云桂铁路平安牵引变电所无功补偿方案及容量计算

2021-08-28杨雪凇

电气化铁道 2021年4期

杨雪凇，黄文，李剑

1 研究背景

云桂铁路于2016年12月28日全线通车运营，运营初期，由于车流密度较低且车流随时间段变化较大，牵引变电所也未设置无功补偿装置，功率因数低下的问题暴露出来，从而造成调整电费罚款等问题[1]。

根据《功率因数调整电费增减查对表（国家统一标准）》中相关规定，若电力用户功率因数处于0.9～1.0区间，则可减收电费0.15%～0.75%；若功率因数处于0.89～0.8区间，则将增收电费0.5%～5.0%。由于电力部门采用无功反送正计计费方法，在电气化铁路负荷处于低谷时段时出现的容性无功反送现象将被电力部门正计入罚款区间。对于电气化铁路而言，电费在其运营成本中所占比重较大，若能保证其在运营各时段的功率因数均满足电力系统要求，甚至将其控制在0.9～1.0的优质区间内，则因增设无功补偿装置而少交的调整电费将是一笔可观的费用[2]。

考虑到云桂铁路牵引供电负荷、机车牵引特性、供电技术条件、既有牵引变电所运行情况等因素，本文将进行无功补偿装置技术经济比较，并针对本线进行补偿装置容量计算与分析，将功率因数提高至理想范围，节省运营电费支出。

2 无功补偿方案比选

2.1 理论分析

根据本工程供电系统组成及负荷构成分析，其牵引变电所无功补偿需求主要由牵引负荷、牵引变压器及供电线电缆组成。

牵引负荷：由于本工程采用交流牵引供电，列车类型为交直交型，牵引负荷总功率因数可达0.95以上。牵引负荷的用电单一且易控制，功率因数较高且相对稳定，无功功率需求量较少。

牵引变压器及供电线电缆：牵引变压器消耗感性无功，而供电线电缆能提供一定的容性无功。

现以平安牵引变电所为例，对该变电所供电线电缆分布情况进行统计，该牵引变电所供电范围内的供电分段示意如图1所示。

图1 平安牵引变电所供电分段示意图

各牵引所亭供电线电缆均采用TDWD-YJY73 27.5 kV 1×240[3]。长度如下：（1）平安牵引变电所供电电缆（南宁方向）长度17.28 km，其中，上行T线2×2.155 km，上行F线2×2.175 km，下行T线2×2.145 km，下行F线2×2.165 km；（2）平安牵引变电所供电电缆（昆明方向）长度0 km；（3）孟合山隧道AT分区所供电电缆（昆明方向）长度16.2 km；（4）那坡隧道AT分区所供电电缆（南宁方向）长度4.84 km；（5）孟村隧道AT所供电电缆长度0.6 km；（6）渭林AT所供电电缆长度0.82 km。

根据上述分析，功率因数低的原因是电缆产生大量反向无功功率，且由于运营初期运行列车较少，有功电量不大，导致功率因数较低。因此，牵引供电系统中大量存在的供电线电缆是本工程无功补偿的重点。

2.2 无功补偿方案

下文分析目前技术比较成熟的4种无功补偿方案。

2.2.1 方案一采用并联电抗器

优点：该方案要求在牵引变电所27.5 kV母线上设置一套并联电抗器，通过监测系统的功率因数来控制电抗器的投切，从而实现无功补偿功能。该技术属于第一代静态无功补偿技术，成熟可靠，投资较省，在电力系统、干线电气化铁路等众多供用电领域均有广泛运用。

缺点：该方案电抗器的输出容量为固定值或固定组值，难以根据系统的实际运行情况实时调整补偿容量，且响应速度为秒级，不适应高速铁路供电系统快速变化的负荷特性和无功补偿需求。

该技术相对落后，不适应高速铁路供电系统对无功补偿装置的性能要求。

2.2.2 方案二采用TCR（可控硅相控电抗器补偿装置）

优点：该方案属于第二代动态无功补偿技术，主要由可控硅组、相控电抗器、控制保护单元等构成。其响应速度快（闭环响应速度为40～60 ms），可以实时跟踪系统内有功量、无功量的变化，迅速补偿系统中过多的容性无功，将功率因数控制在电力部门许可的范围内。

缺点：（1）TCR仍属于阻抗型动态无功补偿装置，其工作原理（通过改变触发延迟角的大小改变其等效感抗）决定了该装置本身就是谐波源，工作时将产生大量谐波，必须配备滤波支路滤除自身谐波才能可靠工作[4]；（2）单独的TCR装置仅能补偿系统过容性，无法做到双向补偿；（3）由于TCR为阻抗型动态无功补偿装置，在牵引供电系统运行过程中，运行情况和参数将不可避免发生变化，由此可能导致谐振或谐波电压放大等问题，影响系统运行的安全性；（4）TCR的占地面积较大，且工作时发热量大，需要配置体积庞大的纯水散热系统。

该技术非常成熟可靠，在电力系统、干线电气化铁路供电系统中均有运用，但较新一代动态无功补偿技术已明显落后。

2.2.3 方案三采用MCR（磁控电抗器补偿装置）

优点：MCR亦属于第二代动态无功补偿技术，主要由并联固定电容器组（兼滤波）、磁控电抗器、控制保护单元等构成。其响应速度较快（闭环响应速度为100～200 ms），磁控电抗器容量无级可调，可自动快速跟踪补偿负荷无功，稳定母线电压，将系统功率因数控制在电力部门许可的范围内[5，6]。

缺点：（1）MCR主要工作原理是通过改变磁阀控制电抗器的磁饱和程度来改变等效感抗，在工作过程中将产生大量谐波（3次谐波较严重），须配备滤波支路滤除自身谐波才能可靠工作；（2）单独的MCR装置仅能补偿系统过容性，无法做到双向补偿；（3）MCR本体为油浸电抗器，其外观如同电力变压器（含油枕、散热片），体积较大。

该技术成熟可靠，在电力系统、干线电气化铁路供电系统中均有运用，但较新一代动态无功补偿技术已显落后。

2.2.4 方案四采用SVG（静态无功发生器）

优点：SVG主要采用基于IGBT电压源逆变器构成动态无功补偿装置。SVG在以下方面具有重要优越性：（1）就动态无功补偿而言，SVG包含传统SVC（以TCR和MCR为代表）装置的一切功能且性能更好，体积更小，响应速度很快（闭环响应速度为1 ms以内），补偿能力更强；（2）由于SVG也具备可控电流源型补偿装置的特性，对系统参数不敏感，不会因系统参数变化而引起谐振或谐波电压放大，并可根据系统需要方便地滤除系统谐波[7]；（3）SVG具备感性无功和容性无功双向补偿功能。

缺点：设备价格相对较高。

该技术先进可靠，在电力系统、电气化铁路供电系统均有采用或拟采用，且装置体积适中，有利于节省牵引变电所场坪面积。

2.2.5 方案比较

上述4种无功补偿方案中，方案一技术相对落后，将逐步淘汰，故不再纳入技术经济比较。对TCR、MCR、SVG的技术经济比较见表1。

表1 无功补偿方案技术经济比较

综上分析，TCR、MCR、SVG的技术性能均能满足电气化铁路牵引变电所对容性无功补偿的需求，但TCR、SVG投资更高，平安牵引变电所已预留了足够的补偿装置安装场地，且无需进行无功双向补偿。相对而言，MCR具有投资低、技术成熟可靠、响应速度快、可以实时调整补偿容量等优势。

综合上述分析，推荐本线平安牵引变电所补偿方案采用磁控式并联电抗器。

3 补偿装置容量计算

云桂铁路采用自耦变压器（AT）供电方式；牵引变电所由邻近的220 kV变电站引入两回独立可靠的220 kV电源供电，两回电源互为热备用；全线按客车采用CRH1型动车组（2×5 500 kW），客机采用SS7E（2×4 800 kW），货机采用HXD2（2×10 000 kW）设计。百色—昆明段信号机按货车5 min追踪运行进行布点，满足客车4 min追踪运行，近、远期分别按列车7、6 min追踪运行计算能力。平安牵引变电所既有情况如表2所示。