鐵路電力貫通線路動態無功補償方案探究

中鐵十一局集團電務工程有限公司 羅 明

1 引言

一般情況下，鐵路線路改造環節中，沿線的電力貫通線路普遍負荷較小，用電負荷不會產生明顯變化，負荷與架空線路之間產生了容性電流，這種電流通常會跟隨電纜與線路的比例而變化，并引發線路供電無功負荷問題以及線路損耗問題，嚴重情況下會造成調壓器過負荷。面對這一情況，有必要加強對容性電流的動態補償，保持線路供電安全。

2 鐵路電力貫通線路動態無功補償方式分析

針對鐵路沿線的電力貫通線路，決定采取固定補償聯合動態補償的方式，即在沿線信號中繼站搭設并聯電抗器，以此作為固定補償；在變電站內加設動態補償裝置，以此作為動態補償，其中用到的動態無功補償主要有以下三種。

2.1 分組投切電抗器補償方式

掌握線路運行的實際情況，分組投切電抗器無功補償裝置一般是使用成套設備，在真空接觸器與計算機大數據的幫助下分析數據，使三個容量不同的電阻器一同構成補償裝置，隨后按照線路當前無功情況完成功率因數分析，以此更好的控制補償裝置。實際上真空接觸器主要接收源于計算機的指令，實現對電抗器的投切管理，再按照無功補償數據選擇投切方案。這種補償方式能夠實現自動化操作，計算機在控制投切裝置動作的同時可對功率因數加以設置，防止投切期間出現任何振蕩的情況，提高系統運行可靠性[1]。

2.2 相控電抗器補償方式

這種補償方式能夠實時跟蹤電壓與無功的實際變化情況，以控制晶閘管導通角的方式完成電抗器電流的調節工作，最終將功率因數補償到預期范圍中，以此達到無功補償的目的。相控電抗器補償期間常會出現以下情況：功率因數絕對值大于限定范圍后，補償裝置暫停工作，不再繼續無功補償；功率因數無法滿足線路所需時，系統自動跟蹤電壓與無功變化，繼續完成無功補償。這種自動式無功補償要求功率因數達到預期系統設定值，只有這樣才能保持補償效果，但由于系統裝置結構比較復雜，后期需要安排專業人員加強維護[2]。

2.3 磁閥式可控電抗器補償方式

與其他補償方式不同，基于磁閥控制原理下的補償方式需要調整電抗器的容量，以此作為無功補償的必要手段。依靠晶閘管觸發角控制電流大小，再經過相應的自動化操控，實現電抗器容量的有效控制，以此補償線路無功，也讓功率因數達到需求數值。電抗器鐵心主要包含兩部分，每部分鐵心截面都會有著可控的磁飽和度。與其他兩種無功補償方式相比，磁閥式電抗器無功補償不僅耗損低，補償效果更好，無需投入過多成本即可達到補償效果。

3 鐵路電力貫通線路動態無功補償方案

3.1 線路容性電流分析

實施線路無功補償的意義在于提高功率因數，盡可能地減低設備容量和功率損耗，時刻維持電壓穩定，提高電力供電質量，從而滿足鐵路線路長距離運輸的輸電要求。實際上，實施無功補償的目的在于消除無功電流在線路內的有功損耗，因負載而形成的無功功率與電力變壓器形成能量交換時，電流將會越過導線產生發熱的現象，此時發熱就屬于有功損耗。采用動態感性補償方式，在貫通母線處經過斷路器的位置T接感性無功補償裝置，以此用來補償容性無功，調整補償量，同時增加一路饋出。

但是這種補償方式容易受到場地的限制，成本偏高，裝置需要安裝在10kV的鐵路貫通線路母線段位置，具有補償電源容性無功的作用，在提升功率因數的同時全方位保障鐵路全線的供電質量。經過研究得知，貫通線路沿著鐵路主要呈現出帶狀的分布方式，線路中容性電流偏大，架空線路會產生較少感性電流，從貫通線路末端一直到配電所首段，整個區域內的容性電流是逐漸加大的。一般情況下，貫通線路由A配電所負責主供供電臂，B所負責備供。A所在進行設備檢修或者系統故障處理時會由B所來主供供電臂。當整條線路設備都要維修時，線路開關可以采用開口運行的方式，A和B兩個配電所能夠完成分段供電[3]。由此，線路容性電流大小會因為供電方式而改變。

3.2 技術選型與方案設計

用于電力線路中的無功補償方案較多，如使用靜態補償器、并聯電容器等補償裝置達到預期補償效果。無功補償就是指在交流非純阻性系統內采用感性負載的辦法發出無功功率，以此補償系統內容性負載所吸收的無功功率，從而達到雙方無功功率平衡的效果。簡而言之，無功補償就是將帶有感性功率和容性功率的負載裝置并聯在同一條電路中，感性負載裝置釋放出能量的同時，容性負載裝置吸收能量；容性負載裝置對外釋放能量的時候，感性負載可以吸收能量，此時能量會在容性負載和感性負載之間相互轉換，以此實現無功功率的補償。

用于鐵路電路貫通線路中的補償方式主要為集中補償與分散補償兩種，前者一般將補償裝置安裝在配電所中，設備數量比較少，人們可以在配電所內集中完成設備的運檢維修工作，降低了運營維護難度。相比之下，分散補償方式就是將無功補償分別在鐵路沿線分散設置，以此提升鐵路電能質量，最大限度降低線路損耗，但是相對應的裝置檢修與維護難度比較大，這種無功補償方式更容易受到氣候環境與地質條件等因素的影響。

對于方案設計部分，相應設計要點如下：一是基波補償容量，要求功率因數超過0.95，按照實際情況在A和B兩個供電臂的27.5kV母線處安裝電容器，其中A供電臂的電容器容量為6000kVar，B供電臂的容量也是6000kVar，單臺電容器電壓值額定8.4kV，可以在1.36倍電壓下運行，支路上的額定電壓是27.5kV，此時A和B兩個供電臂的補償容量同時達到4567kVar，如果線路電壓達到了29kV，此時補償容量就會變為5080kVar，這就是方案中的基波補償容量情況。

二是磁控式電抗器容量，安裝這種電抗器可以實現電纜容性充電功率朝著系統的方向倒送無功，依據各個時段線路輸出的容量變化判斷電抗器與電容器支路配合情況，無論是對電抗器單獨應用，或是電抗器與電容器聯合使用，都可以達到預期補償效果。

三是對電路補償支路合理設計，依據12%電抗率使用單調諧濾波器裝置。該動態補償裝置正式投入運行之后，系統電壓值一般處于26.4～28.8kV，此時動態補償裝置控制點的功率因數超過0.95，3次諧波電流為95%的概率值是21.64A；5次諧波電流為95%概率值是18.46A；7次諧波電流在95%的概率值可達到9.864A。

3.3 動態感性無功補償裝置

3.3.1 工作原理

基于電抗器自身，首選磁控式電抗器，利用磁閥控制原理創建無功調整方案，使鐵芯得到磁化，以此達到調節電抗器磁飽和度的作用，最終改變無功功率。對于線路內不同的運行方式，一般可以使用電壓與電流互感器進行線路運行參數的在線監控，工業單片機負責采集分析數據，再依據相應程序對電抗器輸出控制信號，從而改變無功功率，以完成對線路的感性無功補償。

3.3.2 總體結構

在加權知識超網絡中，協同成員具有不同的重要性與權重。因此，在考慮協同成員權重的情況下，進一步提出加權專有知識成員比例這一概念來評價CPIKN中專有知識成員的重要性。加權專有知識成員比例

該裝置包含電抗器、電壓互感器、電流互感器以及控制器幾部分，基于無功補償需求確定裝置運行方案，實時監測線路的運行參數，通過固定與動態補償方式的綜合應用提升功率因數，以此抑制過電壓，解決線路電壓諧振問題。

3.4 線路降損

3.4.1 線路損耗計算

以某線路為例，10kV主線與分支線全長共75.71km，其中共有公專變和公變167臺和93臺，而專變共有74臺，公變偏多導致鐵路線損偏大。線路負荷一般集中于末端位置，電流大且線路長，這是導致電阻損耗偏大的主要原因。隨著末端低電壓和分段壓差的不斷增加，無形中加大了線路損耗，所以這是造成線路損耗的原因之一[4]。

線路有功網損主要分為變壓器總鐵損、總銅損、配電網支路總線損，單臺變壓器鐵損與配電網全部變壓器的鐵損計算公式如下：

公式（1）中，ΔPoi指的是第i臺變壓器上的鐵損情況；ue指的是各變壓器額定電壓。如果電壓相等，那么配電網內單臺變壓器和所有變壓器的銅損計算公式如下所示：

公式（2）中，Ie指的是額定電流，針對各個配電支路，需滿足P=UIcosα，cosα指的是支路處的功率因數，計算公式經過變化之后可以變成以下情況：

此時各配變支路線損情況如下所示：

公式（4）中，Ri指的是第i條支路上的電阻，此時總線損計算公式如下所示：

計算得知配網線路壓降如下：

Δu=PR+QX/Ue

其中，Ue代表的是額定電壓，壓降和有功功率P、電阻R、無功功率Q以及電抗X存在著緊密的聯系，線路內設備固定，此時電阻值與電抗值將會恒定不變，提升線路電壓水平才能降低壓降。所以，在線路上需要變量一處電容補償裝置，實現自動補償，從而降低損耗。自動調壓器的裝置圖如圖1所示。

3.4.2 方案選擇與配置分析

在方案選擇環節，決定安裝10kV無功補償裝置，該裝置的響應速度可以達到5min，每條線路需要安裝2臺左右，以階梯性的電壓抬升效果為主，每條線路上補償裝置成本在10萬元左右，可降低線路耗損。在配置環節，經過現場分析，決定在10kV新農線路處安裝兩套補償裝置，其中一套無功補償裝置的容量是800kVar，另一套裝置的容量是1000kVar。表1為降損前后的線損率對比情況，可見采用無功補償措施后線損率降低了2.6%，每日線路上損失的電量可以降低2000kWh，且平均每年可節能30萬元左右。

表1 降損前后線路線損率情況對比

總而言之，采用補償技術對線路內的容性電流加以補償，這是保障鐵路穩定運行的重點。由于鐵路供電系統在不同時間段內有著不一樣的運行方式，所造成的負荷電流也會發生變化，電纜線路電流因此改變。針對鐵路電力貫通線路，將固定補償與動態補償兩種方式相結合，根據線路無功波動的隨機性特點，通過補償方式治理線路耗損問題，通過線損計算分析，依靠磁閥式補償裝置提高功率因數，從而消除諧波，為鐵路貫通線路電力系統運行營造良好的環境。