文/曹永亮

1 鐵路電力線路動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方式分析

充分利用補(bǔ)償技術(shù)對(duì)鐵路電力線路的電容電流進(jìn)行合理補(bǔ)償是確保鐵路能夠持續(xù)、穩(wěn)定的運(yùn)行的關(guān)鍵所在。

現(xiàn)階段存在集中補(bǔ)償、分散補(bǔ)償、固定補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償四種補(bǔ)償方式。但是，因?yàn)楦咚勹F路電力供電系統(tǒng)在不同時(shí)間會(huì)有不同的運(yùn)行方式，不同的運(yùn)行方式會(huì)造成負(fù)荷電流的變化，而電纜線路的電流也會(huì)隨著負(fù)荷電流的變化而變化，所以，我國目前采用的是固定補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償相結(jié)合的方式，即固定補(bǔ)償是在沿著鐵路線路建立的作為沿線信號(hào)中繼站的箱式變電站安裝并聯(lián)電抗器，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是在電力鐵路線路的變電站中安裝動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置。

目前高速鐵路電力供電系統(tǒng)中采用的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方式有以下幾種：

1.1 分組投切電抗器的補(bǔ)償方式

分組投切電抗器的補(bǔ)償方式所利用到的裝置是成套補(bǔ)償裝置、計(jì)算機(jī)、真空接觸器、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)。其中成套補(bǔ)償裝置是3個(gè)不同容量的電抗器；計(jì)算機(jī)是分析功率因素、線路無功情況對(duì)成套補(bǔ)償裝置進(jìn)行控制；真空接觸器是接收到計(jì)算機(jī)命令，對(duì)電抗器進(jìn)行自動(dòng)投切；大數(shù)據(jù)技術(shù)是根據(jù)無功補(bǔ)償數(shù)據(jù)做出合理化的投切方案。分組投切電抗器的補(bǔ)償方式是出現(xiàn)無功-大數(shù)據(jù)做出優(yōu)化方案-計(jì)算機(jī)根據(jù)方案發(fā)出命令-真空接觸器進(jìn)行自動(dòng)投切。分組投切電抗器補(bǔ)償方式可以設(shè)置自動(dòng)操作，用計(jì)算機(jī)不僅可以控制分組投切裝置的動(dòng)作和次序，還可以設(shè)定功率因數(shù)，這樣不僅避免了投切過程中振蕩情況的出現(xiàn)，還保證了裝置動(dòng)作的精準(zhǔn)性，有利于系統(tǒng)可靠性的提高。

1.2 相控電抗器的補(bǔ)償方式

相控電抗器的補(bǔ)償方式，可以自動(dòng)跟蹤供電系統(tǒng)電壓和無功的變化，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來連續(xù)調(diào)節(jié)電抗器的電流，把功率因數(shù)補(bǔ)償至要求的范圍之內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。在實(shí)際運(yùn)作中，一般會(huì)遇到這兩種情況：當(dāng)功率因數(shù)的絕對(duì)值超出要求范圍的時(shí)候，相控電抗器補(bǔ)償裝置就會(huì)停止工作，不進(jìn)行無功補(bǔ)償；當(dāng)功率因素不滿足電力鐵路線路所要求的范圍時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)跟蹤供電系統(tǒng)電壓和無功的變化進(jìn)行無功補(bǔ)償。自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，直至功率因數(shù)達(dá)到設(shè)定值。這種補(bǔ)償方式的補(bǔ)償效果好，但是因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自身的穩(wěn)定性比較差，后期維護(hù)的專業(yè)性很強(qiáng)。

1.3 磁閥式可控電抗器的補(bǔ)償方式

改變電抗器的容量是磁閥式可控電抗器進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)氖侄?。怎么改變改變電抗器的容量呢？首先控制電抗器鐵心飽和程度，而電抗器鐵心飽和程度又是由電抗器中電流大小決定的，其中電抗器中電流大小的改變主要是通過晶閘管的觸發(fā)角來進(jìn)行控制的，通過一系列的自動(dòng)操作控制電抗器容量來限制過電壓或補(bǔ)償鐵路電力線路產(chǎn)生的無功，使功率因數(shù)達(dá)到要求的數(shù)值。為了使磁閥式可控電抗器結(jié)構(gòu)簡單、損耗降低、制作成本降低，并更好的對(duì)鐵路電力線路進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，將磁閥式可控電抗器的工作繞組和控制繞組放在一起；此外，磁閥式可控電抗器的鐵心一般會(huì)分為兩個(gè)部分，每一部分鐵心的截面都具有可控磁飽和度，就像前面講的控制電抗器鐵心飽和程度就能控制電抗器容量。由此可見，這種補(bǔ)償方式的優(yōu)勢(shì)非常明顯：損耗低，可以降低成本，節(jié)約開支；補(bǔ)償效果好，則可以更好地進(jìn)行鐵路電力線路的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。

2 鐵路電力線路動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方案

某鐵路股份有限公司鐵路電氣化開通，全線鐵路為貨物專線，全線主要采用SS3型機(jī)車進(jìn)行牽引，導(dǎo)致產(chǎn)生大量高次諧波，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量，且平均功率因數(shù)約0.8，每月力率罰款電費(fèi)14萬左右。因此，我們針對(duì)這一現(xiàn)狀進(jìn)行研究，決定采用磁閥式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償（MSVC)進(jìn)行整治，下面以某鐵路電力線路為例，就整治的具體情況進(jìn)行分析。

2.1 鐵路電力線路基本情況

全線主要采用SS3型機(jī)車進(jìn)行牽引，采用交流電流制（單相工頻制）的電力機(jī)車，交-直方式的傳動(dòng)方式，在運(yùn)輸過程中有豐富的3、5、7次諧波含量。

2.2 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方案

2.2.1 技術(shù)選型概述

目前該線路采用主要采用靜止型動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，主要由并聯(lián)電容器組和可調(diào)電抗器并聯(lián)組成；其中電容器支路提供容性無功并抑制諧波，當(dāng)需要調(diào)節(jié)裝置補(bǔ)償容量時(shí)，只需改變可調(diào)電抗器的輸出容量，就可以實(shí)現(xiàn)無功功率連續(xù)快速可調(diào)。目前普遍應(yīng)用的SVC主要有晶閘管控制電抗器和磁閥式可控電抗器兩種，其補(bǔ)償效果是一樣的，主要區(qū)別在于可調(diào)電抗器的調(diào)節(jié)方式。在鐵路牽引變電站常用磁閥式可控電抗器進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，因?yàn)榫чl管控制電抗器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置比磁閥式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)維工作量大、運(yùn)行成本高、所占面積大。因此，此鐵路線路的無功補(bǔ)償裝置選用兩套磁閥式動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)裝在電力鐵路線上。

2.2.2 方案設(shè)計(jì)

（1）基波補(bǔ)償容量：功率因數(shù)必須大于等于0.95，根據(jù)實(shí)際需求在A、B兩個(gè)供電臂27.5kV母線上安裝的電容器容量分別為6000kVar、6000kVar（單臺(tái)電容器額定電壓8.4kV，能在1.36倍的工頻額定電壓下連續(xù)運(yùn)行），電容器支路在額定電壓27.5kV時(shí)有效補(bǔ)償容量為4567kVar、4567kVar，當(dāng)線路電壓在29kV時(shí)有效補(bǔ)償容量為5080kVar、5080kVar。

（2）磁控電抗器容量：配置磁控電抗器的目的將電纜及接觸網(wǎng)容性充電功率向系統(tǒng)倒送無功，磁控電抗器和電容器支路是否配合使用的是根據(jù)不同時(shí)段輸出容量的變化決定的，是根據(jù)，無論是磁控電抗器單獨(dú)使用還是磁控電抗器和電容器支路之間配合都可以實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償裝置連續(xù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

（3）電容補(bǔ)償支路設(shè)計(jì)：電容補(bǔ)償支路設(shè)計(jì)按照12%的電抗率設(shè)計(jì)并采用單調(diào)諧濾波器。

2.2.3 磁控式動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置工作原理

（1）成套裝置工作原理：電容補(bǔ)償支路、磁控電抗器組成了成套裝置磁閥式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，成套裝置磁閥式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)倪B續(xù)性的過程是安裝在母線上的電容補(bǔ)償支路通過不同時(shí)段輸出容量的變化決定的是否與磁控電抗器配合，磁控電抗器調(diào)節(jié)電抗器容量的方式。

（2）磁控電抗器（MCR）工作原理：成套裝置磁閥式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置最主要的元件就是磁控電抗器，它通過控制電抗器鐵心飽和程度而進(jìn)行電抗器容量的控制。具體的控制步驟是電抗器鐵心飽和程度由電抗器中電流大小決定的，電抗器中電流大小的改變主要是通過晶閘管的觸發(fā)角來進(jìn)行控制的，通過一系列的自動(dòng)操作控制電抗器容量來限制過電壓或補(bǔ)償鐵路電力線路產(chǎn)生的無功，使功率因數(shù)達(dá)到要求的數(shù)值。

2.2.4 應(yīng)用效果測(cè)試

動(dòng)補(bǔ)裝置投入運(yùn)行后，系統(tǒng)電壓在26.4kV～28.8kV；動(dòng)補(bǔ)裝置控制點(diǎn)（27.5kV側(cè))功率因數(shù)大于0.95，3次、5次、7次諧波電流95%的概率值分別為21.65A、18.46A、9.864A。

3 結(jié)論

鐵路電力線路無功波動(dòng)具有隨機(jī)性，整體功率因數(shù)很低，導(dǎo)致力率調(diào)整電費(fèi)高昂，而機(jī)車產(chǎn)生的大量高次諧波嚴(yán)重影響電能質(zhì)量，因此必須進(jìn)行治理。本文通過對(duì)磁閥式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置在某鐵路電力線路實(shí)際應(yīng)用后的數(shù)據(jù)分析，表明其對(duì)提高功率因數(shù)、濾除系統(tǒng)諧波具有明顯效果，且裝置本身優(yōu)勢(shì)明顯，較其它類型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置更適應(yīng)牽引變電所相對(duì)惡劣的使用環(huán)境，是理想的技術(shù)選擇。