并联电容补偿装置的现状及改进

王坤　赵配合

摘 要：在电气化铁路供电系统中，当某供电区间运行的机车比较多时，牵引网末端的电压往往低于额定电压，有时甚至低于允许的最低电压，影响电力机车正常运行，降低运输效益，同时也降低了线路功率因数，增大了谐波量，造成整个供电系统电压质量不高。为了在运输繁忙时保证整个铁道系统的正常运行，须提高牵引网电压质量，所以在电气化铁路供电系统中通常采用补偿装置来提高网压，这不仅关系到电气化铁路运输效益还关系到运输生产的经济效益。

关键词：电气化铁路；补偿装置；谐波；功率因数

在铁路牵引供电系统中，当某供电区间运行的机车比较多时，牵引网末端的电压往往低于21KV，有时甚至低于19KV，影响电力机车牵引力的发挥，降低运输效益，为了在运输繁忙时保证整个铁道系统的正常运行，须提高牵引网电压，所以在铁路牵引供电系统中通常采用并联电容补偿装置来提高网压。然而牵引变电所并联电容补偿装置的技术状态，不仅关系到运输效益还关系到运输生产的经济效益，电力部门不仅对负序、谐波、功率因数等参数，制定了严格的考核标准，还实施按功率因数调整电费，由于牵引变电所现有的并联电容补偿装置难以达到功率因数0.9标准，须交纳功率因数调整电费。因此，很有必要对现有变电所电容补偿装置进行改造，减少功率因数调整电费的支出，提高电气化铁路经济效益。

1 我段现有静态电容补偿装置影响功率因数提高的原因

牵引变电所一般安装两组不可调的静态并联电容补偿装置，固定安装在27.5KV母线上，分别补偿两个供电臂。由于牵引负荷为间歇性的特点，负荷变化大，功率因数低，静态电容补偿不能自动追踪补偿，影响功率因数提高，这一点在贵昆线变电所很常见。例如尹堡村变电所，两组电容同时投入运行功率因数通常也就在0.89～0.91之间，功率因数也就勉强达到电力部门的要求，当然这还不包括反向无功计入之后的功率因数。

现有静态电容补偿装置，不能根据电力机车负荷情况进行无功补偿。一般设计部门设计都会按近期远期不同用电量分不同阶段进行主要电力设备容量的设计，如近期变压器容量可能只有25000MVA，但是随着运量的增加，远期变压器容量可达到60000MVA，而对某些电力设备为避免日后扩容改造的工程量过大，在近期的时候就按线路远期运量考虑。因近期运量较小，牵引变电所电容补偿投入后，易产生过补偿。同时，为保证牵引供电的可靠性，供电臂牵引负荷率较低，单线区段的负荷率只能达到50%左右，此时补偿电容投入，也会产生过补偿。过补偿给电力系统反馈无功电量，而电力部门对无功补偿装置实行“反转正计”的计量方法，把用戶反送电力系统的无功电量与取用的无功电量绝对值相累加，加大了无功电量部分的计算，影响了功率因数的提高。这一点在盘西线表现很明显，盘西线车流量较小，牵引网大半时间都处于空载状态，像白水变电所只投入A组电容时，每天18点计算正向功率因数基本都可以达到0.98，而累加上反向后功率因数低于0.8，甚至有时候不足0.6，这就给电气化铁路的经济效益带来了极大的影响。

另外，现有电容补偿装置的补偿还有一个特点，受地理环境和地势环境的影响，牵引变电站一个变压器所供两个供电臂的长度通常都会有区别，每条供电臂线路纵断面和坡度也不一样，而两个供电臂电容补偿装置容量相等，用相等容量的电容来补偿不等负荷的供电臂，不能根据牵引变压器每相符合情况进行补偿，导致滞后相适度补偿，超前相过度补偿；超前相适度补偿，滞后相欠补偿，致使补偿效果不甚理想。

2 投切电容补偿装置的危害及对设备的影响

谐波对系统并联电容有较大的影响，谐波电流会叠加在基波电流上，使电容器的运行电流有效值增大，使峰值电压大大增加。投入和撤出电容会使系统谐波电流放大。在实际电力系统中，经常可以把谐波阻抗与谐波容抗看作感性元件和容性原件并联的等值谐波阻抗。

投切电容补偿装置，可能出现操作过电压。在投入并联电容补偿装置时，考虑到二阶电路对正弦函数相应中的稳态分量是时间的正弦函数，为便于分析电容补偿装值投入时易产生过电压的最大可能性，现将补偿装置视为二阶电路零状态下对阶跃函数的响应进行剖析，另考虑到实际情况R很小，所以只分析R<2（L/C）1/2振荡条件下的情况。振荡充电过程中UC与I随时间变化的曲线如图1，可以看出，在振荡的充电过程中，如果电路中的电阻R很小，UC的最大值将趋近于电源电压的2倍，UC=2E，即电容两端最大过电压可达2倍母线电压。

与电容电压分析相同，电抗器过电压约等于母线电压27.5KV，而并联电容装置投入时，电抗器的过电压大约为电抗器额定电压的7.3倍。通过以上分析可知，并联电容补偿装置投入瞬间产生的跃变电压非常大，如此大的电压将严重影响电容器、电抗器及真空断路器的寿命。

3 目前国内提高功率因数的几种常用方法

目前，国内电气化铁道牵引变电所为提高功率因数，提高电压质量，普遍采用静态电容的补偿装置。从六十年代末期以来，世界上许多国家都致力于研制新型电容器补偿设备，以达到自动跟踪补偿的目的。许多国家先后研制了多种型式的静止无功动态补偿装置（简称SVC），有利用晶闸管（可控硅）分组投切电容器组来补偿牵引负荷产生的无功。还有一种新型的电压无功综合补偿装置（简称VQC），是根据电力牵引负荷情况，利用真空接触投切电容器单元，达到自动追踪补偿目标。另外国内还有一种有效的方法是在牵引变电所安装串联电容补偿装置（SC C），将串联电容补偿装置安装在牵引变压器二次侧的接地端。

为了使牵引变电所能达到最佳的运行状态，必须使补偿装置，在网压比较高时旁路补偿装置，在网压比较低时投入补偿装置。昆明铁路局贵昆线、盘西线在建立初都是采用并联电容组补偿装置，基于铁路系统负荷的特殊性，牵引网有一半时间处于空载状态，这一点前面已经提到这里就不再赘述。对此在2005年先后在盘西线几个变电所投入静止动态无功补偿装置（简称SVC），以盘西线白水牵引变电所为例，无功动态补偿装置的具体动作过程如下：

1）当白水变电所正常运行时，变压器空载，补偿装置的晶闸管导通，串联电容补偿装置被旁路断开。

2）当白（水）平（河口）区间有列车运行时，检测到A相出口电压低于设定值，截断A相晶闸管，投入A相串联静止电容补偿装置，提高网压，保证白平区间上所有列车正常运行。

3）当白（水）平（河口）区间列车减少时，检测到变压器A相出口电压大于设定值（29KV），则导通A相晶闸管，断开A相串联的静止电容补偿装置，恢复到正常运行状态。

在A相静止电容补偿装置投切的过程中，B相不会因为A相的动作而动作，始终根据B相出口电压的值来判定，是否投切B相静止电容补偿装置。这样根据负荷的变化适时动态的来进行补偿，相比原有的静止补偿装置，对电能的利用率有了很大的提高。

4 目前城市轨道交通采用的改进补偿装置的方法

城市轨道交通与交流电气化铁路一样，都是与电力为牵引，是电气化铁路的一个分支。城市轨道交通与普通交流电气化铁路的不同之处在于，牵引供电电压等级不同，电压制式不同。城市轨道交通通常采用直流1500V，750V两个等级的牵引供电电压，而普通交流电气化铁路通常采用交流27.5kV等级的牵引供电。城市轨道交通一样具有牵引负荷间歇性的特点，负荷变化大，城市轨道交通中有大量自然功率因数较低的低压用电设备，供电系统中功率因数较低。另外，城市轨道交通还有一个自身的特点，使其功率因数比交流电气化铁路更低，更不容易进行补偿。对城市轨道交通而言，功率因数的过低致使其每月向供电局交纳的力调电费，远远超过正常使用电费，是严重影响城市轨道交通收益的一个重大问题。

城市轨道交通因主要是在城区建设，城区征地、拆迁较困难，城市轨道交通通常约20公里建两座110kV等级的变电站，在110kV变电站将110kV电压变为35kV电压，通过沿轨道交通一起敷设的电缆供给轨道交通沿线的众多降压变电所，混合变电所。电缆是电压传递的主要载体，而电缆又是纯容性阻抗，截面为3×150的钢制35kV交联聚乙烯绝缘电缆每公里电缆阻抗达0.143Ω，20公里的电缆，阻抗约为2.86Ω。所以，城市轨道交通的功率因数在没有补偿装置的情况下，非常之低，在昆明轨道交通公司曾经统计过，在没有补偿装置的一个月，一台变压器的功率因数仅有0.08，功率因数调整率达到129%，而在投入补偿装置以后功率因数可以调整到0.98以上，补偿装置的补偿效果非常明显。

目前城市轨道交通通常采用的补偿装置为静止无功发生器（SVG），其主要的工作原理是基于瞬时无功功率的概念和补偿原理，以大功率可关断电力电字器件组成的逆变器为核心，相应的自动控制和保护系统等组成的成套装置，其基本原理与静止动态无功补偿装置（简称SVC）相同，均是通过新型的控制器不再选用以功率因数为检测量，而是以无功电流为检测量，来进行补偿。

5 静态电容补偿装置与动态无功补偿装置优缺点比较

静态电容补偿装置作为早期的补偿装置在交流电气化铁路中有大量的运用，其自身存在的补偿问题也被不断的发现，对此很多人和单位都做了很多的研究，随着科学技术的不断发展，电子科技的日趋成熟和普遍运用，动态无功补偿装置逐渐崭露头角，越来越多的应用于更广阔的领域。在以往的工作中对两种补偿装置均有运用，并且有一定的研究，对此也对两种补偿装置的优缺点有一些自己的看法：

5.1 动态无功补偿装置由于包含设备较多，单独一套补偿装置通常带有一台干式变压器、隔离开关柜、电容器柜、可控硅柜、控制柜等设备，而一套静态电容补偿装置通常只带有电容器组，电抗器，隔离开关等主要设备，所以一套无功补偿装置的造价要比一套静态电容补偿装置的造价要高很多。

5.2 静态电容补偿装置都要配備电容器组和电抗器，虽然现在的工艺水平已经有了很大的提升，但是电容器组和电抗器都有很充裕的占地面积和安全距离。而动态无功补偿装置经过自带变压器的降压后只是10kV的电压等级，并且只有在进线线路超过20公里的情况下需要进行特殊补偿的时候才会考虑设计电抗器，一般设计中都是柜式设备，大大缩减了补偿装置的占地面积。这一点静态电容补偿装置对惜土如金的城市轨道交通来讲是非常不利的，占地面积的扩大，增加了征地面积和拆迁面积，就意味着建设方将投入更多的征地和拆迁资金和投入更多的精力来完成变电站的建设，同时，征地和拆迁的困难增大也会导致整个工程建设难度的增大。

5.3 静态电容器补偿装置通常是由电容器组、电抗器、隔离开关等这些大型器件组成，产品使用比较稳定，投入之初不需要进行很复杂的调试，试验合格即可以投入使用，定期的核对性试验较容易完成，也能尽早，及时，直观的发现问题，后期如果需要可以重新更换不同生厂商的同类设备，对生产商的依赖不强。而动态无功补偿装置除了一些主要的硬件外，主要的工作核心还是在软件上面，投入之初需要经过长时间的调试，才能将功率因数和谐波调整到一个最佳状态。并且，补偿装置的核心部件都是电子元器件，插件式部件构成，故障率高，需要的检修维护技术更高，后期对生产商的依赖更强。

6 结束语

昆明铁路局昆明供电段白水牵引变电所在SVC投入系统后，经过一个月的试运行与变电所其他设备配合良好，计入反相无功后的功率因数也基本达到0.9，功率因数这一项较以前有了明显的提高。在投入前期，SVC系统晶闸管击穿比较敏感，馈线断路器跳闸也很容易就导致晶闸管击穿，之后经过生厂商的调试，运行时基本上解决这一问题。而在昆明供电段平关牵引变电所，SVC运行初期也是有一些很不稳定的表现。

在城市轨道交通工程中，使用的SVG一样也是初期调试时间较长，调试完成以后补偿效果有了明显的改变，挽回了城市轨道交通不少经济损失。总的来说，动态无功补偿装置系统还是利大于弊的，针对电气化铁路系统的特殊性，对功率因数提高和抑制谐波电流的产生都作出了一定的贡献。

参考文献

[1]简克良.电力系统分析[M].西南交通大学出版社.

[2]邱云兰，朱毅.电力基础[M].中国电力出版社.

[3]陆安定.功率因数与无功补偿[M].上海科学普及出版社.

[4]于松伟，杨兴山，韩连祥，张巍.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].西南交通大学出版社.