節(jié)能型鐵路自閉貫通線(xiàn)路動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)

王向東，魏宏偉

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100055）

節(jié)能型鐵路自閉貫通線(xiàn)路動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)

王向東，魏宏偉

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100055）

闡述了鐵路電力系統(tǒng)的自閉和貫通電力線(xiàn)路為鐵路沿線(xiàn)自動(dòng)閉塞信號(hào)及車(chē)站負(fù)荷等提供電源。介紹了一種節(jié)能型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，根據(jù)用電負(fù)荷需要補(bǔ)償?shù)娜萘?，改變有載分接開(kāi)關(guān)的接頭，從而改變并聯(lián)電抗器電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自閉貫通線(xiàn)電壓、無(wú)功的綜合自動(dòng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)提高供電電能質(zhì)量、線(xiàn)路無(wú)功平衡的目標(biāo)。

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償；鐵路電力系統(tǒng)；有載分接開(kāi)關(guān)

1 鐵路自閉貫通配電網(wǎng)

鐵道配電網(wǎng)使用自動(dòng)閉塞和電力貫通線(xiàn)路（簡(jiǎn)稱(chēng)自閉貫通線(xiàn)）為鐵路系統(tǒng)調(diào)度集中、車(chē)站電氣集中聯(lián)鎖、自動(dòng)閉塞、駝峰信號(hào)等一級(jí)負(fù)荷提供電源。自閉電力線(xiàn)路是指對(duì)自動(dòng)閉塞區(qū)段信號(hào)設(shè)備供電的10 kV專(zhuān)用電力線(xiàn)路。貫通線(xiàn)是指連通鐵路沿線(xiàn)兩個(gè)相鄰變電所、配電所間的10 kV 或35 kV電力線(xiàn)路，它主要對(duì)沿線(xiàn)的車(chē)站和區(qū)間負(fù)荷供電，兼做信號(hào)設(shè)備的備用電源。鐵路自閉貫通配電網(wǎng)在系統(tǒng)構(gòu)成和功能上與常規(guī)電力系統(tǒng)配電網(wǎng)有所區(qū)別，它主要的特點(diǎn)有：供電線(xiàn)路長(zhǎng)；供電點(diǎn)多，供電負(fù)荷?。浑妷旱燃?jí)低，變（配）電所結(jié)構(gòu)單一，但供電可靠性要求高。

隨著電氣化鐵路線(xiàn)，尤其是高速動(dòng)車(chē)線(xiàn)路的發(fā)展，對(duì)于鐵路電力的供電穩(wěn)定性需求越來(lái)越高，因此，自閉貫通線(xiàn)往往都采用電纜線(xiàn)路來(lái)為鐵路信號(hào)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等用戶(hù)供電。由于這些電纜線(xiàn)路較長(zhǎng)，相間和對(duì)地電容較大，尤其是線(xiàn)路負(fù)載較少時(shí)，線(xiàn)路末端電壓很高而且狀態(tài)不穩(wěn)定，從而造成線(xiàn)路及其設(shè)備不能正常工作。

采用并聯(lián)電抗器可以吸收電纜線(xiàn)路的容性無(wú)功，改善線(xiàn)路上的電壓分布，使輕負(fù)荷時(shí)線(xiàn)路中的無(wú)功功率盡可能就地平衡，防止無(wú)功功率不合理流動(dòng)，同時(shí)也減輕了線(xiàn)路上的功率損失。還可以防止發(fā)電機(jī)帶長(zhǎng)線(xiàn)路可能出現(xiàn)的自勵(lì)磁諧振現(xiàn)象。本文將介紹一種實(shí)用新型的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，全文的結(jié)構(gòu)如下：第二節(jié)提出一種新的實(shí)用新型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方案，第三節(jié)給出了該補(bǔ)償系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用案例，第四節(jié)就該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和效益進(jìn)行分析，最后一節(jié)是總結(jié)。

2 方案研討

按照電能質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求，系統(tǒng)總體架構(gòu)分為跨專(zhuān)業(yè)自動(dòng)采集、集成大數(shù)據(jù)管理、指標(biāo)計(jì)算和挖掘分析3個(gè)層次，見(jiàn)圖1。通過(guò)制定停電事件自動(dòng)生成規(guī)約，建立數(shù)據(jù)集成規(guī)范，實(shí)現(xiàn)跨專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。通過(guò)研究電力各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)特征，充分整合數(shù)據(jù)集成結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)跨專(zhuān)業(yè)、跨層級(jí)的大數(shù)據(jù)融合和應(yīng)用。采用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象化、業(yè)務(wù)對(duì)象內(nèi)存化、內(nèi)存對(duì)象分布化、分析計(jì)算并行化的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)象化并行計(jì)算框架，促進(jìn)大數(shù)據(jù)挖掘和分析應(yīng)用。由于自閉貫通線(xiàn)越來(lái)越多使用電纜，且負(fù)載較小的原因，無(wú)功補(bǔ)償?shù)谋匾燥@著。無(wú)功功率也會(huì)影響供電電壓的穩(wěn)定。這種關(guān)系可以通過(guò)圖1的基本線(xiàn)路來(lái)說(shuō)明。

圖1 電壓與無(wú)功功功率的關(guān)系

其中，U1(U2)為線(xiàn)路電壓相量，I為電流相量，P為有功功率，Q為無(wú)功功率，R和X為線(xiàn)路的阻性和感性阻抗。在實(shí)際的電力線(xiàn)路系統(tǒng)中，因?yàn)榫€(xiàn)路兩端的電壓差的相角差異很小，所以在公式 (1)中的虛部可以忽略。由該公式可以看出，當(dāng)鐵路系統(tǒng)電力自閉貫通線(xiàn)的有功負(fù)載較小的時(shí)候，電壓將主要取決于無(wú)功功率，對(duì)于電纜線(xiàn)路，主要是容性無(wú)功。

容性無(wú)功功率的補(bǔ)償方案通常分為以下幾種。

2.1 固定容量電抗器直接投入

固定容量方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作維護(hù)維修容易，但不能及時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)無(wú)功電流及電壓的變化，不可避免出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償和欠補(bǔ)償狀態(tài)。

2.2 磁閥式并聯(lián)電抗器

通過(guò)晶閘管控制磁通量大小調(diào)整輸出容量的方式。磁閥式并聯(lián)電抗器調(diào)整幅度較大，調(diào)節(jié)速度很快，分級(jí)較細(xì)。

2.3 靜止補(bǔ)償器（STATCOM）

采用可關(guān)斷器件串聯(lián)技術(shù)，速度快，控制靈活，如果靜止補(bǔ)償器使用門(mén)控晶閘（GTO），則該器件最優(yōu)的故障率表現(xiàn)約為每個(gè)/每年100 Mvar。

2.4 分接開(kāi)關(guān)調(diào)整變壓器線(xiàn)圈匝數(shù)改變電抗器無(wú)功

通過(guò)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，改變變壓器分接接頭的連接，調(diào)整變壓器線(xiàn)圈匝數(shù)，通過(guò)改變電壓的方式改變電抗器的無(wú)功功率。此方式穩(wěn)定性高，維護(hù)量小，但調(diào)節(jié)速度比磁閥式并聯(lián)電抗器稍慢。

綜上，每種投入方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)鐵路自閉貫通線(xiàn)負(fù)載低，無(wú)功調(diào)節(jié)穩(wěn)定性要求高，調(diào)節(jié)速度要求相對(duì)較低的特點(diǎn)，本文提出的節(jié)能實(shí)用新型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)是基于最后一種：通過(guò)有載分接開(kāi)關(guān)調(diào)整自耦變壓器的方式進(jìn)行電抗器無(wú)功功率的調(diào)節(jié)。并聯(lián)電抗補(bǔ)償容性無(wú)功是非常普遍的做法，該原理如圖2所示。通過(guò)并聯(lián)電抗器，把電纜的容性無(wú)功補(bǔ)償?shù)?，從而達(dá)到提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電壓的目的。

圖2 并聯(lián)電抗無(wú)功補(bǔ)償原理

本文提出的節(jié)能型無(wú)功補(bǔ)償裝置是調(diào)壓式并聯(lián)電抗器動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，該系統(tǒng)的示意圖如圖3所示，系統(tǒng)的主要硬件構(gòu)成為自耦變壓器，電抗器，有載分接開(kāi)關(guān)，無(wú)勵(lì)磁開(kāi)關(guān)以及檢測(cè)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的DSP數(shù)字控制技術(shù)，實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)電網(wǎng)電壓、無(wú)功等狀態(tài)參數(shù)，在綜合分析記錄基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化算法決定有載分接開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，通過(guò)調(diào)節(jié)電抗器電壓來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功量，實(shí)時(shí)控制電網(wǎng)的容性無(wú)功電流，將系統(tǒng)容性無(wú)功電流控制在最低程度且保持線(xiàn)路電壓平衡。系統(tǒng)中的無(wú)勵(lì)磁開(kāi)關(guān)是為了進(jìn)一步細(xì)化無(wú)功功率的調(diào)節(jié)范圍，使得補(bǔ)償量更加貼近系統(tǒng)真實(shí)需求。

圖3 節(jié)能實(shí)用新型并聯(lián)電抗無(wú)功補(bǔ)償原理

有載分接開(kāi)關(guān)是圖3系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，以滅弧方式來(lái)分，有載分接開(kāi)關(guān)分為油滅弧方式和真空滅弧方式，對(duì)于鐵路自閉貫通線(xiàn)，由于開(kāi)關(guān)級(jí)電壓和額定電流小，油滅弧開(kāi)關(guān)可以滿(mǎn)足技術(shù)要求。油滅弧有載分接開(kāi)關(guān)具體的動(dòng)作過(guò)程如圖4所示，圖4中展示了分解開(kāi)關(guān)從1擋變換到2擋的動(dòng)作程序。過(guò)渡電阻的存在保證了整個(gè)變換過(guò)程的順滑流暢。值得說(shuō)明的是由于系統(tǒng)的無(wú)功調(diào)節(jié)是通過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作改變自耦變壓器接頭的方式來(lái)調(diào)節(jié)電抗電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)無(wú)功量，這種動(dòng)作模式保證了對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)最低的諧波污染。

圖4 有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程

3 補(bǔ)償案例

無(wú)功補(bǔ)償分為變電站集中補(bǔ)償，線(xiàn)路分散補(bǔ)償和用戶(hù)端的當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償。集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償是針對(duì)10 kV及以上的高壓網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償主要針對(duì)380 V的低壓網(wǎng)絡(luò)。鐵路自閉貫通線(xiàn)主要是10 kV電壓級(jí)別，所以采用變電站集中補(bǔ)償或者分散補(bǔ)償?shù)姆桨浮?/p>

以一條鐵路10 kV的貫通線(xiàn)為例，該線(xiàn)路有350 mm2的三芯鋁線(xiàn)電纜約6.3 km。以三芯鋁纜的典型分布電容值0.33μF/km估算，該段電纜的無(wú)功約為

式中，Uu為線(xiàn)電壓，C為分布電容，L為電纜長(zhǎng)度。

實(shí)際測(cè)量值顯示該段線(xiàn)路的無(wú)功在38～76 kvar之間。由于無(wú)功功率的變化，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)囊饬x更加明顯。

針對(duì)該線(xiàn)路，一套上文中介紹的無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來(lái)：補(bǔ)償容量36～180 kvar。有載分接開(kāi)關(guān)分為9擋，每擋補(bǔ)償容量16 kvar；分接開(kāi)關(guān)完全完成每檔的轉(zhuǎn)換速度大約為3 s每擋。安裝本文介紹的無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)之前，該貫通線(xiàn)的功率因數(shù)約為0.6，安裝本系統(tǒng)后，功率因數(shù)提高到0.95。運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示，有載分接開(kāi)關(guān)每天平均動(dòng)作10次以下，完全可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的無(wú)功補(bǔ)償。該項(xiàng)目的成功運(yùn)行顯示出本文提出的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定高效，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 優(yōu)勢(shì)以及效益

與固定容量投入方式相比，本文介紹的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)輸出容量可以大幅度自動(dòng)調(diào)節(jié)，適應(yīng)性強(qiáng)。與磁閥式并聯(lián)電抗器裝置相比，本裝置安裝方便快速，不需要加蓋控制室和空調(diào)進(jìn)行恒溫控制，可以露天室外安置，占地面積小，維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低，電流諧波含量低，根據(jù)理論仿真及樣機(jī)對(duì)比測(cè)量，只有同容量磁閥式電抗器電流諧波含量的十分之一。諧波含量小也是本系統(tǒng)優(yōu)于其他應(yīng)用電力電子開(kāi)關(guān)技術(shù)的系統(tǒng)的最大長(zhǎng)處。同時(shí)該裝置的優(yōu)勢(shì)是節(jié)能環(huán)保效果明顯，系統(tǒng)附加損耗很小，只有自身額定容量的0.5%左右，相當(dāng)于同容量磁閥式電抗器附加損耗的三分之一。

通過(guò)提高鐵路自閉貫通線(xiàn)的功率因數(shù)，直接減免功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)，為業(yè)主帶來(lái)直接的經(jīng)濟(jì)效益。此外，動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償對(duì)穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改進(jìn)電能質(zhì)量，保障電網(wǎng)安全也具有積極的促進(jìn)作用。

5 結(jié)論

本文針對(duì)鐵路自閉貫通線(xiàn)長(zhǎng)電纜、低負(fù)載的特性，提出了一種節(jié)能型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有損耗低、穩(wěn)定性高、維護(hù)量低、噪音低等特點(diǎn)，裝置投入電網(wǎng)后能夠自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)準(zhǔn)確補(bǔ)償電網(wǎng)所需要的無(wú)功容量。應(yīng)用案例證實(shí)了該系統(tǒng)的價(jià)值。

Energy-saving Dynam ic Reactive Power Compensation System for Railway Power Lines

WANG Xiangdong,WEIHongwei

（China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)

Self-blockingand run-through power lines in railway electric system provide powersupply for railway controlsignalsand railway stations.This paper introduced an energy saving-dynamic reactive power compensation system.According to compensation capacity thatpower load requires,this system employson-load tap changer to change the voltage ofshunt reactor so as to realize automatic adjustment for reactive power and self-blocking lines voltage.In thisway,power quality can be improved and reactive power balance can be realized.

dynamic reactive power compensation;railway;on-load tap changer

TM274

B

1671-0320（2016）05-0067-03

2016-07-08，

2016-08-18

王向東（1971），男，河北渾州人，1994年畢業(yè)于重慶大學(xué)電氣工程系，工學(xué)碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姎饣F路供電系統(tǒng)及供電系統(tǒng)電能質(zhì)量；

魏宏偉（1968），男，河南洛陽(yáng)人，1991年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，工學(xué)碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殍F路電力供電系統(tǒng)。