電氣化鐵路220kV牽引變電所無(wú)功補(bǔ)償

摘 要：能否實(shí)現(xiàn)鐵路的電氣化是鐵路現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，也是實(shí)現(xiàn)高速鐵路的重要途徑。電氣化鐵路實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵是牽引網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量問(wèn)題，它是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的重點(diǎn)。改善電能質(zhì)量，無(wú)功補(bǔ)償則勢(shì)在必行，所以，研究電氣化鐵路牽引變電所無(wú)功補(bǔ)償方案十分必要。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路 電能質(zhì)量 無(wú)功補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TM922 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）010-022-02

我國(guó)的電氣化鐵路發(fā)展迅猛，已經(jīng)進(jìn)入了高速電氣化時(shí)代，自1961年寶成鐵路——我國(guó)第一條電氣化鐵路建成后，隨著國(guó)家西南建設(shè)的加快，先后于1973年建成陽(yáng)安線、1975年9襄渝線。隨后石太線、寶蘭線相繼動(dòng)工修建。到1990年底，共交付運(yùn)營(yíng)電氣化鐵路2795.76km。21世紀(jì)初，我國(guó)電氣化鐵路以超過(guò)日本，位居亞洲第一。截止2012年12月，哈大高鐵的正式運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著中國(guó)電氣化鐵路躍居世界第一，我國(guó)電氣化鐵路以其高速、重負(fù)荷、節(jié)約初級(jí)能源的優(yōu)點(diǎn)廣泛的服務(wù)于鐵路運(yùn)輸。

1 電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)

無(wú)功補(bǔ)償有很多種方式，國(guó)內(nèi)目前在電氣化鐵路上采用的較為成熟的無(wú)功補(bǔ)償裝置主要有固定電容補(bǔ)償，機(jī)械可投切的電容補(bǔ)償（MSC），晶閘管相控電抗器（TCR）+固定濾波器補(bǔ)償，磁閥式可控電抗器補(bǔ)償（MVCR）+固定濾波器補(bǔ)償四種。這四種方式均是為了提高電氣化鐵路供電系統(tǒng)的功率因數(shù)。他們分別具有以下的優(yōu)點(diǎn)和缺陷。

牽引供電系統(tǒng)是電氣化鐵路的重要組成之一，是電氣化鐵路的動(dòng)脈。其系統(tǒng)通常沿鐵道線路分布。功能為將電力系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合電力機(jī)車使用的電壓等級(jí)。電力機(jī)車將電能轉(zhuǎn)化非牽引動(dòng)能。它包含牽引變電所、牽引網(wǎng)及其它輔助供電設(shè)施 （如圖l）。當(dāng)前的牽引電動(dòng)機(jī)多為交直型電力機(jī)車，在架空接觸網(wǎng)與鋼軌之間行駛。

諧波是電力系統(tǒng)常見(jiàn)的問(wèn)題，是一種電磁環(huán)境的污染。對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著嚴(yán)重的危害。電氣化鐵道的諧波問(wèn)題涉及機(jī)車，牽引變電所等。電氣化鐵道的諧波不僅取決于電氣機(jī)車，而且也取決于牽引變電所的類型、接法和接入供電系統(tǒng)的電壓等級(jí)。

電氣化鐵路復(fù)合的特殊性決定了牽引供電系統(tǒng)具有不同于一般三相電力系統(tǒng)的特征。電力系統(tǒng)的諧波電流是三相不平衡諧波。因?yàn)橄到y(tǒng)的牽引變電所的的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是三相不對(duì)稱的，諧波經(jīng)過(guò)變電站產(chǎn)生的為三相不平衡諧波。電氣化鐵路的牽引機(jī)車的功能使用方式?jīng)Q定了大功率單相整流負(fù)荷的特性，正式這種特性間接地決定了牽引所的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以將不可避免的產(chǎn)生負(fù)序電流。三相不平衡主要類型有單相接線、V/v接線、Y/v一11接線和三相一兩相平衡接線。不同的接線方式影響不平衡的程度。但這幾種接線方式可以合牽引供電系統(tǒng)高電壓、大電流的用電要求，也可以減輕牽引供電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的不對(duì)稱影響。

2 220kv牽引供電所無(wú)功補(bǔ)償方案

牽引供電系統(tǒng)的作用是向電力機(jī)車受電，為其提供電能，因此系統(tǒng)的電能質(zhì)量如何改善，提升是研究的重點(diǎn)。提高牽引變電所功率因數(shù)是其中有效的改善措施之一。功率因數(shù)的改變可以影響系統(tǒng)的損耗，進(jìn)而改善系統(tǒng)電能質(zhì)量。我國(guó)的電力機(jī)車的傳動(dòng)系統(tǒng)通常是單相交直流系統(tǒng)，其負(fù)荷具有隨機(jī)波動(dòng)大、非線性等特征。而電力機(jī)車作為電氣化牽引變電所的受電對(duì)象，將易牽引供電系統(tǒng)導(dǎo)致功率因數(shù)低、諧波分量大等缺點(diǎn)。而諧波電流會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成污染。因此，無(wú)功補(bǔ)償勢(shì)在必行。

對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償是為了能將系統(tǒng)中電壓控制點(diǎn)的電壓維持在指定的水平上。電力系統(tǒng)的頻率和有功功率的平衡密切相關(guān)，而電力系統(tǒng)的電壓水平則與無(wú)功功率的平衡密切相關(guān)。所以控制電壓則要進(jìn)行無(wú)功功率的平衡，對(duì)電力系統(tǒng)的無(wú)功功率做到平衡的同時(shí)，還要考慮傳輸中造成的電能損失，電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性等方面。于是，為減少損失，提出就地?zé)o功功率平衡——在變電所中設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償裝置。它是實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的就地平衡和保證電壓質(zhì)量的重要手段。所以，變電所的設(shè)計(jì)中無(wú)功補(bǔ)償裝置的配置是需要重點(diǎn)考慮的方面。

電網(wǎng)對(duì)電氣化鐵路的供電能力和供電質(zhì)量，以及電鐵對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量影響，是一直困擾電鐵和電力和諧發(fā)展的主要問(wèn)題。但由于電鐵負(fù)荷的特殊性和我國(guó)電網(wǎng)目前相對(duì)還比較薄弱，在客觀上要解決好電力和電鐵的供用電問(wèn)題，還存在一定的困難。

目前給牽引變電所供電的110kV電源，系統(tǒng)短路容量大都低于1000MVA，相當(dāng)數(shù)量在500MVA以下，有的甚至只有200、300MVA，系統(tǒng)壓降很大，難以適應(yīng)鐵路供電需要。同時(shí)，電鐵對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響也相對(duì)更加突出，呈現(xiàn)雙輸?shù)木置?。要解決好電力和電鐵的供用電問(wèn)題，需要我們立足現(xiàn)實(shí)，從客觀實(shí)際出發(fā)，共同合理研究綜合解決辦法。

目前大部分牽引變電所均采用固定并聯(lián)電容補(bǔ)償。當(dāng)負(fù)荷呈容性時(shí)，仍將容性無(wú)功視為感性無(wú)功而計(jì)入。電氣化鐵道產(chǎn)生無(wú)功負(fù)荷的有機(jī)車（QTR），變壓器（QT）及固定電容補(bǔ)償裝置（QC）。

由上式可見(jiàn)，在無(wú)功表反轉(zhuǎn)正計(jì)時(shí)，一般情況下，變電所一次側(cè)的功率因數(shù)先隨Qc的增加而增加，在達(dá)到一個(gè)峰值后，隨Qc的增加而下降。

除此之外還有晶閘管控制電抗器 TCR 并聯(lián)固定濾波器FC補(bǔ)償方案可以在實(shí)際應(yīng)用中采用。補(bǔ)償方案晶閘管控制電抗器部分TCR和單調(diào)諧濾波器部分FC兩部分組成。這種補(bǔ)償裝置的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)對(duì)牽引負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償；可以消除牽引負(fù)荷特定次諧波。其缺點(diǎn)是資金投入較大。但經(jīng)過(guò)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，其所具有的優(yōu)勢(shì)還是很明顯的。

3 結(jié)語(yǔ)

在全球經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向低碳模式的大背景下，發(fā)展低碳交通成為大勢(shì)所趨，電氣化鐵路以其節(jié)能，低污染的特征，在我國(guó)交通運(yùn)輸中占據(jù)核心地位。但電氣化鐵路也是一種典型的大功率、高諧波的三相不平衡負(fù)載，給電力系統(tǒng)造成污染，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在滿足電氣化鐵路建設(shè)的同時(shí)，確保電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是雙方的共同責(zé)任，對(duì)于無(wú)功補(bǔ)償方案的研究顯得至關(guān)重要，本文對(duì)補(bǔ)償方法的計(jì)算公式進(jìn)行詳細(xì)的論述。

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