V/V接线牵引变电所无功补偿效果分析
作者：王公社
来源：《现代电子技术》2015年第10期
摘要：针对三相V/V接线变压器的牵引变电所大修改造工程，阐述了动态无功补偿装置的补偿效果。
通过多种容量组合方式进行现场测试，对功率因数所产生的影响，分析其主要原因，合理对待牵引变电所无功补偿装置改造中存在的问题，并采用滞后计算方法确定无功补偿装置相关容量参数，使牵引变电所功率因数满足要求。
通过方案比选、实施，最终结果达到了目标值。
也同时得出三相V/V接线牵引变压器的变电所，其无功补偿装置和可调电抗器的补偿效果与其接入相别无关、无功补偿装置其容量采用滞后计算方法是有效可行的。
关键词： V/V接线；牵引变电所；无功补偿；效果分析
中图分类号： TN710⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）10⁃0156⁃03
铁路电力牵引负荷对供电系统造成的主要影响一般体现在3个方面，即功率因数、负序和高次谐波。
目前，高次谐波产生的不利影响及对其应采取的治理措施还处于探讨研究中，负序影响已在牵引供电系统设计中采取相应措施，同时随着系统容量的增大而负序的影响也逐渐减小。
功率因数作为电力系统考核电气化铁路用户的重要指标必须引起高度重视。
1 功率因素和无功补偿
1.1 电气化区段牵引负荷功率因数的特性
在非“和谐号”电力机车牵引线路上，其牵引负荷自然功率因数较低，原因是电力机车（除和谐号机车外）采用单相交⁃直流传动系统，另外牵引负荷具有随机波动大、非线性等特征，导致功率因数低。
1.2 功率因数降低产生的后果
功率因数降低，既造成牵引供电系统设备的能力不能充分发挥，还对电力系统产生以下影响：
（1）降低发电设备的效率，提高了运行成本；
（2）影响输、变电设施的出力；
（3）增加电力系统损耗；
（4）增加输电系统中的电压损失，使用户电压质量降低。
1.3 功率因数标准
依据《全国供用电规则》，无功电力应就地平衡，防止无功电力倒送。
高压供电用户，其功率因数应在0.90以上。
功率因数调整电费按国家有关政策规定执行。
电气化铁道牵引负荷计量在牵引变电所110 kV电源侧，为无功“反送正计”计量方式，月平均功率因数应达到0.9以上，实行高奖低罚。
1.4 无功补偿现状
随着“和谐号”交⁃直⁃交电力机车的投入使用，牵引负荷自然功率因数明显提高，对应牵引变电所的功率因数也大有改观，基本能够达到0.9以上要求。
但在非“和谐号”机车牵引区段
或机车混跑区段，牵引变电所还必须设无功补偿装置才能满足对功率因数的要求。
又据了解，由于电力部门不断更新计量手段，新使用的计量表计考虑了谐波因素，这样即使在“和谐号”机车牵引区段，牵引变电所功率因数也有所降低，有时也不能达标。
2 实例分析
以西安铁路局管内某牵引变电所整所大修改造为例，对无功补偿效果进行分析。
该所位于单线电气化铁路区段，牵引变压器为三相V/V接线，安装容量为（15+10） MVA，15 MVA供1#馈线系统（B相），供2个区间，10 MVA供2#馈线系统（A相），供1个区间。
供电局计费在110 kV侧，采用电子式电度表。
并补装置采用磁阀式可调电抗器的动态无功补偿装置，电容器为分立式布置。
2.1 安装容量计算
按照传统的计算公式如下：
[Q安=1-αUCHUM2· P1cos2ϕ1-1-1cos2ϕ2-111-q] （1）
式中：[Q安]为安装容量（单位：kvar）；[P]为平均有功功率，取值2 051 kW；[cosϕ1]为牵引变电所补偿前功率因数，取值0.71；[cosϕ2]为牵引变电所补偿后功率因数，取值0.90；[q]为牵引变电所无电概率，取值0.682；[α]为补偿度，取值为0.13，主要考虑兼顾滤除部分3次、5次谐波；[UCH]为电容器组额定电压，取值33.6 kV；[UM]为牵引变电所母线电压，取
值29 kV。
经计算，无功补偿装置需要安装容量为3 820 kvar，根据工程情况实际，电容器安
装容量为：1#（B相）馈线2 400 kvar，其支架按2 800 kvar预留；2#（A相）馈线1 600 kvar，其支架按2 000 kvar预留；可调电抗器（3DK）安装在1#馈线，其容量为1 800 kvar。
该工程竣工后，并补装置按安装容量投入运行，但功率因数未能达标。
接线如图1所示。
2.2 数据采集
使用仪表为电子电度表；采集周期为24 h；采集时间约1个月（7次）。
通过现场多种组合测试，测试结果如表1所示。
相应的变化曲线如图2所示。
由测试结果得知：
（1）并电容拆除运行时，牵引变电所自然功率因数为0.742。
（2）没有使得功率因数能达到0.9的组合方式，最高为0.875。
（3）从系统吸收的无功量和反送到系统的无功量均偏大。
（4）无功动态补偿装置工作正常，控制器采样和判据均无误。
通过了解收集当时的有关数据资料并结合测试结果分析，造成该牵引变电所功率因数低的主要原因为：
（1）该区段重车方向牵引4 000 t以上，为双机牵引，负荷波动大。
下行馈线包括两个区间，处于双面坡地段，当两个区间都有列车并相向对开时，馈线电流可达800 A以上。
上行馈线供一个区间，处于单面坡地段，上坡方向馈线电流可达500 A，下坡方向基本不取流。
（2）该所牵引馈线零负荷时间较长，由日实际列车运行图可知，一天内全所零负荷间隔次数为30次，累计零负荷时间为12 h左右，因而导致牵引负荷很不均匀。
图1 并补装置接线示意图
图2 曲线图
（3）施工周期长导致装置投运时的牵引能耗参数与当初设计时不一致，而且增加很大。
（4）向系统反送的无功量随电容器容量增大上升明显，表明可调电抗器容量偏小。
2.4 方案确定
2.4.1 考虑原则
（1）达到或超过功率因数目标值，即0.9及以上，并考虑预留一定裕度。
（2）增大并联电容器和可调电抗器容量，为满足铁路运量变化和探索无功补偿装置的使用积累经验创造条件。
（3）结合管辖区段内其他牵引变电所改造中并补设备可替代利用，以降低工程费用。
2.4.2 方案比选
方案一：维持原无功补偿装置接线方式不变，增大装置容量，包括并联电容器、滤波电抗器、可调电抗器。
更换下的设备可用于其他牵引变电所。
方案二：在原无功补偿装置接线的基础上，增加一台可调电抗器，新增的可调电抗器安装于A相，同时，增大装置容量。
通过综合考虑，按方案一实施。
根据并补装置滞后设计安装容量计算公式：[Q=Q11-770t0] （2）
式中：Q为安装容量（单位：kvar）；[Q1]为系统输出的最大无功功率（单位：kvar）；[t0]为供电臂带电累计时间（单位：min）。
依据当时收集的相关参数，计算结果为：电容器安装容量：27.5 kV A相母线为2 800 kvar （4串7并，单台容量100 kvar），其支架按3 200 kvar预留，滤波电抗器容量410 kvar；27.5 kV B相母线为6 400 kvar（4串4并，单台容量400 kvar），其支架按8 000 kvar预留，滤波电抗器容量524 kvar，可调电抗器容量5 500 kvar。
按照该方案将设备投入运行后，补偿效果显著，功率因数达到0.92以上。
3 结语
在非“和谐号”交⁃直⁃交电力机车牵引、运量小、列车对数少、牵引负荷波动大的区段，且在无功功率“反转正计”的计量方式下，固定式无功补偿装置若用于牵引变电所其功率因数很难达到标准规定。
无功补偿装置设计的关键在于补偿容量的计算。
收集相关计算数据要尽可能准确，要考虑中、远期牵引负荷的变化。
采用滞后计算法是有效可行的。
并联电容器尽可能采用分体式布置，其安装支架应预留以后可能增容的位置。
牵引变电所应采用动态无功补偿装置。
测试数据和理论分析均表明，三相V/V接牵引变压器的变电所，其并补装置和可调电抗器的补偿效果与其接入相别无关。
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