牽引變電所動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置改造方案研究

韓嘯

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京102600）

1 概述

隨著電力機(jī)車的高速發(fā)展，如今的電力機(jī)車可進(jìn)行自我無功補(bǔ)償。但一些年代稍久的鐵路線路，由于采用交直型電力機(jī)車，功率因數(shù)較低，影響了電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。當(dāng)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量下降時(shí)，會導(dǎo)致電能損耗增加，造成電力資源浪費(fèi)。因此，電力部門對電源側(cè)功率因數(shù)不滿足0.9 的牽引變電所進(jìn)行罰款。為彌補(bǔ)線路上的無功功率，減少無功罰款，電容補(bǔ)償裝置應(yīng)運(yùn)而生。

2 無功補(bǔ)償裝置簡介

2.1 固定電容補(bǔ)償器

固定電容補(bǔ)償器通過投入固定數(shù)量的電容器來對線路上的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，原理簡單但是靈活性差，尤其是對運(yùn)量較小的鐵路線路，當(dāng)線路上無車運(yùn)行時(shí)，固定電容器仍在投運(yùn)反而會使功率因數(shù)更低。但是由于其結(jié)構(gòu)簡單，成本偏低，且對于中等運(yùn)量的鐵路仍有一定的無功補(bǔ)償效果，因此目前多數(shù)牽引變電所仍采用這種補(bǔ)償方式。

2.2 動(dòng)態(tài)電容補(bǔ)償器(SVC)

動(dòng)態(tài)電容補(bǔ)償器可以通過調(diào)節(jié)投入運(yùn)行的電容器數(shù)量來對線路上的負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)，當(dāng)線路上負(fù)荷越大時(shí)投入的電容器越多，達(dá)到良好的無功補(bǔ)償效果。常見的動(dòng)態(tài)電容補(bǔ)償裝置有晶閘管控制電抗器（TCR）式、晶閘管投切電容器（TSC）式、磁控電抗器（MCR）式[1]。晶閘管投切電容器型SVC 的原理是由多組并聯(lián)的晶閘管來控制容抗的大小，其中晶閘管只起到開關(guān)的作用，這種方式可以有效抑制諧波的產(chǎn)生，缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢，不能很好的應(yīng)對沖擊性負(fù)荷[2]。晶閘管控制電抗器式電容補(bǔ)償裝置中的晶閘管具有觸發(fā)延遲功能，通過此功能控制與其并聯(lián)的電容器形成連續(xù)、可控的感性電流，由于閥組容量大于電容組容量，使得整套裝置既能補(bǔ)償容性無功也能補(bǔ)償感性無功[3]。晶閘管控制電抗器式電容補(bǔ)償裝置直接連在高壓母線上，具有響應(yīng)速度快、補(bǔ)償效果好的優(yōu)點(diǎn)。但由于其晶閘管在高壓側(cè)，對晶閘管的耐壓水平的要求較高，在實(shí)際運(yùn)行中的設(shè)備，時(shí)常會出現(xiàn)單體晶閘管損壞的情況，且TCR 型電容補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，后期運(yùn)營維護(hù)成本高。磁控電抗器式電容補(bǔ)償裝置在其控制線圈連接有兩個(gè)晶閘管，在一個(gè)工頻周期內(nèi)兩個(gè)晶閘管輪流導(dǎo)通，通過改變晶閘管控制角度，調(diào)節(jié)控制回路輸出的控制電流大小，進(jìn)而控制線圈對應(yīng)的鐵芯中產(chǎn)生的直流磁通量，以此來提供連續(xù)變化的無功功率。磁控電抗器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)原理簡單，本體抗沖擊能力強(qiáng)，通過控制晶閘管的控制角進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)連續(xù)補(bǔ)償，使用壽命長[4]。

3 雙流牽引所動(dòng)補(bǔ)電容現(xiàn)狀及改造方案

3.1 雙流牽引所現(xiàn)狀

久永線雙流牽引變電所動(dòng)補(bǔ)電容系統(tǒng)為2013 年投運(yùn)，采用晶閘管控制電抗器投切的方式，電容器回路設(shè)備為室內(nèi)布置，主要設(shè)備有電容器、室內(nèi)濾波電抗器、電流互感器、放電線圈及避雷器等；閥組回路的一次側(cè)為室外布置，主要設(shè)備有相控電抗器、手動(dòng)隔離開關(guān)及電流互感器，閥組為一層房屋布置，室內(nèi)僅有晶閘管及控制屏。由于部分原因晶閘管部分損壞，B 相控制屏損壞，閥組室內(nèi)二次電纜皆以拆除，其他設(shè)備外觀完好?，F(xiàn)已不能投運(yùn)，導(dǎo)致功率因數(shù)降低，不能滿足電力部門對于牽引變電所電源側(cè)功率因數(shù)不低于0.9 的要求，造成罰款。

牽引變電所現(xiàn)場設(shè)備型號及可利用情況如表1 所示。

表1 現(xiàn)場設(shè)備型號

牽引變電所現(xiàn)有電容器設(shè)備如圖1 所示。

圖1 既有電容器設(shè)備

3.2 電容器容量校核

根據(jù)《牽引供電系統(tǒng)并聯(lián)電容無功補(bǔ)償?shù)挠?jì)算條件和方法》（TB2009-87）中對牽引所并聯(lián)電容無功補(bǔ)償裝置的計(jì)算方法，無功補(bǔ)償裝置電容器的計(jì)算容量為[5]：

式中：Qx——無功補(bǔ)償計(jì)算容量，kvar；

cosφ1——補(bǔ)償前電源側(cè)功率因數(shù)；

cosφ2——補(bǔ)償后電源側(cè)功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值；取0.9；

PL——供電臂平均有功功率，kW。

電容器的安裝容量為：

式中：QC——無功補(bǔ)償安裝容量，kvar；

KΦ——運(yùn)行條件系數(shù)（取1）；

α——補(bǔ)償度，取0.12；

UCH——電容器（組）標(biāo)稱電壓，取42kV；

UM——二次母線額定電壓，取27.5kV。

根據(jù)以上公式，將雙流牽引所目前的功率因數(shù)及有功功率代入后，得到安裝容量為A 相8800kvar，B 相8400kvar，目前的電容器組容量滿足無功補(bǔ)償容量要求。

3.3 改造方案一

雙流牽引所目前為無人值班有人值守站，目前所內(nèi)閥組已損壞，閥組控制屏主板擊穿。若維持晶閘管控制電抗器式的動(dòng)態(tài)電容補(bǔ)償方式，則具體改造方案如下：

3.3.1 A 相控制屏現(xiàn)場檢查無明顯損壞，控制屏可正常開啟，但因室內(nèi)二次電纜已拆除，未能進(jìn)行晶閘管控制試驗(yàn)，本次方案研究A 相控制屏，但投運(yùn)前需要進(jìn)行調(diào)試試驗(yàn)。

3.3.2 B 相控制屏主板及屏體燒壞，B 相控制屏整體更新，原控制屏修復(fù)并作為站內(nèi)備用，以便日后出現(xiàn)故障后及時(shí)更換故障器件。

3.3.3 更換損壞的閥組，規(guī)格參數(shù)與既有閥組設(shè)備相匹配。

3.3.4 室內(nèi)閥組回路二次電纜更換為阻燃屏蔽電纜，閥組與綜合自動(dòng)化系統(tǒng)連接電纜重新配置。

3.3.5 閥組回路室外設(shè)備及電纜利舊，電容器回路設(shè)備及電纜利舊。

3.4 改造方案二

對于晶閘管控制電抗器式的動(dòng)態(tài)電容補(bǔ)償方式具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)成本高等缺陷，本次改造方案提出將雙流牽引所動(dòng)補(bǔ)電容改造為磁控電抗器式動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償動(dòng)補(bǔ)。具體改造方案如下：

3.4.1 既有電容器組回路設(shè)備及電纜利舊，原閥組回路改換為磁控電抗器回路。

3.4.2 磁控電抗器采用室外布置，根據(jù)牽引供電防火規(guī)范要求，油浸式磁控電抗器與主變壓器應(yīng)有10m 以上間隔[6]。

3.4.3 磁控電抗器回路主要設(shè)備有電抗器、電流互感器、隔離開關(guān)、避雷器、MCR 端子箱等，此回路設(shè)備一次電纜從二層電容器室的母排通過穿墻套管穿出，在距地4 米位置改成電纜穿管的方式接入地下，利用電纜溝接入隔離開關(guān)。二次電纜從控制室走電纜溝接入電抗器。

3.4.4 新增磁控電抗器控制屏放置于控制室內(nèi)。

3.5 保護(hù)配置

根據(jù)TB/T3309-2013 中的規(guī)定，動(dòng)補(bǔ)裝置系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，無級連續(xù)調(diào)節(jié)方式應(yīng)不大于50ms，分級調(diào)節(jié)方式應(yīng)不大于4s，控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不大于15ms。同時(shí)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置中的所有設(shè)備應(yīng)能耐受所要求的連續(xù)或短時(shí)過負(fù)載能力，在電壓和電流超過允許值時(shí)應(yīng)能進(jìn)行保護(hù)，通常1.1 倍過載應(yīng)能連續(xù)運(yùn)行，1.2倍過載運(yùn)行時(shí)間不低于10s。

根據(jù)《牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)配置及整定計(jì)算技術(shù)導(dǎo)則》（QCR687-2018）中規(guī)定，并聯(lián)補(bǔ)償電容器需要進(jìn)行如下保護(hù)配置。

主保護(hù)：電流速斷保護(hù)、差電壓保護(hù)、差電流保護(hù)。

后備保護(hù)：過電流保護(hù)、全電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、失壓保護(hù)。

4 方案總結(jié)比選

本文簡要介紹當(dāng)前鐵路線路應(yīng)用的幾種動(dòng)態(tài)電容補(bǔ)償裝置，針對雙流變電所動(dòng)態(tài)電容補(bǔ)償裝置的現(xiàn)狀，提出了兩種改造方案。方案一為維持晶閘管控制電抗器的動(dòng)態(tài)電容補(bǔ)償方式，更換損壞的閥組及控制屏，更換阻燃屏蔽電纜以提高電纜的屏蔽性，防止閥組工作時(shí)產(chǎn)生的干擾，此方案投資較少，施工周期較短，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，后期維護(hù)成本高。方案二將閥組回路改換為磁控電抗器回路，此方案后期維護(hù)簡單，穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是投資較高，施工相對復(fù)雜，且磁控電抗器為油式電抗器，根據(jù)防火規(guī)范需放置于室外，且距變壓器距離大于10m，需要牽引所室外具備一定的閑置地域，對于既有牽引所改造有一定難度。