并聯(lián)電容補償裝置的現(xiàn)狀及改進

王坤　趙配合

摘 要：在電氣化鐵路供電系統(tǒng)中，當(dāng)某供電區(qū)間運行的機車比較多時，牽引網(wǎng)末端的電壓往往低于額定電壓，有時甚至低于允許的最低電壓，影響電力機車正常運行，降低運輸效益，同時也降低了線路功率因數(shù)，增大了諧波量，造成整個供電系統(tǒng)電壓質(zhì)量不高。為了在運輸繁忙時保證整個鐵道系統(tǒng)的正常運行，須提高牽引網(wǎng)電壓質(zhì)量，所以在電氣化鐵路供電系統(tǒng)中通常采用補償裝置來提高網(wǎng)壓，這不僅關(guān)系到電氣化鐵路運輸效益還關(guān)系到運輸生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；補償裝置；諧波；功率因數(shù)

在鐵路牽引供電系統(tǒng)中，當(dāng)某供電區(qū)間運行的機車比較多時，牽引網(wǎng)末端的電壓往往低于21KV，有時甚至低于19KV，影響電力機車牽引力的發(fā)揮，降低運輸效益，為了在運輸繁忙時保證整個鐵道系統(tǒng)的正常運行，須提高牽引網(wǎng)電壓，所以在鐵路牽引供電系統(tǒng)中通常采用并聯(lián)電容補償裝置來提高網(wǎng)壓。然而牽引變電所并聯(lián)電容補償裝置的技術(shù)狀態(tài)，不僅關(guān)系到運輸效益還關(guān)系到運輸生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，電力部門不僅對負(fù)序、諧波、功率因數(shù)等參數(shù)，制定了嚴(yán)格的考核標(biāo)準(zhǔn)，還實施按功率因數(shù)調(diào)整電費，由于牽引變電所現(xiàn)有的并聯(lián)電容補償裝置難以達(dá)到功率因數(shù)0.9標(biāo)準(zhǔn)，須交納功率因數(shù)調(diào)整電費。因此，很有必要對現(xiàn)有變電所電容補償裝置進行改造，減少功率因數(shù)調(diào)整電費的支出，提高電氣化鐵路經(jīng)濟效益。

1 我段現(xiàn)有靜態(tài)電容補償裝置影響功率因數(shù)提高的原因

牽引變電所一般安裝兩組不可調(diào)的靜態(tài)并聯(lián)電容補償裝置，固定安裝在27.5KV母線上，分別補償兩個供電臂。由于牽引負(fù)荷為間歇性的特點，負(fù)荷變化大，功率因數(shù)低，靜態(tài)電容補償不能自動追蹤補償，影響功率因數(shù)提高，這一點在貴昆線變電所很常見。例如尹堡村變電所，兩組電容同時投入運行功率因數(shù)通常也就在0.89～0.91之間，功率因數(shù)也就勉強達(dá)到電力部門的要求，當(dāng)然這還不包括反向無功計入之后的功率因數(shù)。

現(xiàn)有靜態(tài)電容補償裝置，不能根據(jù)電力機車負(fù)荷情況進行無功補償。一般設(shè)計部門設(shè)計都會按近期遠(yuǎn)期不同用電量分不同階段進行主要電力設(shè)備容量的設(shè)計，如近期變壓器容量可能只有25000MVA，但是隨著運量的增加，遠(yuǎn)期變壓器容量可達(dá)到60000MVA，而對某些電力設(shè)備為避免日后擴容改造的工程量過大，在近期的時候就按線路遠(yuǎn)期運量考慮。因近期運量較小，牽引變電所電容補償投入后，易產(chǎn)生過補償。同時，為保證牽引供電的可靠性，供電臂牽引負(fù)荷率較低，單線區(qū)段的負(fù)荷率只能達(dá)到50%左右，此時補償電容投入，也會產(chǎn)生過補償。過補償給電力系統(tǒng)反饋無功電量，而電力部門對無功補償裝置實行“反轉(zhuǎn)正計”的計量方法，把用戶反送電力系統(tǒng)的無功電量與取用的無功電量絕對值相累加，加大了無功電量部分的計算，影響了功率因數(shù)的提高。這一點在盤西線表現(xiàn)很明顯，盤西線車流量較小，牽引網(wǎng)大半時間都處于空載狀態(tài)，像白水變電所只投入A組電容時，每天18點計算正向功率因數(shù)基本都可以達(dá)到0.98，而累加上反向后功率因數(shù)低于0.8，甚至有時候不足0.6，這就給電氣化鐵路的經(jīng)濟效益帶來了極大的影響。

另外，現(xiàn)有電容補償裝置的補償還有一個特點，受地理環(huán)境和地勢環(huán)境的影響，牽引變電站一個變壓器所供兩個供電臂的長度通常都會有區(qū)別，每條供電臂線路縱斷面和坡度也不一樣，而兩個供電臂電容補償裝置容量相等，用相等容量的電容來補償不等負(fù)荷的供電臂，不能根據(jù)牽引變壓器每相符合情況進行補償，導(dǎo)致滯后相適度補償，超前相過度補償；超前相適度補償，滯后相欠補償，致使補償效果不甚理想。

2 投切電容補償裝置的危害及對設(shè)備的影響

諧波對系統(tǒng)并聯(lián)電容有較大的影響，諧波電流會疊加在基波電流上，使電容器的運行電流有效值增大，使峰值電壓大大增加。投入和撤出電容會使系統(tǒng)諧波電流放大。在實際電力系統(tǒng)中，經(jīng)?？梢园阎C波阻抗與諧波容抗看作感性元件和容性原件并聯(lián)的等值諧波阻抗。

投切電容補償裝置，可能出現(xiàn)操作過電壓。在投入并聯(lián)電容補償裝置時，考慮到二階電路對正弦函數(shù)相應(yīng)中的穩(wěn)態(tài)分量是時間的正弦函數(shù)，為便于分析電容補償裝值投入時易產(chǎn)生過電壓的最大可能性，現(xiàn)將補償裝置視為二階電路零狀態(tài)下對階躍函數(shù)的響應(yīng)進行剖析，另考慮到實際情況R很小，所以只分析R<2（L/C）1/2振蕩條件下的情況。振蕩充電過程中UC與I隨時間變化的曲線如圖1，可以看出，在振蕩的充電過程中，如果電路中的電阻R很小，UC的最大值將趨近于電源電壓的2倍，UC=2E，即電容兩端最大過電壓可達(dá)2倍母線電壓。

與電容電壓分析相同，電抗器過電壓約等于母線電壓27.5KV，而并聯(lián)電容裝置投入時，電抗器的過電壓大約為電抗器額定電壓的7.3倍。通過以上分析可知，并聯(lián)電容補償裝置投入瞬間產(chǎn)生的躍變電壓非常大，如此大的電壓將嚴(yán)重影響電容器、電抗器及真空斷路器的壽命。

3 目前國內(nèi)提高功率因數(shù)的幾種常用方法

目前，國內(nèi)電氣化鐵道牽引變電所為提高功率因數(shù)，提高電壓質(zhì)量，普遍采用靜態(tài)電容的補償裝置。從六十年代末期以來，世界上許多國家都致力于研制新型電容器補償設(shè)備，以達(dá)到自動跟蹤補償?shù)哪康?。許多國家先后研制了多種型式的靜止無功動態(tài)補償裝置（簡稱SVC），有利用晶閘管（可控硅）分組投切電容器組來補償牽引負(fù)荷產(chǎn)生的無功。還有一種新型的電壓無功綜合補償裝置（簡稱VQC），是根據(jù)電力牽引負(fù)荷情況，利用真空接觸投切電容器單元，達(dá)到自動追蹤補償目標(biāo)。另外國內(nèi)還有一種有效的方法是在牽引變電所安裝串聯(lián)電容補償裝置（SC C），將串聯(lián)電容補償裝置安裝在牽引變壓器二次側(cè)的接地端。

為了使?fàn)恳冸娝苓_(dá)到最佳的運行狀態(tài)，必須使補償裝置，在網(wǎng)壓比較高時旁路補償裝置，在網(wǎng)壓比較低時投入補償裝置。昆明鐵路局貴昆線、盤西線在建立初都是采用并聯(lián)電容組補償裝置，基于鐵路系統(tǒng)負(fù)荷的特殊性，牽引網(wǎng)有一半時間處于空載狀態(tài)，這一點前面已經(jīng)提到這里就不再贅述。對此在2005年先后在盤西線幾個變電所投入靜止動態(tài)無功補償裝置（簡稱SVC），以盤西線白水牽引變電所為例，無功動態(tài)補償裝置的具體動作過程如下：

1）當(dāng)白水變電所正常運行時，變壓器空載，補償裝置的晶閘管導(dǎo)通，串聯(lián)電容補償裝置被旁路斷開。

2）當(dāng)白（水）平（河口）區(qū)間有列車運行時，檢測到A相出口電壓低于設(shè)定值，截斷A相晶閘管，投入A相串聯(lián)靜止電容補償裝置，提高網(wǎng)壓，保證白平區(qū)間上所有列車正常運行。

3）當(dāng)白（水）平（河口）區(qū)間列車減少時，檢測到變壓器A相出口電壓大于設(shè)定值（29KV），則導(dǎo)通A相晶閘管，斷開A相串聯(lián)的靜止電容補償裝置，恢復(fù)到正常運行狀態(tài)。

在A相靜止電容補償裝置投切的過程中，B相不會因為A相的動作而動作，始終根據(jù)B相出口電壓的值來判定，是否投切B相靜止電容補償裝置。這樣根據(jù)負(fù)荷的變化適時動態(tài)的來進行補償，相比原有的靜止補償裝置，對電能的利用率有了很大的提高。

4 目前城市軌道交通采用的改進補償裝置的方法

城市軌道交通與交流電氣化鐵路一樣，都是與電力為牽引，是電氣化鐵路的一個分支。城市軌道交通與普通交流電氣化鐵路的不同之處在于，牽引供電電壓等級不同，電壓制式不同。城市軌道交通通常采用直流1500V，750V兩個等級的牽引供電電壓，而普通交流電氣化鐵路通常采用交流27.5kV等級的牽引供電。城市軌道交通一樣具有牽引負(fù)荷間歇性的特點，負(fù)荷變化大，城市軌道交通中有大量自然功率因數(shù)較低的低壓用電設(shè)備，供電系統(tǒng)中功率因數(shù)較低。另外，城市軌道交通還有一個自身的特點，使其功率因數(shù)比交流電氣化鐵路更低，更不容易進行補償。對城市軌道交通而言，功率因數(shù)的過低致使其每月向供電局交納的力調(diào)電費，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常使用電費，是嚴(yán)重影響城市軌道交通收益的一個重大問題。

城市軌道交通因主要是在城區(qū)建設(shè)，城區(qū)征地、拆遷較困難，城市軌道交通通常約20公里建兩座110kV等級的變電站，在110kV變電站將110kV電壓變?yōu)?5kV電壓，通過沿軌道交通一起敷設(shè)的電纜供給軌道交通沿線的眾多降壓變電所，混合變電所。電纜是電壓傳遞的主要載體，而電纜又是純?nèi)菪宰杩?，截面?×150的鋼制35kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜每公里電纜阻抗達(dá)0.143Ω，20公里的電纜，阻抗約為2.86Ω。所以，城市軌道交通的功率因數(shù)在沒有補償裝置的情況下，非常之低，在昆明軌道交通公司曾經(jīng)統(tǒng)計過，在沒有補償裝置的一個月，一臺變壓器的功率因數(shù)僅有0.08，功率因數(shù)調(diào)整率達(dá)到129%，而在投入補償裝置以后功率因數(shù)可以調(diào)整到0.98以上，補償裝置的補償效果非常明顯。

目前城市軌道交通通常采用的補償裝置為靜止無功發(fā)生器（SVG），其主要的工作原理是基于瞬時無功功率的概念和補償原理，以大功率可關(guān)斷電力電字器件組成的逆變器為核心，相應(yīng)的自動控制和保護系統(tǒng)等組成的成套裝置，其基本原理與靜止動態(tài)無功補償裝置（簡稱SVC）相同，均是通過新型的控制器不再選用以功率因數(shù)為檢測量，而是以無功電流為檢測量，來進行補償。

5 靜態(tài)電容補償裝置與動態(tài)無功補償裝置優(yōu)缺點比較

靜態(tài)電容補償裝置作為早期的補償裝置在交流電氣化鐵路中有大量的運用，其自身存在的補償問題也被不斷的發(fā)現(xiàn)，對此很多人和單位都做了很多的研究，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子科技的日趨成熟和普遍運用，動態(tài)無功補償裝置逐漸嶄露頭角，越來越多的應(yīng)用于更廣闊的領(lǐng)域。在以往的工作中對兩種補償裝置均有運用，并且有一定的研究，對此也對兩種補償裝置的優(yōu)缺點有一些自己的看法：

5.1 動態(tài)無功補償裝置由于包含設(shè)備較多，單獨一套補償裝置通常帶有一臺干式變壓器、隔離開關(guān)柜、電容器柜、可控硅柜、控制柜等設(shè)備，而一套靜態(tài)電容補償裝置通常只帶有電容器組，電抗器，隔離開關(guān)等主要設(shè)備，所以一套無功補償裝置的造價要比一套靜態(tài)電容補償裝置的造價要高很多。

5.2 靜態(tài)電容補償裝置都要配備電容器組和電抗器，雖然現(xiàn)在的工藝水平已經(jīng)有了很大的提升，但是電容器組和電抗器都有很充裕的占地面積和安全距離。而動態(tài)無功補償裝置經(jīng)過自帶變壓器的降壓后只是10kV的電壓等級，并且只有在進線線路超過20公里的情況下需要進行特殊補償?shù)臅r候才會考慮設(shè)計電抗器，一般設(shè)計中都是柜式設(shè)備，大大縮減了補償裝置的占地面積。這一點靜態(tài)電容補償裝置對惜土如金的城市軌道交通來講是非常不利的，占地面積的擴大，增加了征地面積和拆遷面積，就意味著建設(shè)方將投入更多的征地和拆遷資金和投入更多的精力來完成變電站的建設(shè)，同時，征地和拆遷的困難增大也會導(dǎo)致整個工程建設(shè)難度的增大。

5.3 靜態(tài)電容器補償裝置通常是由電容器組、電抗器、隔離開關(guān)等這些大型器件組成，產(chǎn)品使用比較穩(wěn)定，投入之初不需要進行很復(fù)雜的調(diào)試，試驗合格即可以投入使用，定期的核對性試驗較容易完成，也能盡早，及時，直觀的發(fā)現(xiàn)問題，后期如果需要可以重新更換不同生廠商的同類設(shè)備，對生產(chǎn)商的依賴不強。而動態(tài)無功補償裝置除了一些主要的硬件外，主要的工作核心還是在軟件上面，投入之初需要經(jīng)過長時間的調(diào)試，才能將功率因數(shù)和諧波調(diào)整到一個最佳狀態(tài)。并且，補償裝置的核心部件都是電子元器件，插件式部件構(gòu)成，故障率高，需要的檢修維護技術(shù)更高，后期對生產(chǎn)商的依賴更強。

6 結(jié)束語

昆明鐵路局昆明供電段白水牽引變電所在SVC投入系統(tǒng)后，經(jīng)過一個月的試運行與變電所其他設(shè)備配合良好，計入反相無功后的功率因數(shù)也基本達(dá)到0.9，功率因數(shù)這一項較以前有了明顯的提高。在投入前期，SVC系統(tǒng)晶閘管擊穿比較敏感，饋線斷路器跳閘也很容易就導(dǎo)致晶閘管擊穿，之后經(jīng)過生廠商的調(diào)試，運行時基本上解決這一問題。而在昆明供電段平關(guān)牽引變電所，SVC運行初期也是有一些很不穩(wěn)定的表現(xiàn)。

在城市軌道交通工程中，使用的SVG一樣也是初期調(diào)試時間較長，調(diào)試完成以后補償效果有了明顯的改變，挽回了城市軌道交通不少經(jīng)濟損失?？偟膩碚f，動態(tài)無功補償裝置系統(tǒng)還是利大于弊的，針對電氣化鐵路系統(tǒng)的特殊性，對功率因數(shù)提高和抑制諧波電流的產(chǎn)生都作出了一定的貢獻(xiàn)。

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