量524 kvar，可調電抗器容量5 500 kvar。按照該方案將設備投入運行后，補償效果顯著，功率因數達到0.92以上。

3 結 語

在非“和諧號”交?直?交電力機車牽引、運量小、列車對數少、牽引負荷波動大的區段，且在無功功率“反轉正計”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很難達到標準規定。無功補償裝置設計的關鍵在于補償容量的計算。收集相關計算數據要盡可能準確，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。并聯電容器盡可能采用分體式布置，其安裝支架應預留以后可能增容的位置。牽引變電所應采用動態無功補償裝置。測試數據和理論分析均表明，三相V/V接牽引變壓器的變電所，其并補裝置和可調電抗器的補償效果與其接入相別無關。

參考文獻

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