秦嶺牽引變電所功率因數(shù)問題分析

蘇普江

（西安鐵路局調(diào)度所，陜西 西安 710054）

1 問題提出

秦嶺牽引變電所地處秦嶺之巔，位于寶成鐵路卡脖子段的寶雞至風(fēng)州區(qū)段中間位置，距寶雞四十五千米。寶風(fēng)段電氣化鐵路是我國(guó)于1961年開通運(yùn)營(yíng)的最早的電氣化鐵路，其中的任家灣至秦嶺段不僅基本處于隧道區(qū)段，而且是高坡道區(qū)段，線路坡度在千分之二十以上的占百分之八十以上，最大坡度為百分之三十三。秦嶺牽引變電所的供電臂都在這個(gè)區(qū)段。目前該所為兩臺(tái)4萬千伏安的變壓器、兩臺(tái)運(yùn)行一臺(tái)備用方式。運(yùn)行三十多年來，秦嶺牽引變電所全部的變壓器、斷路器、流互、壓互及補(bǔ)償裝置等幾經(jīng)改造，目前基本處于滿足牽引負(fù)荷的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。但長(zhǎng)期以來，該所主變運(yùn)行功率因數(shù)低下，處于0.86左右。功率因數(shù)低會(huì)導(dǎo)致電壓質(zhì)量差并造成很大的網(wǎng)損，這一概念已為人所共知。實(shí)際上負(fù)荷功率因數(shù)下降的危害遠(yuǎn)不止于此，它會(huì)降低輸電網(wǎng)的傳輸能力，從而引起變電站的穩(wěn)定性下降，在重載情況下甚至導(dǎo)致變電站電壓崩潰。

2 問題分析

針對(duì)該變電所功率因數(shù)低的問題，相關(guān)管理部門也多次進(jìn)行研究討論，并采取在所內(nèi)增加無功補(bǔ)償裝置，饋線始端加裝串電容以提高饋線末端電壓等方式，但功率因數(shù)提高不理想，目前仍保持在0.87左右。下面是采集的該變電所2013年10月份的日運(yùn)行的有功、無功和功率因數(shù)統(tǒng)計(jì)表。

日期 有功（千瓦） 無功（千乏） 功率因數(shù) 動(dòng)補(bǔ)電容2013.10.1 99550 59400 0.86 投入2013.10.2 103950 59950 0.87 投入2013.10.3 107800 62700 0.86 投入2013.10.21 92136 54048.5 0.86 投入2013.10.26 101512.5 64537 0.87 投入2013.10.30 96987 55308 0.86 投入

COSφ—功率因數(shù) P—有功功率 S—視在功率 Q—無功功率

從該所以上統(tǒng)計(jì)的2013年10月份日運(yùn)行統(tǒng)計(jì)表可以看出：該所日最大用電有功在10月3日為107800千瓦，最大無功出現(xiàn)在10月26日，為64537千乏；最大功率因數(shù)為0.87，最小為0.85；該所裝有補(bǔ)償電容容量為400法拉的一組電容和三個(gè)容量分別為360千歐、410千歐、461千歐的電抗器，日常均處于投入運(yùn)行狀態(tài)。

核查該變電所供電區(qū)段10月份列車運(yùn)行圖，顯示為10月3日貨物列車增加了3趟；10月16日貨物列車比平日少開兩趟；當(dāng)日有功數(shù)據(jù)大基本都是下行貨物列車運(yùn)行較多；10月18日該所供電區(qū)段內(nèi)秦嶺站機(jī)車單機(jī)折返較多等。

秦嶺牽引變電所供電區(qū)段即供電臂處于高坡區(qū)段，該段列車牽引定數(shù)為3 000噸左右；列車在供電臂內(nèi)運(yùn)行時(shí)，下行為上坡、上行為下坡運(yùn)行方式。列車在該區(qū)段運(yùn)行時(shí)，每趟列車均設(shè)有補(bǔ)機(jī)，客車每列設(shè)一臺(tái)補(bǔ)機(jī)，貨物列車每列均有中補(bǔ)和后補(bǔ)機(jī)車連同本務(wù)機(jī)車三臺(tái)機(jī)車同時(shí)牽引；下行列車到達(dá)秦嶺站后停留，摘掉中補(bǔ)和后補(bǔ)機(jī)車，列車?yán)^續(xù)向風(fēng)州方向開行；上行列車到達(dá)秦嶺站后，加掛補(bǔ)機(jī)向?qū)氹u方向開行，在寶雞東站或任家灣站摘掉補(bǔ)機(jī)。

通過以上統(tǒng)計(jì)表和列車運(yùn)行資料可以看到，該所供電區(qū)段內(nèi)列車牽引機(jī)車運(yùn)行不但取流較大，而且牽引機(jī)車運(yùn)行方式特別。（1）當(dāng)機(jī)車運(yùn)行在大坡道區(qū)段時(shí)，機(jī)車內(nèi)的變壓器、電動(dòng)機(jī)等電磁裝置磁通達(dá)到飽和狀態(tài)或過飽和狀態(tài)，且隨坡度時(shí)大時(shí)小變化；（2）當(dāng)下行列車補(bǔ)機(jī)機(jī)車運(yùn)行至秦嶺站后，需要摘掉整備，等待擔(dān)當(dāng)上行補(bǔ)機(jī)機(jī)車時(shí)，運(yùn)行到達(dá)緩坡區(qū)段甚至到站后，機(jī)車上的磁場(chǎng)削弱，磁通量減少；（3）當(dāng)機(jī)車重新啟動(dòng)時(shí)重新勵(lì)磁，充磁達(dá)到飽和狀態(tài)；（4）列車機(jī)車下坡運(yùn)行時(shí)改用它勵(lì)發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行時(shí)自勵(lì)勵(lì)磁等。這幾種情況下，電力機(jī)車均需要吸收或釋放無功電流，造成較大的無功電流在饋線和供電臂上往復(fù)流動(dòng)。電力機(jī)車在該所供電區(qū)段運(yùn)行時(shí)其電磁設(shè)備反復(fù)勵(lì)磁、磁場(chǎng)在飽和與不飽和中反復(fù)變化，應(yīng)是該所無功數(shù)值較大的主要原因。功率因數(shù)與牽引負(fù)荷的均衡度有關(guān)，負(fù)荷波動(dòng)越大，功率因數(shù)越低。由于牽引負(fù)荷的波動(dòng)性，無功補(bǔ)償裝置在空載或輕載時(shí)形成無功返送，但在負(fù)荷較大時(shí)，無功功率供應(yīng)不足。還有機(jī)車固有功率因數(shù)低、牽引負(fù)荷不平衡、負(fù)荷波動(dòng)變化大和計(jì)量方式不盡相同等因素造成秦嶺變電所功率因數(shù)低。

3 建議和措施

改善功率因數(shù)問題，地方電網(wǎng)和電化管理者們?cè)性S多不同的方式，但對(duì)秦嶺高坡區(qū)段要用針對(duì)性的解決方法。通過對(duì)秦嶺牽引變電所統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和供電區(qū)段列車機(jī)車運(yùn)行情況的分析，要提高該變電所功率因數(shù)，建議采用以下方式：（1）對(duì)秦嶺電氣化鐵路高坡區(qū)段，優(yōu)化現(xiàn)行列車機(jī)車運(yùn)行方式，或許是舉措之一。像秦嶺變電所供電區(qū)段內(nèi)的坡道區(qū)段，坡度較大，且坡道坡度時(shí)大時(shí)小，優(yōu)化列車運(yùn)行方式，保持牽引電力機(jī)車磁通量處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；列車補(bǔ)機(jī)在秦嶺站待閉時(shí)間縮短，減少機(jī)車釋放無功電流；（2）加強(qiáng)機(jī)務(wù)段機(jī)車上補(bǔ)償裝置的使用管理，促使他們及時(shí)投入機(jī)車上的補(bǔ)償裝置，從而達(dá)到確保功率因數(shù)提高的目的；（3）在該所供電臂上多加裝無功電源，即電容并聯(lián)電抗器等裝置，也可采用其它的無功電源裝置；（4）增加饋線或并聯(lián)線，提高該所供電臂末端電壓。末端電壓提高后，當(dāng)機(jī)車運(yùn)行在供電臂末端時(shí)，就減少了無功電流在牽引網(wǎng)上的穿梭。