重載鐵路牽引負(fù)荷對(duì)變電所功率因數(shù)的影響研究

魏儔元，曹曉斌

(1.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，山西原平 034101;2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031)

重載鐵路牽引負(fù)荷對(duì)變電所功率因數(shù)的影響研究

魏儔元1，曹曉斌2

(1.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，山西原平 034101;2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031)

功率因數(shù)是衡量電源利用效率的重要因素，也是影響牽引供電系統(tǒng)效率及輸電線路末端網(wǎng)壓的重要因素。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究朔黃鐵路牽引負(fù)荷對(duì)變電所功率因數(shù)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)牽引負(fù)荷對(duì)進(jìn)線電源側(cè)和饋線側(cè)功率影響方式存在較大的差異：電源側(cè)功率因素隨牽引負(fù)荷的增大而減少，饋線側(cè)功率因素隨牽引負(fù)荷的增大而增大。通過(guò)研究認(rèn)為變電站無(wú)功補(bǔ)償方式是造成該現(xiàn)象的主要原因。最后，對(duì)朔黃鐵路如何改善電能質(zhì)量及擴(kuò)能提出了建議。

朔黃鐵路;牽引供電系統(tǒng);功率因數(shù);擴(kuò)能;牽引負(fù)荷

朔黃鐵路是繼大秦鐵路之后我國(guó)第二條西煤東運(yùn)大通道，其運(yùn)量自2000年正式投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)逐年增加，到2012年已達(dá)到1.97億t。為了滿足運(yùn)量快速增加的要求，需要研究進(jìn)一步提高運(yùn)輸能力的措施。提高鐵路運(yùn)輸能力主要有三個(gè)途徑，一是增加列車密度，二是建設(shè)新的鐵路線路，三是提高列車載運(yùn)量［1-2］。由于現(xiàn)階段朔黃鐵路的行車密度己經(jīng)處于飽和狀態(tài)，提高車速、增加行車密度的空間較小，建設(shè)新的線路投資大，周期長(zhǎng)，因此，提高列車載運(yùn)量是增加既有線路運(yùn)輸能力的主要措施。而且重載技術(shù)提高了運(yùn)輸效率，降低了運(yùn)輸成本，在多個(gè)國(guó)家得以應(yīng)用，是今后貨物運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)［3-5］。牽引供電系統(tǒng)是重載鐵路的動(dòng)力來(lái)源，大功率機(jī)車的應(yīng)用在提高列車的負(fù)載能力的同時(shí)，也加大了牽引供電系統(tǒng)的負(fù)荷［6-7］。功率因數(shù)是決定供電系統(tǒng)效率的重要因素，當(dāng)功率因數(shù)過(guò)低時(shí)，牽引負(fù)荷中包含有大量的無(wú)功，對(duì)鋼軌電位、末端電壓均有著較大的影響，最終影響重載列車的正常運(yùn)行［8-11］。我國(guó)目前對(duì)重載鐵路牽引供電系統(tǒng)功率因數(shù)研究較少，本文通過(guò)對(duì)朔黃鐵路萬(wàn)噸重載列車試驗(yàn)時(shí)牽引供電系統(tǒng)的網(wǎng)壓及功率因數(shù)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果，研究重載對(duì)功率因數(shù)的影響，從而為重載列車的開行打下基礎(chǔ)。

1 測(cè)試方案

本次牽引供電系統(tǒng)性能測(cè)試選取110 kV進(jìn)線電源薄弱，系統(tǒng)短路容量小，線路縱斷面坡度大，重車方向供電臂列車帶電平均電流大的牽引變電所和分區(qū)所進(jìn)行。此次測(cè)試分為SS4機(jī)車1+1編組方式和2+0編組方式，1+1編組方式下機(jī)車位于萬(wàn)噸列車前部和中部，過(guò)分相時(shí)間相隔大約1 min，2+0編組方式下兩個(gè)機(jī)車均位于萬(wàn)噸列車前部，過(guò)分相時(shí)間相隔僅約1～3 s，因此兩個(gè)機(jī)車可以看作一個(gè)整體。測(cè)試時(shí)分為重車與輕車，分別對(duì)應(yīng)相同列車編組方式下滿載與空載時(shí)的情況。

1.1 測(cè)試設(shè)備

本次測(cè)試所用的主要設(shè)備包括4臺(tái)DSA-2000型綜合電能分析裝置，1臺(tái)BDC-5電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀。其中3臺(tái)DSA-2000型綜合電能分析裝置安裝在3個(gè)牽引變電所，1臺(tái)DSA-2000型綜合電能分析裝置和1臺(tái)BDC-5電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀安裝在2個(gè)分區(qū)所。

測(cè)試設(shè)備接線:將需要測(cè)量的信號(hào)端子從中信盤、變送器盤、保護(hù)盤上引出，分別與測(cè)試設(shè)備的電流/電壓輸入模塊的端子相連，對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行調(diào)試及參數(shù)配置就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集了。不同地點(diǎn)的測(cè)試裝置及機(jī)車上、分相處、所內(nèi)監(jiān)測(cè)人員在測(cè)試前要進(jìn)行時(shí)鐘對(duì)時(shí)，以保證測(cè)試的同步性。

本次變電所測(cè)試采用的DSA-2000型(便攜型)綜合電能分析裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)30路電壓、電流信號(hào)的同時(shí)監(jiān)測(cè)，裝置如圖1所示。

圖1 DSA-2000型(便攜型)綜合電能分析裝置

本次在分區(qū)所進(jìn)行測(cè)試所采用的試驗(yàn)設(shè)備是BDC-5電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀，該裝置能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)8路電壓電流信號(hào)，具體設(shè)備如圖2所示。

圖2 BDC-5電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀

1.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

在試驗(yàn)中，使用電能分析裝置采集列車運(yùn)行時(shí)的電壓、電流、列車運(yùn)行區(qū)間功率因數(shù)及牽引變電所高壓側(cè)功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，各波形如圖3所示。

2 牽引負(fù)荷對(duì)牽引變電所功率因數(shù)的影響

2.1 牽引負(fù)荷對(duì)進(jìn)線電源側(cè)的影響

在試驗(yàn)中，使用電能分析裝置采集列車運(yùn)行時(shí)的電壓、電流、列車運(yùn)行區(qū)間功率因數(shù)及牽引變電所高壓側(cè)功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，各波形如圖4所示。重載列車運(yùn)行后產(chǎn)生大量的無(wú)功功率，由于牽引變電所的電能是從地方變電站獲取，無(wú)功增加后造成電能質(zhì)量下降，從而導(dǎo)致進(jìn)線電源容量的利用率下降，嚴(yán)重時(shí)可能造成進(jìn)線容量無(wú)法滿足要求。根據(jù)朔黃鐵路的特點(diǎn)，可以將供電臂按地形分為3種:當(dāng)該供電臂內(nèi)線路地形以單向坡道為主時(shí)，本文中稱為爬坡地形;當(dāng)供電臂內(nèi)線路地形以上下坡為主時(shí)，本文中稱為山區(qū)丘陵地形;當(dāng)供電臂內(nèi)線路較為平直時(shí)，本文中稱為平原丘陵地形。

圖4為不同地形對(duì)應(yīng)的變電所進(jìn)線側(cè)功率因數(shù)的測(cè)量結(jié)果。

從圖4中可以看出，不管什么地形，變電所進(jìn)線側(cè)功率因數(shù)90%以上的時(shí)間超過(guò)了0.8，部分區(qū)段的功率因數(shù)有50%以上的時(shí)間超過(guò)了0.9，因此變電所電源側(cè)的功率因數(shù)總體較高，開行重載列車對(duì)進(jìn)線側(cè)輸出的無(wú)功沒(méi)有顯著增加，對(duì)地方變電站的電能質(zhì)量沒(méi)有太大的影響。

圖4 不同地形對(duì)應(yīng)的變電所進(jìn)線側(cè)功率因數(shù)波形

圖4(a)對(duì)應(yīng)的是爬坡地形，由于該區(qū)段重載列方向?qū)?yīng)的是下坡，機(jī)車長(zhǎng)期處于低功率牽引或惰行方式運(yùn)行，此時(shí)總牽引電流小，電源側(cè)功率因數(shù)較高，圖4(b)和圖4(c)對(duì)應(yīng)的是丘陵地形，由于上下坡影響機(jī)車的輸出功率，功率因數(shù)變化較大。總體而言，牽引變電所進(jìn)線側(cè)對(duì)應(yīng)的功率因數(shù)與機(jī)車總輸出功率有關(guān)，總功率越大，功率因數(shù)越低。

從圖4中同樣可以看出，該現(xiàn)象與牽引變電所的無(wú)功補(bǔ)償有關(guān)，當(dāng)牽引電流很小時(shí)，如圖4(a)所示，此時(shí)所內(nèi)補(bǔ)償?shù)娜菪詿o(wú)功功率大于機(jī)車產(chǎn)生的無(wú)功功率，此時(shí)進(jìn)線側(cè)以容性無(wú)功為主，圖4(b)和圖4(c)中機(jī)車產(chǎn)生的無(wú)功功率遠(yuǎn)大于容性補(bǔ)償無(wú)功功率，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的總功率因數(shù)下降。

2.2 牽引負(fù)荷對(duì)饋線側(cè)的影響

在饋線側(cè)，重載列車產(chǎn)生的無(wú)功功率將直接造成線路末端電壓下降，影響正常行車，本節(jié)同樣按3種地形分析牽引負(fù)荷對(duì)饋線側(cè)功率因數(shù)的影響。不同地形下牽引負(fù)荷與功率因數(shù)的關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同地形對(duì)應(yīng)的變電所饋線側(cè)功率因數(shù)波形

圖5(a)對(duì)應(yīng)的是爬坡地形，由于該區(qū)段重載列方向?qū)?yīng)的是下坡，機(jī)車長(zhǎng)期處于低功率牽引或惰行方式運(yùn)行，此時(shí)總牽引電流小，饋線側(cè)功率因數(shù)較低，圖4(b)和圖4(c)對(duì)應(yīng)的是丘陵地形，由于上下坡影響機(jī)車的輸出功率，功率因數(shù)變化較大?？傮w而言，牽引變電所饋線側(cè)對(duì)應(yīng)的功率因數(shù)與機(jī)車總輸出功率有關(guān)，總功率越大，功率因數(shù)越高。

3 重載鐵路擴(kuò)能方案分析

3.1 進(jìn)線側(cè)的擴(kuò)能方案

進(jìn)線電源的容量必需滿足牽引負(fù)荷的要求，當(dāng)不增加進(jìn)線電源的容量時(shí)，必需提高進(jìn)線電源的利用率，這與提高牽引變電所高壓側(cè)的功率因數(shù)，提高電能質(zhì)量的目標(biāo)是一致的。從本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果來(lái)看，牽引負(fù)荷對(duì)進(jìn)線電源利用率有一定的影響。

表1為某區(qū)間不同牽引負(fù)荷對(duì)應(yīng)的高壓側(cè)功率因數(shù)，從電源的利用情況分析，其總功率沒(méi)有超出牽引變電所設(shè)計(jì)功率，隨著功率的增加，功率因數(shù)不斷下降。但從圖4中可以看出，隨著負(fù)荷的增加，無(wú)功功率所占的比例增加，并從容性無(wú)功轉(zhuǎn)變?yōu)楦行詿o(wú)功，機(jī)車消耗功率越大，感性無(wú)功隨之增大。

表1 機(jī)車在某所區(qū)段的運(yùn)行功率數(shù)據(jù)

對(duì)于重載鐵路擴(kuò)能改造，測(cè)試結(jié)果表明，在牽引負(fù)荷較低的情況下，朔黃鐵路總的容性無(wú)功補(bǔ)償功率超過(guò)了機(jī)車產(chǎn)生的感性無(wú)功功率，因此存在著過(guò)補(bǔ)償現(xiàn)象，但功率因數(shù)依然在0.9以上，滿足電能質(zhì)量的要求。當(dāng)牽引負(fù)荷超過(guò)10 000 kW時(shí)，功率因數(shù)降到了0.9以下，而且隨著負(fù)荷上升而下降的規(guī)律性明顯。因此根據(jù)本次測(cè)試結(jié)果，為了提高進(jìn)線電源容量的利用率，提高電能質(zhì)量，可以考慮增加容性無(wú)功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償功率。

3.2 進(jìn)線側(cè)的擴(kuò)能方案

對(duì)比第2節(jié)可以看出，牽引變電所進(jìn)線側(cè)與饋線側(cè)功率因數(shù)同樣與機(jī)車總輸出功率有關(guān)，但二者的關(guān)系正好相反，機(jī)車總輸出功率對(duì)進(jìn)線側(cè)功率因數(shù)起抑制作用，輸出功率越大，功率因數(shù)越低;饋線側(cè)機(jī)車總輸出功率越大，功率因數(shù)越高。造成該現(xiàn)象的主要原因是，目前電容補(bǔ)償裝置安裝在饋線側(cè)，當(dāng)機(jī)車處于低功率牽引或惰行方式運(yùn)行時(shí)，機(jī)車輸出功率中有功功率少，以無(wú)功為主，饋線側(cè)的電容補(bǔ)償功率小于機(jī)車無(wú)功，導(dǎo)致饋線側(cè)功率因數(shù)下降;當(dāng)多出的無(wú)功功率經(jīng)牽引變壓器傳到高壓側(cè)后，其他饋線的電容補(bǔ)償裝置可以對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，導(dǎo)致進(jìn)線側(cè)功率因數(shù)高。當(dāng)機(jī)車以大功率牽引方式運(yùn)行時(shí)，輸出功率中有功功率占的比重上升，饋線側(cè)功率因數(shù)上升;由于輸出功率增加后，總的無(wú)功功率增加，變電所電容無(wú)法滿足無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰?，因此進(jìn)線側(cè)功率因數(shù)下降。

表2為某變電所饋線負(fù)荷與功率因數(shù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從表中可以看出，隨著負(fù)荷的增加，功率因數(shù)開始上升，當(dāng)負(fù)荷增加到某一程度后，功率因數(shù)基本保持不變。從表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)機(jī)車低功率運(yùn)行時(shí)，輸出的負(fù)荷中無(wú)功所占的比重較大，功率因數(shù)較低;當(dāng)其負(fù)荷達(dá)到某一定的值后，其無(wú)功所占的比重基本保持不變。

表2 某變電所饋線側(cè)的運(yùn)行數(shù)據(jù)

根據(jù)這一特點(diǎn)可以得出以下結(jié)論:小負(fù)荷情況下牽引電流較小，盡管功率因數(shù)低，但機(jī)車輸出總功率低，此時(shí)對(duì)牽引變電所容量占用及末端網(wǎng)壓影響較小，因此擴(kuò)能改造時(shí)不能以小負(fù)荷下的功率因數(shù)作為依據(jù);大負(fù)荷情況下功率因數(shù)較高，此時(shí)牽引變電所容量利用率較高，擴(kuò)能改造時(shí)以提高大電流下線路容量及末端網(wǎng)壓為主要目標(biāo)，此時(shí)機(jī)車功率因數(shù)趨向恒定，電能質(zhì)量改造可以參照此時(shí)機(jī)車的無(wú)功功率作為補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

進(jìn)行擴(kuò)能改造是提高朔黃線路運(yùn)輸能力的重要措施。功率因數(shù)是衡量電源利用效率和電能質(zhì)量的重要因素，重載列車開行后牽引負(fù)荷增加，對(duì)牽引供電系統(tǒng)的功率因數(shù)造成重要的影響。牽引負(fù)荷對(duì)變電所進(jìn)線側(cè)和饋線側(cè)功率因數(shù)的影響規(guī)律并不相同，進(jìn)線側(cè)功率因數(shù)隨牽引負(fù)荷的增大而減小，饋線側(cè)功率因數(shù)隨牽引負(fù)荷的增大而增大，但增大到一定程度后趨向定值。造成該差異的原因是變電所補(bǔ)償裝置對(duì)進(jìn)線與饋線的補(bǔ)償效果不同，饋線側(cè)機(jī)車產(chǎn)生的無(wú)功功率主要通過(guò)本饋線的電容進(jìn)行補(bǔ)償，而進(jìn)線可以通過(guò)其他饋線進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)上述結(jié)果，對(duì)重載鐵路進(jìn)行擴(kuò)能改造時(shí)，不僅需要根據(jù)牽引負(fù)荷提高線路的載流能力，還需要增加線路的無(wú)功補(bǔ)償裝置的功率，提高功率因數(shù)。

［1］ 史瑜.京包線(大同—包頭段)萬(wàn)噸重載列車開行對(duì)策研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2010.

［2］ 楊振龍.神朔重載鐵路擴(kuò)能工程電氣化新技術(shù)［J］.電氣化鐵道，2010(2):1-4.

［3］ 何潤(rùn)珠.大秦線重載運(yùn)輸組織及相關(guān)問(wèn)題研究［D］.北京:北京交通大學(xué).2009.

［4］ 柴峰，張金勝.大秦線4億t牽引供電改造方案淺析［J］.電氣化鐵道，2009(4):18-19，23.

［5］ 李曉春，王位，李希寧.大秦線重載運(yùn)輸機(jī)車的能耗分析［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2010，33(3):20-24.

［6］ 萬(wàn)慶祝，朱桂萍，陳建業(yè)，等.平衡單相牽引負(fù)荷補(bǔ)償容量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(8):93-97.

［7］ 李揚(yáng)，張大勇，李曉春，等.大功率重載電力機(jī)車的設(shè)計(jì)及技術(shù)發(fā)展［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2009，32(2):5-9，14.

［8］ 李群湛.我國(guó)高速鐵路牽引供電發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2010，32(4):119-124.

［9］ 艾兵，董安平，吳廣寧，等.重載電氣化鐵道鋼軌及地表電位分布特性研究［J］.電氣應(yīng)用，2010，29(4):72-76.

［10］雷棟，董安平，張雪原，等.重載電氣化鐵道鋼軌電位的測(cè)試與分析［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2010，32(5):119-124.

［11］解紹鋒，李群湛.電氣化鐵道牽引負(fù)荷諧波發(fā)射限值［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，42(3):367-372.

Influence of Traction Load of Heavy Haul Railway on Power Factor of Substation

WEI Chou-yuan1，CAO Xiao-bin2
(1.Shuo-Huang Railway Development Co.，Ltd.，Yuanping 034101，China;2.School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Power factor is an important factor to measure power source utilization efficiency，also is an important factor affecting both the traction power supply system efficiency and the end-voltage of power supply network.A field test about the influence of traction load on the power factor of substation was conducted for Shuo-Huang Railway.And then a great difference was found out:when the traction load of heavy haul railway was increased，the power factor of the power supply incoming line side was decreased，but the power factor of feeder side was increased.The paper thinks that:it is the reactive power compensation mode of substation that plays the leading role in causing this phenomenon.Finally，suggestions are presented in this paper about how to improve the power energy quality and how to expand the power capacity for Shuo-Huang Railway.

Shuo-Huang Railway;traction power supply system;power factor;capacity expansion;traction load

U225

A

1004-2954(2013)09-0100-04

2013-02-28;

2013-04-20

魏儔元(1973—)，男，高級(jí)工程師，E-mail:weichouyuan@sina.com。