铁路电力供电系统无功补偿研究

2014-07-08苗晨

铁道标准设计 2014年7期

关键词：电抗器电容器并联

苗晨

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

铁路电力供电系统无功补偿研究

苗晨

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

对铁路电力系统无功补偿进行研究，以解决普速铁路补偿容量选择不合理、高速铁路补偿设备选型不稳定的问题，同时降低铁路供电线路的损耗，保证铁路供电系统的稳定性。通过对电力系统中主流无功补偿装置和无功补偿计算方法的研究，结合铁路供电方案的实际情况，总结出铁路电力系统的无功补偿方案。

铁路电力；供电系统；无功补偿；动态无功补偿；补偿容量

1 概述

近年来,我国铁路得到了快速发展,无论是普速铁路、高速铁路以及货运重载铁路的里程都在迅速增加。目前国内普速铁路电力系统既有补偿方案根据线路的架空和电缆敷设方式,采用传统电容器和电抗器补偿。如补偿容量选择不合理,经常发生过补偿或欠补偿的情况,经济合理性下降,对电力系统的安全产生影响。高速铁路补偿方案经历区间并联电抗器补偿、静止无功功率补偿器(SVC)、静止无功功率发生器(SVG)、磁控式电抗器(MCR)等多个阶段,补偿方案的设备选型不稳定。通过对电力系统中主流无功补偿装置和无功补偿计算方法的研究,结合铁路供电方案的实际情况,总结出适用于普速铁路和高速铁路的电力系统补偿方案,指导铁路电力系统补偿方案设计和设备选型,减少补偿装置重复投资。

2 普速铁路电力供电系统补偿研究

2.1 补偿方案

我国普速铁路电力系统的特点是电力线路大部分是以架空线路为主,负荷种类比较固定,冲击性负荷较少,负荷变化率较小。普速铁路电力系统既有补偿方案根据电力线路的架空和电缆敷设方式,采用传统并联电容器和并联电抗器补偿。由于我国幅员辽阔,铁路线路较长,其中普速铁路占据较大的比例。本着合理经济的原则,根据各种补偿装置的补偿特点,选择用传统式的并联电容器和并联电抗器补偿设备从经济性和技术性都是合理的。但目前补偿容量的选择缺乏理论计算,经济合理性下降。普速铁路最需解决的问题是补偿容量的计算。

2.2 并联电容器补偿方案

2.2.1 补偿方式及补偿地点

并联电容器可以安装在全系统的各个点上,目前根据安装位置的不同可以分为就地补偿、集中补偿、混合补偿等多种方式［1]。

普速铁路电力系统中车站负荷较为分散,负荷功率较小,冲击性负荷较少,不适宜采用就地补偿,应根据负荷性质设置集中补偿。有10 kV配电所的车站,在配电所的站馈母线段设置高压并联电容器,既能保证站馈供电线路的补偿,又能满足区间供电线路的补偿要求。在车站变电所及箱式变电站低压母线侧设置低压并联电容器集中补偿,满足低压负荷的补偿要求。在车辆段等特殊工艺场合,由于冲击性负荷较多,根据工艺设备功率因数要求,可采用混合补偿方式。

2.2.2 连接方式

三相电容器的连接方式主要有星形接线和三角形接线2种。

铁路电力系统低压电容器宜选用三角形接线,能够增大无功功率输出,并能在断线情况下满足工作要求。高压电容器宜选用星形接线,能够减小短路电流,增强可靠性。

2.2.3 投切方式

并联电容器的投切方式主要有2种:人工投切和自动投切。

铁路电力系统高压负荷的变化率不是很大,并且冲击性负荷较少,高压电容器集中补偿宜采用分组人工投切的方式,便于维护并且经济优势比较明显。低压负荷有一定的变化率,并且低压无功功率因数补偿装置技术成熟,性价比较高,低压电容器集中补偿宜采用利用动态功率因数调整装置自动投切的方式。

2.3 并联电抗器补偿方案

我国普速铁路电力系统贯通线大部分为架空敷设,但在架空敷设困难地段,比如林区、山区等地区,需要采取电缆敷设方式。由于电缆对地电容电流较大,电力线路呈容性特点,需要对容性无功功率进行补偿,常用并联电抗器进行补偿。鉴于我国铁路电力供电系统多为10 kV和35 kV中压网络,并且贯通线由铁路配电所直接馈出,大量电缆敷设均在贯通线段中,所以宜将并联电抗器补偿在电力贯通线侧,在区间分散补偿。［2]主要形式为户外杆架式和箱式变电站式,如选用户外杆架式,运行环境较为恶劣,宜选用油浸铁心式并联电抗器。如选用箱式变电站内,由于在箱变内安装,并且工厂预制安装整体运到现场,宜选用质量小、不漏油的干式电抗器。

2.4 补偿容量的计算

2.4.1 并联电容器容量计算

并联电容器对系统无功补偿时,电容器安装容量的选择,与补偿方式、负载情况、电容器的接线方式等方面有关［3]。

(1)集中补偿和分组补偿电容器容量Qc(kvar)的确定。采用集中补偿方式和分组补偿方式时,补偿容量按照以下公式计算

式中 Pc―――由变电所供电的月最大有功功率计算负载,kW；

βav―――月平均负载率,一般可取0.7～0.8；

φ1―――补偿前的功率因数角,可取最大负载时的值；

φ2―――补偿后的功率因数角,参照电力部门的要求确定,一般可取0.9～0.95。

电容器接法不同时,每相电容器所需容量也是不一样的。电容器为星形联结时,每相电容器组的容量为

电容器为三角形联结时,每相电容器组的容量

式中 U―――装设地点电网线电压,V；

ω―――角速度,ω=2πf=314；

CY的单位是μF,CΔ的单位为μF。

(2)就地补偿电容器容量Qc(kvar)的确定,即

式中 UN―――供电系统额定线电压,kV；

I0―――电动机额定空载电流,A。

(3)按功率因数值确定新设计工程的无功功率补偿容量Qc(kvar)

式中 Pjs―――计算有功功率,kW；

tanφ1、tanφ2―――补偿前后的功率因数正切值。

(4)按配电变压器容量确定无功功率补偿容量Qc(kvar)。配电变压器低电压侧安装电容器时,应注意防止轻载时向10 kV配电网倒送无功功率,以取得最大的节能效果,根据配电变压器容量,其补偿容量Qc为

式中 I0%―――空载电流百分值；

SN―――变压器的额定容量,kVA；

Uk%―――短路电压百分值；

β―――负荷率(其中β=S/SN,S为负载平均功率,kVA)。

或按下式估算补偿容量Qc

式中 SN―――变压器的额定容量,kVA。

2.4.2 并联电抗器容量计算

采用并联电抗器补偿电缆的电容电流时,应以电缆发生单相金属接地故障时电弧能可靠自熄为根本目标,在满足此条件下,可兼顾电力线路残流小的目标。对于交联电缆,系统对地电容电流不大于20 A时, 0.75是最佳补偿度［4- 5]。

电缆电容电流为

Ico=ω(Cy+3Cx)l×Uφ

式中 Ico―――电缆电容电流,A；

Cy―――电缆芯对地电容,F/km；

Cx―――电缆芯对芯电容,F/km；

ω―――角速度,ω=2πf=314；

l―――线路长度,km；

Uφ―――相电压,kV。

三相电抗器补偿容量为

式中 α―――补偿度,取0.75；

U―――线电压,kV。

3 高速铁路电力供电系统补偿研究

3.1 补偿方案

为了提高供电可靠性和安全性,减少维修工作量,节约土地,我国高速铁路普遍采用沿铁路敷设双回10 kV全电缆贯通线为区间和车站的通信、信号等负荷供电。

目前,高速铁路的补偿方案大致有3种,具体分析如下。

(1)在10 kV配电所贯通馈出端设集中固定式电抗器补偿,区间10 kV贯通线路上不设固定电抗器［6]。该方案的缺点是占用的空间较大,不能随用电负荷的变化调整补偿电流,难以达到规范要求的功率因数, 10 kV贯通线上流过的电容电流较大,损耗较大。优点是投资较少,控制比较简单。

(2)在10 kV配电所贯通母线段设集中无功动态补偿装置,集中补偿装置分为静止无功功率补偿器、静止无功功率发生器和磁控式电抗器3种。区间10 kV贯通线路上不设固定电抗器。该方案又分2种方式,一是将补偿装置安装在10 kV贯通母段上,另一种是将补偿装置安装在10 kV电源母段上。该方案的缺点是占用的空间较大。方式一能够很好地补偿10 kV贯通线路上的电容电流,使得电容电源不穿越贯通调压器,但不能保证电源侧的功率因数达到要求。方式二能够补偿10 kV贯通线路上的电容电流,也能兼顾电源侧的功率因数,但是电容电流穿越贯通调压器,使得调压器容量必须加大,否则易于造成调压器过载。优点是控制比较简单,能随用电负荷的变化调整补偿电流。

(3)在10 kV配电所母线段集中设置小容量的无功动态补偿装置,区间10 kV贯通线路上分散设置小容量的固定电抗器。该方案的缺点是投资较大,控制较为复杂；优点是充分利用电力远动控制系统,既能较好地补偿线路侧的电容电流,而且也能够兼顾电源侧的功率因数,新实施的《高速铁路设计规范(试行)》也推荐此方案。

本文推荐方案(3),铁路使用的动态无功补偿装置主要有2种类型:静止无功功率补偿器和静止无功功率发生器,［7]本文主要对以下2种装置进行研究分析,选择出适用于高速铁路的动态补偿装置。

3.2 动态无功补偿装置的选择

3.2.1 静止无功功率补偿器（SVC)

静止无功功率补偿器主要有晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)、晶闸管投切电抗器(TSR)和饱和电抗器(MCR、SR)等［8]。

(1)晶闸管控制电抗器(TCR)［9]

SVC连续调节无功输出是依靠调节TCR中晶闸管的触发延迟角α得以实现的,通过晶闸管控制角α的改变,电抗器中流经的电流波形产生变化造成基波分量产生变化,电抗器的感抗发生了改变,TCR变成连续可调节的电感器。TCR并联上电容器后,使得总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率,因而可以将固定电容器的TCR+FC型静止无功功率补偿系统的总体无功电流偏置的补偿范围从感性范围延伸到容性范围内,它既可以吸收感性,也可以吸收容性无功功率。

(2)晶闸管投切电容器(TSC)

TSC利用单向晶闸管反并联或双向晶闸管构成的交流无触点开关将单组或多组电容器投入到电网上或从电网切除。晶闸管投切电容器可以精确控制,实时根据用户负荷的变化,将所需的电容器容量投切至电网中,保证系统中的功率因数要求,真正实现动态无功补偿。若输出无功功率需要连续调节,或者要求能提供感性无功功率的情况下,可采用晶闸管投切电容器与晶闸管控制电抗器配合使用的方法。

(3)饱和电抗器［10]

饱和电抗器主要有可控饱和电抗器(MCR)与自饱和电抗器(SR)。MCR的饱和程度通过改变装置绕组工作电流加以控制铁心,绕组的感抗得到改变,无功电流大小进行控制。自饱和电抗器稳定电压是通过电抗器自身的能力,发出和吸收无功是通过铁心的饱和特性来控制。磁饱和电抗器组成的静止无功功率补偿装置属于第一代SVC。以快速响应的磁饱和式可控电抗器和并联电容器组成的补偿元件,配以相应的快速无功功率检测环节组成的无功功率补偿系统,可以保证补偿的快速性、准确性和合理性,能够快速补偿系统无功功率,使功率因数保持较高水平。

3.2.2 静止无功功率发生器（SVG)

SVG的电气系统比较复杂,主系统的构成包括变流器、曲折变压器、断路器、高压变压器,二次系统的构成包括PT、CT、检测电路、控制器、保护电路、驱动电路、监测器等［11]。SVG系统中的最核心器件是变流器。如果变流器的脉宽是恒定的,通过改变系统电压与变流器输出电压间的夹角,无功功率与变流器DC侧的电容电压可以得到调节,并且调节了变流器的输出电压与电力系统的电压间的夹角,在保证变流器DC侧电容电压恒定下,系统需要的无功功率被发出或吸收。

静止无功功率发生器的优点是响应时间更快,运行范围更宽,补偿功能多样化,谐波含量极低,占地面积较小。

3.2.3 动态无功功率补偿方式对比

本着合理、成熟、经济的原则,选择MCR型SVC、TCR+FC型SVC和SVG型补偿装置进行对比分析。综合以上研究,各种补偿方式的特点如表1所示。

表1 动态无功补偿装置比较

4 结论

本文主要从合理、可靠、节约投资的角度出发,对铁路电力供电系统的补偿方案进行了研究,形成了初步的研究成果。

(1)通过对普速铁路电力供电系统方案的研究,根据系统方案特点,既有补偿方案选择使用并联电抗器和并联电容器是合理的。区间贯通线路以架空敷设方式为主的线路,配电所站馈母线段安装高压并联电容器集中补偿。区间贯通线路以电缆敷设方式为主的线路,配电所站馈母线段安装高压并联电容器集中补偿,区间采用高压并联电抗器分散补偿方式。车站变电所和箱式变电站安装低压电容器集中补偿。低压负荷若为冲击性大负荷,应采取混合补偿,减少电力线路无功传输损失。确定了适用于铁路系统的补偿容量计算公式,加强了铁路供电可靠性,减少了运营单位后期维护成本。

(2)通过对高速铁路电力供电系统方案的研究,在10 kV配电所母线段集中设置小容量的无功动态补偿装置,区间10 kV贯通线路上分散设置小容量的固定电抗器,本补偿方案适应目前高速铁路电力系统的要求。通过对动态补偿装置的研究,结合其优缺点,建议选用TCR+FC的SVC补偿模式和SVG补偿模式,两种模式均较为可靠。随着设备技术的不断进步,近期部分高铁开始选择性的试验新的动态补偿方式,如 TSC(低压补偿)+电抗器［12],应密切关注使用效果,不断提高高速铁路电力供电系统的补偿合理性。

［1] 王红美,郭景武.铁路变配电所动态无功补偿［J].铁道工程学报, 2008(2):65-68.

［2] 孙元新.铁路10 kV供电系统的无功补偿分析［J].上海铁道科技,2010(3):98-100.

［3] 侯振峰.并联电容器补偿容量的计算［J].供电与配电,2009,28 (4):21-23.

［4] 王炳.铁路10 kV电力系统电容电流计算探讨［J].铁道标准设计,2010(S1):153-155.

［5] 陈世民,牛大鹏,马峰超,梁孔渝.客运专线10 kV贯通线路接地方式及补偿方案的研究［J].铁道标准设计,2011(8):122-125.

［6] 郭强.铁路客运专线无功补偿方式研究［J].电气时代,2011 (11):80-82.

［7] 粟时平,刘桂英.静止无功功率补偿技术［M].北京:中国电力出版社,2006.

［8] 任丕德,刘发友,周胜军.动态无功补偿技术的应用现状［J].电网技术,2004,28(23):81-83.

［9] 王兆安,杨君.谐波抑制和无功功率补偿［M].2版.北京:机械工业出版社,2005.

［10]余梦泽,陈柏超,田翠华,等.采用磁控电抗器的静止型高压动态无功补偿装置［J].高电压技术,2009,35(7):1770-1775.

［11]靳龙章,丁毓山.电网无功补偿实用技术［M].北京:中国水利水电出版社,1997.

［12]陈建明.哈大客运专线10 kV供电系统无功补偿方式探讨［J].电气化铁道,2011(3):5-7.