铁路变配电所无功补偿方案的研究

孙富华

（上海局集团公司徐州供电段，江苏 徐州 221004）

0 引 言

铁路变配电网系统中广泛存在电力变压器、交流电动机、交流电抗器等感性负载以及电缆、架空线等呈现容性的输电线路材料，这些负载和输电线路都会在运行的变配电网上产生大量的无功功率（无功功率又称为力率）。

无功功率给铁路变配电网带来的危害主要有增大了输电线路中的电流，在线路电阻上产生额外的电能损耗；增大了铁路变配电网系统的供电容量，降低了线路和变压器的利用率和供电能力；增大了线路电压降，影响了电压的稳定[1]。此外，无功功率会使变配电所电源的功率因数指标降低，造成电网公司的经济惩罚，每年给铁路带来了不小的经济损失[1，8]。而无功补偿技术能够改善电网的无功功率，从而提高功率因数，降低电能损耗以及提高设备利用率和变压器供电能力。因此，研究变配电所内的无功补偿方案具有实际应用价值。

传统的变配电所安装电容装置来补偿线路上设备产生的感性无功[2-4]，但随着近年来电力电缆等容性输电线路的使用，电网中产生了过多的容性无功，因此传统的电容补偿方式不在适合用于现代化高铁线路的补偿，新型的电抗器感性补偿装置将会更广泛地应用到电气化铁路变配电所中[5-7]。

考虑到电网公司在地方测量点处的功率因数与变配电所内的功率因数不一致，从而造成罚款的因素，文章提出了一种无功功率测量和补偿装置容量确定的新算法的具体方案，该方案将电网测量点新的因子考虑在内，能够避免电网公司的罚款，提高设备利用率，该方案应用到现场中，取得了很好的效果。

1 以某电力配电所无功补偿现状为例分析

某10 kV配电所电源一路，馈出线路上安装了一台50 kvar的箱式电抗器，所内电源一处测量的有功功率84.17 kW，容性无功功率107.93 kvar，功率因数为0.61。其中电源线路电缆长度是2.07 km，型号为YJV22-3×185；馈出线路电缆全长18.7 km，采用YJV22-3×70。所内电源一路调压器的容量400 kVA。图1为配电所供电线路简图。

对于电源电缆YJV22-3×185电缆，其电容值为0.38 μF/km，则2.07 km长的电缆线路等值电路计算如下。

电缆的电容值C：

电缆的充电电容性无功功率Qc：

其中，Uφ为相电压，U为线电压，取运行电压10 kV。

从野蛮到文明，人类的进化漫长而又残酷。可是，善恶、美丑、真假、忠奸、好坏等等，永远会此消彼长，两相对垒，无休无止，循环往复。

容抗Xc：

其中，W为角频率；C为电容值；f为频率，取值50；π取值3.14。

则电源电缆产生的无功功率Qc1：

对于馈出线路电缆YJV22-3×70，其电容值0.27 μF/km，全长18.7 km，亦可算出一级贯通线路产生的无功功率Qc=158.5 kvar。

现在在馈出线路上只安装了一台50 kvar的箱式电抗器，是远远不够用于补偿容性无功的。现场也经实地测试得出有功功率P=84.17 kW，容性无功功率Qc2=107.93 kvar，功率因数PF1=0.61=cosφ，从数据也可看出，即使电抗器全投以及感性负荷的抵消，还有107.93 kvar容性无功没有补偿掉。

2 补偿装置增加容量QB的计算

由于现在配电所功率因数PF1=0.61=cosφ1，无功功率呈容性，所以采取过补偿的方式，使补偿后的无功功率呈感性，且预计让配电所功率因数提高到PF1=0.97=cosφ2，这样使多余的感性无功用于抵消地方电源到配电所的电源电缆引起的容性无功，从而提高地方测量点处的功率因数。

补偿量的计算方式如下：

QB即为需要增加的补偿装置容量。多余的感性无功ΔQB：

可以大部分抵消掉地方电源到配电所电源电缆引起的容性无功QC1=24.7 kvar，使得电力公司获得功率因数PF2：

电力公司获得功率因数在0.90以上，避免了电力公司的电费罚款。

3 变配电所无功补偿方案

3.1 变配电所增补容量QB确定的具体步骤

（1）相关原始数据采集：通过使用电能质量测试仪在配电所电源侧实测线路，获取该线路的有功功率、无功功率、功率因数。

（2）确定无功补偿装置增补容量的初始值：根据式（5）分析方法算出变配电所功率因数调整为PF1=0.90～1下的无功补偿装置的增补容量QB。

（3）确定电网公司测量点的功率因数PF2：根据电网公司到变配配电所之间电源电缆的线路长度、型号，仿照第1章公式（1）、（2）、（3）、（4）和第2章公式（6）、（7）分析计算公式得出这部分电源电缆产生的无功功率，以及电网公司测量点处的功率因数PF2。

（4）循环判断，确定无功补偿装置增补容量的最终值：若电网公司测量点处的功率因数PF2数值在0.9～1，则无功补偿装置增补容量为QB，反之，回到步骤（2）重新调整PF1值重新算出无功补偿装置的增补容量QB。

实施步骤流程如图2所示。

3.2 电能质量测试仪

图3是电能质量质量测试仪测量效果，电能质量测试仪能够准确测出设备运行的无功功率、有功功率、功率因数，且数据反映了功率因数无功的方向、负载的感性或容性。变配电所功率因数、无功功率和有功功率的数值与性质均可以通过电能质量测试仪准确测出，为后续无功功率的补偿和功率因数的改善提供准确的数据参数。

图2 确定变配电所增补容量QB流程图

图3 电能质量测试测量图

3.3 变配电所无功补偿装置确定

变配电所内集中补偿装置建议采用户内10 kV干式磁控电抗器（见图4）。该装置能提供感性无功补偿，特点是可以实时跟踪负载的无功变化，控制磁控电抗器输出感性无功容量，实现无功功率动态连续调整，并可以使高压侧功率因数控制在负荷高峰时大于等于0.93，在低谷时小于0.98，有效地减少了电网的无功功率输出，提高了铁路变配电系统的实时功率因数，降低贯通线路有功损耗和稳定系统电压。因此，该装置适合作为配电所内集中补偿方式以及解决电缆长距离输电导致的无功倒送问题的方式。

目前，该装置已在多个变配电所内投入试运行，功率因数均达到电网公司规定范围内，减少了地方供电公司经济罚款，设备容量利用率也得到了提高，取得了很好的无功补偿效果。

图4 变配电所投入运行的干式磁控电抗器

4 结 论

本文以某铁路电力变配电所为例进行了无功功率的详细分析，确定了增加无功补偿容量新算法的具体方案。该方案既能改善设备运行效率又能减少供电公司的巨额罚款，提高了经济效益。该方案为铁路变配电所无功功率改善或无功补偿装置容量的确定提供了高效的借鉴，可广泛应用于铁路系统中。