重载铁路牵引负荷对变电所功率因数的影响研究

魏俦元，曹晓斌

(1.朔黄铁路发展有限责任公司，山西原平 034101;2.西南交通大学电气工程学院，成都 610031)

重载铁路牵引负荷对变电所功率因数的影响研究

魏俦元1，曹晓斌2

(1.朔黄铁路发展有限责任公司，山西原平 034101;2.西南交通大学电气工程学院，成都 610031)

功率因数是衡量电源利用效率的重要因素，也是影响牵引供电系统效率及输电线路末端网压的重要因素。通过现场测试研究朔黄铁路牵引负荷对变电所功率因数的影响规律，发现牵引负荷对进线电源侧和馈线侧功率影响方式存在较大的差异：电源侧功率因素随牵引负荷的增大而减少，馈线侧功率因素随牵引负荷的增大而增大。通过研究认为变电站无功补偿方式是造成该现象的主要原因。最后，对朔黄铁路如何改善电能质量及扩能提出了建议。

朔黄铁路;牵引供电系统;功率因数;扩能;牵引负荷

朔黄铁路是继大秦铁路之后我国第二条西煤东运大通道，其运量自2000年正式投入运营以来逐年增加，到2012年已达到1.97亿t。为了满足运量快速增加的要求，需要研究进一步提高运输能力的措施。提高铁路运输能力主要有三个途径，一是增加列车密度，二是建设新的铁路线路，三是提高列车载运量［1-2］。由于现阶段朔黄铁路的行车密度己经处于饱和状态，提高车速、增加行车密度的空间较小，建设新的线路投资大，周期长，因此，提高列车载运量是增加既有线路运输能力的主要措施。而且重载技术提高了运输效率，降低了运输成本，在多个国家得以应用，是今后货物运输的发展趋势［3-5］。牵引供电系统是重载铁路的动力来源，大功率机车的应用在提高列车的负载能力的同时，也加大了牵引供电系统的负荷［6-7］。功率因数是决定供电系统效率的重要因素，当功率因数过低时，牵引负荷中包含有大量的无功，对钢轨电位、末端电压均有着较大的影响，最终影响重载列车的正常运行［8-11］。我国目前对重载铁路牵引供电系统功率因数研究较少，本文通过对朔黄铁路万吨重载列车试验时牵引供电系统的网压及功率因数的实际测量结果，研究重载对功率因数的影响，从而为重载列车的开行打下基础。

1 测试方案

本次牵引供电系统性能测试选取110 kV进线电源薄弱，系统短路容量小，线路纵断面坡度大，重车方向供电臂列车带电平均电流大的牵引变电所和分区所进行。此次测试分为SS4机车1+1编组方式和2+0编组方式，1+1编组方式下机车位于万吨列车前部和中部，过分相时间相隔大约1 min，2+0编组方式下两个机车均位于万吨列车前部，过分相时间相隔仅约1～3 s，因此两个机车可以看作一个整体。测试时分为重车与轻车，分别对应相同列车编组方式下满载与空载时的情况。

1.1 测试设备

本次测试所用的主要设备包括4台DSA-2000型综合电能分析装置，1台BDC-5电能质量监测仪。其中3台DSA-2000型综合电能分析装置安装在3个牵引变电所，1台DSA-2000型综合电能分析装置和1台BDC-5电能质量监测仪安装在2个分区所。

测试设备接线:将需要测量的信号端子从中信盘、变送器盘、保护盘上引出，分别与测试设备的电流/电压输入模块的端子相连，对测试设备进行调试及参数配置就可以进行数据采集了。不同地点的测试装置及机车上、分相处、所内监测人员在测试前要进行时钟对时，以保证测试的同步性。

本次变电所测试采用的DSA-2000型(便携型)综合电能分析装置可实现对30路电压、电流信号的同时监测，装置如图1所示。

图1 DSA-2000型(便携型)综合电能分析装置

本次在分区所进行测试所采用的试验设备是BDC-5电能质量监测仪，该装置能够同时监测8路电压电流信号，具体设备如图2所示。

图2 BDC-5电能质量监测仪

1.2 测试数据

在试验中，使用电能分析装置采集列车运行时的电压、电流、列车运行区间功率因数及牵引变电所高压侧功率因数等数据，各波形如图3所示。

2 牵引负荷对牵引变电所功率因数的影响

2.1 牵引负荷对进线电源侧的影响

在试验中，使用电能分析装置采集列车运行时的电压、电流、列车运行区间功率因数及牵引变电所高压侧功率因数等数据，各波形如图4所示。重载列车运行后产生大量的无功功率，由于牵引变电所的电能是从地方变电站获取，无功增加后造成电能质量下降，从而导致进线电源容量的利用率下降，严重时可能造成进线容量无法满足要求。根据朔黄铁路的特点，可以将供电臂按地形分为3种:当该供电臂内线路地形以单向坡道为主时，本文中称为爬坡地形;当供电臂内线路地形以上下坡为主时，本文中称为山区丘陵地形;当供电臂内线路较为平直时，本文中称为平原丘陵地形。

图4为不同地形对应的变电所进线侧功率因数的测量结果。

从图4中可以看出，不管什么地形，变电所进线侧功率因数90%以上的时间超过了0.8，部分区段的功率因数有50%以上的时间超过了0.9，因此变电所电源侧的功率因数总体较高，开行重载列车对进线侧输出的无功没有显著增加，对地方变电站的电能质量没有太大的影响。

图4 不同地形对应的变电所进线侧功率因数波形

图4(a)对应的是爬坡地形，由于该区段重载列方向对应的是下坡，机车长期处于低功率牵引或惰行方式运行，此时总牵引电流小，电源侧功率因数较高，图4(b)和图4(c)对应的是丘陵地形，由于上下坡影响机车的输出功率，功率因数变化较大。总体而言，牵引变电所进线侧对应的功率因数与机车总输出功率有关，总功率越大，功率因数越低。

从图4中同样可以看出，该现象与牵引变电所的无功补偿有关，当牵引电流很小时，如图4(a)所示，此时所内补偿的容性无功功率大于机车产生的无功功率，此时进线侧以容性无功为主，图4(b)和图4(c)中机车产生的无功功率远大于容性补偿无功功率，从而导致系统的总功率因数下降。

2.2 牵引负荷对馈线侧的影响

在馈线侧，重载列车产生的无功功率将直接造成线路末端电压下降，影响正常行车，本节同样按3种地形分析牵引负荷对馈线侧功率因数的影响。不同地形下牵引负荷与功率因数的关系如图5所示。

图5 不同地形对应的变电所馈线侧功率因数波形

图5(a)对应的是爬坡地形，由于该区段重载列方向对应的是下坡，机车长期处于低功率牵引或惰行方式运行，此时总牵引电流小，馈线侧功率因数较低，图4(b)和图4(c)对应的是丘陵地形，由于上下坡影响机车的输出功率，功率因数变化较大。总体而言，牵引变电所馈线侧对应的功率因数与机车总输出功率有关，总功率越大，功率因数越高。

3 重载铁路扩能方案分析

3.1 进线侧的扩能方案

进线电源的容量必需满足牵引负荷的要求，当不增加进线电源的容量时，必需提高进线电源的利用率，这与提高牵引变电所高压侧的功率因数，提高电能质量的目标是一致的。从本次现场测试结果来看，牵引负荷对进线电源利用率有一定的影响。

表1为某区间不同牵引负荷对应的高压侧功率因数，从电源的利用情况分析，其总功率没有超出牵引变电所设计功率，随着功率的增加，功率因数不断下降。但从图4中可以看出，随着负荷的增加，无功功率所占的比例增加，并从容性无功转变为感性无功，机车消耗功率越大，感性无功随之增大。

表1 机车在某所区段的运行功率数据

对于重载铁路扩能改造，测试结果表明，在牵引负荷较低的情况下，朔黄铁路总的容性无功补偿功率超过了机车产生的感性无功功率，因此存在着过补偿现象，但功率因数依然在0.9以上，满足电能质量的要求。当牵引负荷超过10 000 kW时，功率因数降到了0.9以下，而且随着负荷上升而下降的规律性明显。因此根据本次测试结果，为了提高进线电源容量的利用率，提高电能质量，可以考虑增加容性无功补偿装置的补偿功率。

3.2 进线侧的扩能方案

对比第2节可以看出，牵引变电所进线侧与馈线侧功率因数同样与机车总输出功率有关，但二者的关系正好相反，机车总输出功率对进线侧功率因数起抑制作用，输出功率越大，功率因数越低;馈线侧机车总输出功率越大，功率因数越高。造成该现象的主要原因是，目前电容补偿装置安装在馈线侧，当机车处于低功率牵引或惰行方式运行时，机车输出功率中有功功率少，以无功为主，馈线侧的电容补偿功率小于机车无功，导致馈线侧功率因数下降;当多出的无功功率经牵引变压器传到高压侧后，其他馈线的电容补偿装置可以对其进行补偿，导致进线侧功率因数高。当机车以大功率牵引方式运行时，输出功率中有功功率占的比重上升，馈线侧功率因数上升;由于输出功率增加后，总的无功功率增加，变电所电容无法满足无功补偿的需要，因此进线侧功率因数下降。

表2为某变电所馈线负荷与功率因数的运行数据，从表中可以看出，随着负荷的增加，功率因数开始上升，当负荷增加到某一程度后，功率因数基本保持不变。从表中数据可知，当机车低功率运行时，输出的负荷中无功所占的比重较大，功率因数较低;当其负荷达到某一定的值后，其无功所占的比重基本保持不变。

表2 某变电所馈线侧的运行数据

根据这一特点可以得出以下结论:小负荷情况下牵引电流较小，尽管功率因数低，但机车输出总功率低，此时对牵引变电所容量占用及末端网压影响较小，因此扩能改造时不能以小负荷下的功率因数作为依据;大负荷情况下功率因数较高，此时牵引变电所容量利用率较高，扩能改造时以提高大电流下线路容量及末端网压为主要目标，此时机车功率因数趋向恒定，电能质量改造可以参照此时机车的无功功率作为补偿标准。

4 结论

进行扩能改造是提高朔黄线路运输能力的重要措施。功率因数是衡量电源利用效率和电能质量的重要因素，重载列车开行后牵引负荷增加，对牵引供电系统的功率因数造成重要的影响。牵引负荷对变电所进线侧和馈线侧功率因数的影响规律并不相同，进线侧功率因数随牵引负荷的增大而减小，馈线侧功率因数随牵引负荷的增大而增大，但增大到一定程度后趋向定值。造成该差异的原因是变电所补偿装置对进线与馈线的补偿效果不同，馈线侧机车产生的无功功率主要通过本馈线的电容进行补偿，而进线可以通过其他馈线进行补偿。根据上述结果，对重载铁路进行扩能改造时，不仅需要根据牵引负荷提高线路的载流能力，还需要增加线路的无功补偿装置的功率，提高功率因数。

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Influence of Traction Load of Heavy Haul Railway on Power Factor of Substation

WEI Chou-yuan1，CAO Xiao-bin2
(1.Shuo-Huang Railway Development Co.，Ltd.，Yuanping 034101，China;2.School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Power factor is an important factor to measure power source utilization efficiency，also is an important factor affecting both the traction power supply system efficiency and the end-voltage of power supply network.A field test about the influence of traction load on the power factor of substation was conducted for Shuo-Huang Railway.And then a great difference was found out:when the traction load of heavy haul railway was increased，the power factor of the power supply incoming line side was decreased，but the power factor of feeder side was increased.The paper thinks that:it is the reactive power compensation mode of substation that plays the leading role in causing this phenomenon.Finally，suggestions are presented in this paper about how to improve the power energy quality and how to expand the power capacity for Shuo-Huang Railway.

Shuo-Huang Railway;traction power supply system;power factor;capacity expansion;traction load

U225

A

1004-2954(2013)09-0100-04

2013-02-28;

2013-04-20

魏俦元(1973—)，男，高级工程师，E-mail:weichouyuan@sina.com。