牵引变电所功率因数分析及无功补偿方案研究

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摘 要：武昌南牵引变电所采用固定补偿时功率因数大幅下降，本文分析了其主要原因，并根据武昌南牵引变电所的特点，提出了一种牵引变电所无功动态综合补偿装置方案。

关键词：牵引变电所： 无功并联补偿：无功动态补偿

0 概述

《全国供用电规则》关于功率因数的规定如下：“无功电力应就地平衡。用户应在提高用电自然功率因数的基础上，设计和装置无功补偿设备，并做到随其负荷和电压变动及时投入和切除， 防止无功电力倒送”。用户在当地供电局规定的电网高峰负荷时的功率因数，应达到下列规定：

高压供电的工业用户和高压供电装有负荷调整电压装置的电力用户，功率因数为0.90以上。凡功率因数不能达到上述规定的新用户，供电局可拒绝接电。未达到上述规定的现有用户，应在二三年内增添无功补偿设备，达到上述规定。

功率因数调整电费按国家批准的《功率因数调整电费办法》的规定执行。

按电业部门要求，电气化铁道牵引负荷在牵引变电所牵引变压器高压侧的月平均功率因数达到0.90以上。高者获奖，低者受罚。即以功率因数等于0.90为标准值进行考核，根据计算的月平均功率因数，高于或低于规定标准，在按规定的电价计算出其当月电费后，再按照“功率因数调整电费表”所规定的百分数增加或减少电费。由此可见，提高功率因数，不但对电力系统的经济运行有很大意义，而且对降低电气化铁道运营业成本也有实际的经济意义。

1 无功补偿现状

武（昌）-衡（阳）线武昌南牵引变电所自2001年8月开通运行以来，功率因数始终达不到0.90以上。

下面就武昌南牵引变电所功率因数偏低的实际情况进行分析并提出相应的解决方案。

武昌南牵引变电所牵引变压器接线为斯柯特接线，安装容量为31.5MVA，在牵引侧采用两相固定并联电容补偿装置，这些均是不可调的固定补偿设备，它具有功率损耗小，安装简单维护方便等特点，但由于其均由不可调的电容和电感组成，其发出的无功是一常量。主变压器运行方式，将110KV三相交流电变换为两个单相的27.5KV交流电，然后向铁路上、下行两个方向的接触网供电。正常运行时，一台主变压器运行，另一台主变压器采用固定备用方式，用以提高供电的可靠性。电度计量为110KV侧计量，采用电子式电度表。并联电容补偿装置的接线如图1所示，电容器组额定容量为2800 kvar。在电力机车取流时，并联电容补偿装置能补偿电力机车的无功功率。但在电力机车不取流时，并联电容补偿装置产生的容性无功功率向电力系统侧倒送，形成反向容性无功功率。

图1 并联电容主接线

针对功率因数偏低的情况，武汉供电段技术人员多次按并补装置投入一组、并补装置投入二组二种方式进行试验，得出以下结果：

（1）两组并补装置同时投入时，平均功率因数为0.60左右。

（2）并补装置投入一组时，平均功率因数为0.78左右。

以上两种投入方式没有一种能够使功率因数达到0.9以上，最高只有0.88。

2 原因分析

根据现场运行情况得知，武昌南变电所共有六条供电臂（211、212、213、214、215、216），乌龙泉上、下行（213、214）接触网由武昌南变电所M座供电，武昌东上、下行（215、216）接触网由武昌南变电所T座供电，尽管此区段接触网设备处于带电状态，但一直未开通电力机车，处于无牵引负荷状态。武南至汉阳上、下行供电臂（211、212武昌南变电所T座供电）因供电方案上的争议也处于无负荷状态，因而造成并补装置处于过补偿状态。 如果二组电容补偿装置全部投上，过补偿状态更严重。

3 解决方案

在电网安全、电能质量、节能损耗的需求推动下，无功补偿技术得到迅速发展和应用。根据武昌南变电所并联电容补偿装置过补偿情况，可在武昌南变电所增加动态无功功率补偿装置，所谓动态无功功率补偿，就是根据牵引负荷的特点，能快速适应无功冲击引起的电压波动、自动调节无功功率，并能消除高次谐波对设备的危害的一种无功静止补偿装置。它的基本原理是利用固定容量的电容器，将出现无功功率峰值的全部或大部补偿掉，而在峰值以外的时间，则利用可控电抗器组成人为的感性负荷，将电容器供给的过剩容性无功功率抵消，从而使功率因数保持在要求的水平上。

2003年11月武昌南变电所在27.5kVM座母线上投入了一套动态无功补偿装置，即磁控式动态无功补偿装置（MSVC），该补偿装置为保证良好的供电质量提供了一种可行的方法。

4 系统构成、工作原理

磁控式动态无功补偿装置是基于磁控电抗器（MCR）的静止式动态无功补偿装置（简称MSVC），主要由FC滤波支路、磁控电抗器MCR、控制柜与后台监控系统四部分组成。MSVC的基本原理如图2所示，当负荷变化时，系统所需无功容量Q也在变化，通过调节控制柜中晶闸管的导通角，来适时调节磁控式电抗器的输出容量QL，保证系统无功为0或理想水平（Q=QC-QF-QL），即从理论上使平均功率因数达到1，实现动态无功补偿效果。

图2 MSVC原理图

磁控式动态无功补偿装置各组成部分的作用如下：

FC滤波支路：为系统提供容性无功，同时具有滤波功能。主要由滤波电容器、滤波电抗器、放电线圈、避雷器、隔离开关及一二次设备等组成。

磁控式电抗器（MCR）：磁控式电抗器采用优质硅钢片和漆包线加工而成。其原理是采用小截面铁心和极限磁饱和技术，利用自身感应生成的直流电来附加磁化铁心，改变铁心磁导率，从而实现电抗值可调，其内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高。调节范围0～100%，响应速度30ms。

单相可控电抗器采用四柱铁心结构，在中间两工作铁心柱上分布着多个小截面段，在电抗器的整个容量调节范围内，仅有小截面段铁心磁路工作在饱和区，而大截面段始终工作于未饱和线性区，其上套有线圈。可控电抗器原理接线图如图3所示。

控制柜：主要有控制器和晶闸管阀。控制器采用大屏幕液晶显示屏，图形界面，中文显示，用户可设置和修改参数。晶闸管阀为高度成孰的低压元件，无须器件串并联，其触发系统采用光电触发方式，抗干扰性好。控制柜通过RS485通讯接口与后台机通讯，实现对SVC装置远程操作。

后台监控系统：通过RS485通讯总线与控制系统以及保护系统相连。该系统可以提供系统接线图状态实时显示，开关量与模拟量监控，提供完整保护信息监控。同时，后台监控系统还是一个功能强大的电能质量分析工具，可以对整个系统的电能质量进行实时，连续的监测，可连续保护六个月甚至更长时间的系统状态信息以及电能质量信息。

武昌南牵引变电所自投入磁控式动态无功补偿装置运行十年以来，月平均功率因数达到了0.95～0.99。使功率因数罚款由罚变为奖。

5 结束语

目前，磁控式动态无功补偿装置已在电气化铁路、冶金、冶炼、风电、电力系统、得到了成功的应用，国外（俄罗斯）500KV及以下等级已大量采用该技术。随着电力电子技术的迅速发展，应用有源滤波器（APF）和静止式无功发生器（SVG）将成为供电补偿的发展方向。

参考文献：

[1] 谭秀炳，李向阳.交流电气化铁道供电系统.西南交通大学出版社，2002.

[2] 李群湛.牵引变电所供电分析及综合补偿技术[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[3] 银湖电气设备有限公司.磁控式动态无功补偿装置说明书.

[4] 中国船舶重工集团公司第七一二研究所.电能质量治理全面解决方案要点、电能质量治理各序列产品说明书.