不同供電方式下高壓動態無功補償系統的應用

鄭國龍

不同供電方式下高壓動態無功補償系統的應用

鄭國龍

電氣化鐵道牽引供電方式主要有帶回流線的直接供電方式和自耦變壓器（AT）供電方式。在帶回流線的直接供電方式下，無功補償回路并聯在接觸網（T線）與鋼軌（R）之間；在自耦變壓器（AT）供電方式下，無功補償回路并聯在接觸線（T線）和正饋線（F線）之間。對無功補償系統分別并聯在T/R、F/R之間的情況進行分析研究，兼顧帶回流線的直接供電方式和自耦變壓器（AT）供電方式下無功補償系統的應用，為相關工程提供借鑒。

電氣化鐵路；帶回流線的直接供電方式；自耦變壓器供電方式；無功補償

0 引言

某重載鐵路電氣化改造工程，按正式工程和臨時過渡工程兩期展開。牽引供電系統正式方案采用帶回流線的直接供電方式，新建1座牽引變電所，并設置無功動態補償裝置。臨時過渡工程中，其中一供電臂采用自藕變壓器（AT）供電方式過渡，通過改造相鄰電氣化鐵路的AT分區兼開閉所，增設饋線為該工程提供電源，同時設置無功動態補償裝置，正式工程完工后，將該供電臂改造成帶回流線的直接供電方式。

為滿足正式工程和臨時過渡工程中無功補償需要，研究無功補償系統在直供和AT供電方式下補償方式的不同，兼顧2種供電方式下的補償方案，減少設備的廢棄，AT供電方式下采用在T/R、F/R間分別設置1套動態無功補償系統，并對T/R、F/R同時投入無功補償系統，T/R、F/R分別投入無功補償系統進行分析比較，研究其補償效果。

1 調壓式無功補償系統原理

動態補償主要是根據電網系統的感性無功變化，及時調節補償電容發出的無功總量。改變無功總量有2種方法：（1）改變投入的等效電容；（2）改變電容兩端的電壓。調壓式無功補償系統采用第二種方法，在電源頻率一定的情況下，補償容量與電容運行電壓的平方成正比。自動控制裝置實時采集電網的電壓、電流、功率因數，分析負荷的變化趨勢、系統無功功率、系統諧波含量、電壓波動情況等，通過有載分接開關動態調節電容兩端的電壓，實現動態比例無功的饋送。其電氣接線圖如圖1所示。

該系統的補償容量為Qc=U22/(Xc-XL)

因為(Xc-XL)為固定阻抗，所以補償容量Qc與U2為平方關系，通過調節分接開關的檔位即可改變輸出電壓U2。

牽引供電系統運行中無功容量欠補償時，通過有載分接開關調整檔位提高U2，增加補償無功容量；當無功容量過補償時，通過有載分接開關調整檔位降低U2，減少補償無功容量。從而使補償效果較佳，有效提高牽引供電系統的功率因數。

圖1 調壓式無功補償系統電氣接線圖

2 動態無功補償系統的常規應用

2.1 帶回流線的直接供電方式

在帶回流線的直接供電方式下，動態補償裝置設置于低壓側27.5 kV母線與地之間，自動控制裝置采集高壓側的電壓、電流、功率因數，分析負荷的變化趨勢、系統無功功率、系統諧波含量、電壓波動情況等，通過有載分接開關動態調節電容兩端的電壓，實現動態無功補償，從而提高牽引網的功率因數，同時兼濾高次諧波。

2.2 自耦變壓器供電方式

在自耦變壓器（AT）供電方式下，動態補償裝置一般設置于低壓側2×27.5 kV母線側的T線與F線之間，自動控制裝置采集低壓側2×27.5 kV母線的電壓、電流、功率因數，分析負荷的變化趨勢、系統無功功率、系統諧波含量、電壓波動情況等，通過有載分接開關動態調節電容兩端的電壓，實現動態無功補償，從而提高牽引網的功率因數，同時兼濾高次諧波。

第2.1、2.2節所述的2種供電方式下補償裝置的電氣接線如圖2所示。

圖2 無功補償系統在不同供電方式下的電氣接線示意圖

2.3 自耦變壓器供電方式下無功補償系統設計

某重載鐵路電氣化改造工程分臨時過渡工程和正式工程2部分實施。臨時工程中采用AT供電方式，分區所兼開閉所設置無功動態補償系統；正式工程采用帶回流線的直接供電方式，牽引變電所設置無功動態補償系統。2種供電方式的不同，電壓等級、補償方法皆不相同。按常規設計思路，正式工程中在牽引變電所低壓側A相、B相母線與地之間分別設置無功補償系統；臨時過渡工程中在分區兼開閉所2×27.5 kV母線側的T線與F線之間設置無功補償系統。電氣化改造工程共設置3套無功動態補償裝置，同時正式工程開通后，造成AT供電方式下分區兼開閉所處無功補償系統的廢棄。

為了滿足正式工程和臨時過渡工程中無功補償的需要，同時減少設備的廢棄，在AT供電方式下，T/R、F/R之間分別設置1套動態無功補償系統，如圖3所示。

圖3 無功補償系統在自耦變壓器供電方式下新型電氣接線示意圖

自動控制裝置采集低壓側2×27.5 kV母線的電壓、電流、功率因數，分析負荷的變化趨勢、系統無功功率、計算牽引網需要補償的無功總量，平均分配給T/R、F/R之間的動態無功補償系統，從而提高牽引網的功率因數，同時兼濾高次諧波。

3 結語

自耦變壓器供電方式下，T/R、F/R之間分別設置了無功補償系統的新型設計，與常規T/F之間設置無功補償系統相比較，設備電壓等級由55 kV降低為27.5 kV，并滿足帶回流線的直接供電方式下的應用，降低了工程投資，提高了經濟效益。2010年，該臨時過渡工程開工后，無功動態補償系統穩定運行，驗證了AT供電方式下在T/R、F/R之間分別設置動態無功補償系統的可行的，且該系統應用效果良好，可供相關工程借鑒參考。

[1] 曹建猷.電氣化鐵道供電系統[M].北京：中國鐵道出版社，1983.

[2] 鐵路電力牽引供電設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[3] GB50227-2008 并聯電容器裝置設計規范[S].

[4] 周志成.牽引供電系統諧波與無功補償技術應用研究[D].西南交通大學，2006.

The traction power supply modes for electrified railways consist of mainly the direct feeding system with return wires and the autotransformer (AT) system. The reactive power compensation circuits are connected in parallel between overhead contact line (T line) and rail (R) under direct feeding system with return wires; and the reactive power compensation circuits are connected in parallel between contact wire (T line) and positive wire (F) under AT system. The analysis and researches made for the reactive power compensation systems connected in parallel between T/R or F/R respectively, and on the basis of application of the reactive power compensation systems under the both modes will provide references for the similar projects.

Electrified railway; direct feeding system with return wire; autotransformer feeding system; reactive power compensation

U223.5

：B

：1007-936X(2016)03-0017-02

2016-02-20

鄭國龍. 中鐵工程設計咨詢集團有限公司，工程師，電話：13810981743。