铁路电力线路动态无功补偿方案

文/曹永亮

1 铁路电力线路动态无功补偿方式分析

充分利用补偿技术对铁路电力线路的电容电流进行合理补偿是确保铁路能够持续、稳定的运行的关键所在。

现阶段存在集中补偿、分散补偿、固定补偿、动态补偿四种补偿方式。但是，因为高速铁路电力供电系统在不同时间会有不同的运行方式，不同的运行方式会造成负荷电流的变化，而电缆线路的电流也会随着负荷电流的变化而变化，所以，我国目前采用的是固定补偿和动态补偿相结合的方式，即固定补偿是在沿着铁路线路建立的作为沿线信号中继站的箱式变电站安装并联电抗器，动态补偿是在电力铁路线路的变电站中安装动态补偿装置。

目前高速铁路电力供电系统中采用的动态无功补偿方式有以下几种：

1.1 分组投切电抗器的补偿方式

分组投切电抗器的补偿方式所利用到的装置是成套补偿装置、计算机、真空接触器、大数据分析等技术。其中成套补偿装置是3个不同容量的电抗器；计算机是分析功率因素、线路无功情况对成套补偿装置进行控制；真空接触器是接收到计算机命令，对电抗器进行自动投切；大数据技术是根据无功补偿数据做出合理化的投切方案。分组投切电抗器的补偿方式是出现无功-大数据做出优化方案-计算机根据方案发出命令-真空接触器进行自动投切。分组投切电抗器补偿方式可以设置自动操作，用计算机不仅可以控制分组投切装置的动作和次序，还可以设定功率因数，这样不仅避免了投切过程中振荡情况的出现，还保证了装置动作的精准性，有利于系统可靠性的提高。

1.2 相控电抗器的补偿方式

相控电抗器的补偿方式，可以自动跟踪供电系统电压和无功的变化，通过控制晶闸管的导通角来连续调节电抗器的电流，把功率因数补偿至要求的范围之内，从而实现无功补偿。在实际运作中，一般会遇到这两种情况：当功率因数的绝对值超出要求范围的时候，相控电抗器补偿装置就会停止工作，不进行无功补偿；当功率因素不满足电力铁路线路所要求的范围时候，系统就会自动跟踪供电系统电压和无功的变化进行无功补偿。自动进行动态补偿，直至功率因数达到设定值。这种补偿方式的补偿效果好，但是因结构复杂，自身的稳定性比较差，后期维护的专业性很强。

1.3 磁阀式可控电抗器的补偿方式

改变电抗器的容量是磁阀式可控电抗器进行动态无功补偿的手段。怎么改变改变电抗器的容量呢？首先控制电抗器铁心饱和程度，而电抗器铁心饱和程度又是由电抗器中电流大小决定的，其中电抗器中电流大小的改变主要是通过晶闸管的触发角来进行控制的，通过一系列的自动操作控制电抗器容量来限制过电压或补偿铁路电力线路产生的无功，使功率因数达到要求的数值。为了使磁阀式可控电抗器结构简单、损耗降低、制作成本降低，并更好的对铁路电力线路进行动态无功补偿，将磁阀式可控电抗器的工作绕组和控制绕组放在一起；此外，磁阀式可控电抗器的铁心一般会分为两个部分，每一部分铁心的截面都具有可控磁饱和度，就像前面讲的控制电抗器铁心饱和程度就能控制电抗器容量。由此可见，这种补偿方式的优势非常明显：损耗低，可以降低成本，节约开支；补偿效果好，则可以更好地进行铁路电力线路的动态无功补偿。

2 铁路电力线路动态无功补偿方案

某铁路股份有限公司铁路电气化开通，全线铁路为货物专线，全线主要采用SS3型机车进行牵引，导致产生大量高次谐波，严重影响电能质量，且平均功率因数约0.8，每月力率罚款电费14万左右。因此，我们针对这一现状进行研究，决定采用磁阀式动态补偿（MSVC)进行整治，下面以某铁路电力线路为例，就整治的具体情况进行分析。

2.1 铁路电力线路基本情况

全线主要采用SS3型机车进行牵引，采用交流电流制（单相工频制）的电力机车，交-直方式的传动方式，在运输过程中有丰富的3、5、7次谐波含量。

2.2 动态补偿方案

2.2.1 技术选型概述

目前该线路采用主要采用静止型动态补偿装置，主要由并联电容器组和可调电抗器并联组成；其中电容器支路提供容性无功并抑制谐波，当需要调节装置补偿容量时，只需改变可调电抗器的输出容量，就可以实现无功功率连续快速可调。目前普遍应用的SVC主要有晶闸管控制电抗器和磁阀式可控电抗器两种，其补偿效果是一样的，主要区别在于可调电抗器的调节方式。在铁路牵引变电站常用磁阀式可控电抗器进行动态补偿，因为晶闸管控制电抗器动态补偿装置比磁阀式动态补偿装置结构复杂、运维工作量大、运行成本高、所占面积大。因此，此铁路线路的无功补偿装置选用两套磁阀式动态无功补偿技术装在电力铁路线上。

2.2.2 方案设计

（1）基波补偿容量：功率因数必须大于等于0.95，根据实际需求在A、B两个供电臂27.5kV母线上安装的电容器容量分别为6000kVar、6000kVar（单台电容器额定电压8.4kV，能在1.36倍的工频额定电压下连续运行），电容器支路在额定电压27.5kV时有效补偿容量为4567kVar、4567kVar，当线路电压在29kV时有效补偿容量为5080kVar、5080kVar。

（2）磁控电抗器容量：配置磁控电抗器的目的将电缆及接触网容性充电功率向系统倒送无功，磁控电抗器和电容器支路是否配合使用的是根据不同时段输出容量的变化决定的，是根据，无论是磁控电抗器单独使用还是磁控电抗器和电容器支路之间配合都可以实现无功补偿装置连续动态补偿。

（3）电容补偿支路设计：电容补偿支路设计按照12%的电抗率设计并采用单调谐滤波器。

2.2.3 磁控式动态无功补偿装置工作原理

（1）成套装置工作原理：电容补偿支路、磁控电抗器组成了成套装置磁阀式动态补偿装置，成套装置磁阀式动态补偿装置实现动态无功补偿的连续性的过程是安装在母线上的电容补偿支路通过不同时段输出容量的变化决定的是否与磁控电抗器配合，磁控电抗器调节电抗器容量的方式。

（2）磁控电抗器（MCR）工作原理：成套装置磁阀式动态补偿装置最主要的元件就是磁控电抗器，它通过控制电抗器铁心饱和程度而进行电抗器容量的控制。具体的控制步骤是电抗器铁心饱和程度由电抗器中电流大小决定的，电抗器中电流大小的改变主要是通过晶闸管的触发角来进行控制的，通过一系列的自动操作控制电抗器容量来限制过电压或补偿铁路电力线路产生的无功，使功率因数达到要求的数值。

2.2.4 应用效果测试

动补装置投入运行后，系统电压在26.4kV～28.8kV；动补装置控制点（27.5kV侧)功率因数大于0.95，3次、5次、7次谐波电流95%的概率值分别为21.65A、18.46A、9.864A。

3 结论

铁路电力线路无功波动具有随机性，整体功率因数很低，导致力率调整电费高昂，而机车产生的大量高次谐波严重影响电能质量，因此必须进行治理。本文通过对磁阀式动态补偿装置在某铁路电力线路实际应用后的数据分析，表明其对提高功率因数、滤除系统谐波具有明显效果，且装置本身优势明显，较其它类型动态无功补偿装置更适应牵引变电所相对恶劣的使用环境，是理想的技术选择。