牵引变电所动态无功补偿装置改造方案研究

韩啸

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600）

1 概述

随着电力机车的高速发展，如今的电力机车可进行自我无功补偿。但一些年代稍久的铁路线路，由于采用交直型电力机车，功率因数较低，影响了电力系统的电能质量。当电力系统的电能质量下降时，会导致电能损耗增加，造成电力资源浪费。因此，电力部门对电源侧功率因数不满足0.9 的牵引变电所进行罚款。为弥补线路上的无功功率，减少无功罚款，电容补偿装置应运而生。

2 无功补偿装置简介

2.1 固定电容补偿器

固定电容补偿器通过投入固定数量的电容器来对线路上的无功功率进行补偿，原理简单但是灵活性差，尤其是对运量较小的铁路线路，当线路上无车运行时，固定电容器仍在投运反而会使功率因数更低。但是由于其结构简单，成本偏低，且对于中等运量的铁路仍有一定的无功补偿效果，因此目前多数牵引变电所仍采用这种补偿方式。

2.2 动态电容补偿器(SVC)

动态电容补偿器可以通过调节投入运行的电容器数量来对线路上的负荷进行动态响应，当线路上负荷越大时投入的电容器越多，达到良好的无功补偿效果。常见的动态电容补偿装置有晶闸管控制电抗器（TCR）式、晶闸管投切电容器（TSC）式、磁控电抗器（MCR）式[1]。晶闸管投切电容器型SVC 的原理是由多组并联的晶闸管来控制容抗的大小，其中晶闸管只起到开关的作用，这种方式可以有效抑制谐波的产生，缺点是响应速度慢，不能很好的应对冲击性负荷[2]。晶闸管控制电抗器式电容补偿装置中的晶闸管具有触发延迟功能，通过此功能控制与其并联的电容器形成连续、可控的感性电流，由于阀组容量大于电容组容量，使得整套装置既能补偿容性无功也能补偿感性无功[3]。晶闸管控制电抗器式电容补偿装置直接连在高压母线上，具有响应速度快、补偿效果好的优点。但由于其晶闸管在高压侧，对晶闸管的耐压水平的要求较高，在实际运行中的设备，时常会出现单体晶闸管损坏的情况，且TCR 型电容补偿装置结构复杂，后期运营维护成本高。磁控电抗器式电容补偿装置在其控制线圈连接有两个晶闸管，在一个工频周期内两个晶闸管轮流导通，通过改变晶闸管控制角度，调节控制回路输出的控制电流大小，进而控制线圈对应的铁芯中产生的直流磁通量，以此来提供连续变化的无功功率。磁控电抗器的优点是结构原理简单，本体抗冲击能力强，通过控制晶闸管的控制角进行自动控制，实现连续补偿，使用寿命长[4]。

3 双流牵引所动补电容现状及改造方案

3.1 双流牵引所现状

久永线双流牵引变电所动补电容系统为2013 年投运，采用晶闸管控制电抗器投切的方式，电容器回路设备为室内布置，主要设备有电容器、室内滤波电抗器、电流互感器、放电线圈及避雷器等；阀组回路的一次侧为室外布置，主要设备有相控电抗器、手动隔离开关及电流互感器，阀组为一层房屋布置，室内仅有晶闸管及控制屏。由于部分原因晶闸管部分损坏，B 相控制屏损坏，阀组室内二次电缆皆以拆除，其他设备外观完好。现已不能投运，导致功率因数降低，不能满足电力部门对于牵引变电所电源侧功率因数不低于0.9 的要求，造成罚款。

牵引变电所现场设备型号及可利用情况如表1 所示。

表1 现场设备型号

牵引变电所现有电容器设备如图1 所示。

图1 既有电容器设备

3.2 电容器容量校核

根据《牵引供电系统并联电容无功补偿的计算条件和方法》（TB2009-87）中对牵引所并联电容无功补偿装置的计算方法，无功补偿装置电容器的计算容量为[5]：

式中：Qx——无功补偿计算容量，kvar；

cosφ1——补偿前电源侧功率因数；

cosφ2——补偿后电源侧功率因数标准值；取0.9；

PL——供电臂平均有功功率，kW。

电容器的安装容量为：

式中：QC——无功补偿安装容量，kvar；

KΦ——运行条件系数（取1）；

α——补偿度，取0.12；

UCH——电容器（组）标称电压，取42kV；

UM——二次母线额定电压，取27.5kV。

根据以上公式，将双流牵引所目前的功率因数及有功功率代入后，得到安装容量为A 相8800kvar，B 相8400kvar，目前的电容器组容量满足无功补偿容量要求。

3.3 改造方案一

双流牵引所目前为无人值班有人值守站，目前所内阀组已损坏，阀组控制屏主板击穿。若维持晶闸管控制电抗器式的动态电容补偿方式，则具体改造方案如下：

3.3.1 A 相控制屏现场检查无明显损坏，控制屏可正常开启，但因室内二次电缆已拆除，未能进行晶闸管控制试验，本次方案研究A 相控制屏，但投运前需要进行调试试验。

3.3.2 B 相控制屏主板及屏体烧坏，B 相控制屏整体更新，原控制屏修复并作为站内备用，以便日后出现故障后及时更换故障器件。

3.3.3 更换损坏的阀组，规格参数与既有阀组设备相匹配。

3.3.4 室内阀组回路二次电缆更换为阻燃屏蔽电缆，阀组与综合自动化系统连接电缆重新配置。

3.3.5 阀组回路室外设备及电缆利旧，电容器回路设备及电缆利旧。

3.4 改造方案二

对于晶闸管控制电抗器式的动态电容补偿方式具有结构复杂、维护成本高等缺陷，本次改造方案提出将双流牵引所动补电容改造为磁控电抗器式动态无功补偿动补。具体改造方案如下：

3.4.1 既有电容器组回路设备及电缆利旧，原阀组回路改换为磁控电抗器回路。

3.4.2 磁控电抗器采用室外布置，根据牵引供电防火规范要求，油浸式磁控电抗器与主变压器应有10m 以上间隔[6]。

3.4.3 磁控电抗器回路主要设备有电抗器、电流互感器、隔离开关、避雷器、MCR 端子箱等，此回路设备一次电缆从二层电容器室的母排通过穿墙套管穿出，在距地4 米位置改成电缆穿管的方式接入地下，利用电缆沟接入隔离开关。二次电缆从控制室走电缆沟接入电抗器。

3.4.4 新增磁控电抗器控制屏放置于控制室内。

3.5 保护配置

根据TB/T3309-2013 中的规定，动补装置系统响应时间，无级连续调节方式应不大于50ms，分级调节方式应不大于4s，控制系统响应时间不大于15ms。同时，动态补偿装置中的所有设备应能耐受所要求的连续或短时过负载能力，在电压和电流超过允许值时应能进行保护，通常1.1 倍过载应能连续运行，1.2倍过载运行时间不低于10s。

根据《牵引供电系统继电保护配置及整定计算技术导则》（QCR687-2018）中规定，并联补偿电容器需要进行如下保护配置。

主保护：电流速断保护、差电压保护、差电流保护。

后备保护：过电流保护、全电流保护、过电压保护、失压保护。

4 方案总结比选

本文简要介绍当前铁路线路应用的几种动态电容补偿装置，针对双流变电所动态电容补偿装置的现状，提出了两种改造方案。方案一为维持晶闸管控制电抗器的动态电容补偿方式，更换损坏的阀组及控制屏，更换阻燃屏蔽电缆以提高电缆的屏蔽性，防止阀组工作时产生的干扰，此方案投资较少，施工周期较短，缺点是结构复杂，后期维护成本高。方案二将阀组回路改换为磁控电抗器回路，此方案后期维护简单，稳定性好，缺点是投资较高，施工相对复杂，且磁控电抗器为油式电抗器，根据防火规范需放置于室外，且距变压器距离大于10m，需要牵引所室外具备一定的闲置地域，对于既有牵引所改造有一定难度。