节能型铁路自闭贯通线路动态无功补偿系统

王向东，魏宏伟

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）

节能型铁路自闭贯通线路动态无功补偿系统

王向东，魏宏伟

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）

阐述了铁路电力系统的自闭和贯通电力线路为铁路沿线自动闭塞信号及车站负荷等提供电源。介绍了一种节能型动态无功补偿系统，根据用电负荷需要补偿的容量，改变有载分接开关的接头，从而改变并联电抗器电压，进而实现自闭贯通线电压、无功的综合自动调整，从而实现提高供电电能质量、线路无功平衡的目标。

动态无功补偿；铁路电力系统；有载分接开关

1 铁路自闭贯通配电网

铁道配电网使用自动闭塞和电力贯通线路（简称自闭贯通线）为铁路系统调度集中、车站电气集中联锁、自动闭塞、驼峰信号等一级负荷提供电源。自闭电力线路是指对自动闭塞区段信号设备供电的10 kV专用电力线路。贯通线是指连通铁路沿线两个相邻变电所、配电所间的10 kV 或35 kV电力线路，它主要对沿线的车站和区间负荷供电，兼做信号设备的备用电源。铁路自闭贯通配电网在系统构成和功能上与常规电力系统配电网有所区别，它主要的特点有：供电线路长；供电点多，供电负荷小；电压等级低，变（配）电所结构单一，但供电可靠性要求高。

随着电气化铁路线，尤其是高速动车线路的发展，对于铁路电力的供电稳定性需求越来越高，因此，自闭贯通线往往都采用电缆线路来为铁路信号系统、通讯系统等用户供电。由于这些电缆线路较长，相间和对地电容较大，尤其是线路负载较少时，线路末端电压很高而且状态不稳定，从而造成线路及其设备不能正常工作。

采用并联电抗器可以吸收电缆线路的容性无功，改善线路上的电压分布，使轻负荷时线路中的无功功率尽可能就地平衡，防止无功功率不合理流动，同时也减轻了线路上的功率损失。还可以防止发电机带长线路可能出现的自励磁谐振现象。本文将介绍一种实用新型的动态无功补偿系统，全文的结构如下：第二节提出一种新的实用新型动态无功补偿方案，第三节给出了该补偿系统的实际应用案例，第四节就该系统的优点和效益进行分析，最后一节是总结。

2 方案研讨

按照电能质量在线监测系统的需求，系统总体架构分为跨专业自动采集、集成大数据管理、指标计算和挖掘分析3个层次，见图1。通过制定停电事件自动生成规约，建立数据集成规范，实现跨专业的数据自动采集。通过研究电力各业务数据特征，充分整合数据集成结构，实现跨专业、跨层级的大数据融合和应用。采用业务数据对象化、业务对象内存化、内存对象分布化、分析计算并行化的方法，实现了对象化并行计算框架，促进大数据挖掘和分析应用。由于自闭贯通线越来越多使用电缆，且负载较小的原因，无功补偿的必要性显著。无功功率也会影响供电电压的稳定。这种关系可以通过图1的基本线路来说明。

图1 电压与无功功功率的关系

其中，U1(U2)为线路电压相量，I为电流相量，P为有功功率，Q为无功功率，R和X为线路的阻性和感性阻抗。在实际的电力线路系统中，因为线路两端的电压差的相角差异很小，所以在公式 (1)中的虚部可以忽略。由该公式可以看出，当铁路系统电力自闭贯通线的有功负载较小的时候，电压将主要取决于无功功率，对于电缆线路，主要是容性无功。

容性无功功率的补偿方案通常分为以下几种。

2.1 固定容量电抗器直接投入

固定容量方式结构简单，操作维护维修容易，但不能及时响应电网无功电流及电压的变化，不可避免出现过补偿和欠补偿状态。

2.2 磁阀式并联电抗器

通过晶闸管控制磁通量大小调整输出容量的方式。磁阀式并联电抗器调整幅度较大，调节速度很快，分级较细。

2.3 静止补偿器（STATCOM）

采用可关断器件串联技术，速度快，控制灵活，如果静止补偿器使用门控晶闸（GTO），则该器件最优的故障率表现约为每个/每年100 Mvar。

2.4 分接开关调整变压器线圈匝数改变电抗器无功

通过开关动作，改变变压器分接接头的连接，调整变压器线圈匝数，通过改变电压的方式改变电抗器的无功功率。此方式稳定性高，维护量小，但调节速度比磁阀式并联电抗器稍慢。

综上，每种投入方式各有优缺点，针对铁路自闭贯通线负载低，无功调节稳定性要求高，调节速度要求相对较低的特点，本文提出的节能实用新型动态无功补偿系统是基于最后一种：通过有载分接开关调整自耦变压器的方式进行电抗器无功功率的调节。并联电抗补偿容性无功是非常普遍的做法，该原理如图2所示。通过并联电抗器，把电缆的容性无功补偿掉，从而达到提高功率因数，稳定电压的目的。

图2 并联电抗无功补偿原理

本文提出的节能型无功补偿装置是调压式并联电抗器动态无功补偿装置，该系统的示意图如图3所示，系统的主要硬件构成为自耦变压器，电抗器，有载分接开关，无励磁开关以及检测控制系统。该系统采用先进的DSP数字控制技术，实时采集系统电网电压、无功等状态参数，在综合分析记录基础上，通过优化算法决定有载分接开关的动作，通过调节电抗器电压来调节无功量，实时控制电网的容性无功电流，将系统容性无功电流控制在最低程度且保持线路电压平衡。系统中的无励磁开关是为了进一步细化无功功率的调节范围，使得补偿量更加贴近系统真实需求。

图3 节能实用新型并联电抗无功补偿原理

有载分接开关是图3系统中的关键组件，以灭弧方式来分，有载分接开关分为油灭弧方式和真空灭弧方式，对于铁路自闭贯通线，由于开关级电压和额定电流小，油灭弧开关可以满足技术要求。油灭弧有载分接开关具体的动作过程如图4所示，图4中展示了分解开关从1挡变换到2挡的动作程序。过渡电阻的存在保证了整个变换过程的顺滑流畅。值得说明的是由于系统的无功调节是通过机械开关动作改变自耦变压器接头的方式来调节电抗电压，进而调节无功量，这种动作模式保证了对电网系统最低的谐波污染。

图4 有载分接开关动作过程

3 补偿案例

无功补偿分为变电站集中补偿，线路分散补偿和用户端的当地补偿。集中补偿和分散补偿是针对10 kV及以上的高压网络，当地补偿主要针对380 V的低压网络。铁路自闭贯通线主要是10 kV电压级别，所以采用变电站集中补偿或者分散补偿的方案。

以一条铁路10 kV的贯通线为例，该线路有350 mm2的三芯铝线电缆约6.3 km。以三芯铝缆的典型分布电容值0.33μF/km估算，该段电缆的无功约为

式中，Uu为线电压，C为分布电容，L为电缆长度。

实际测量值显示该段线路的无功在38～76 kvar之间。由于无功功率的变化，动态补偿的意义更加明显。

针对该线路，一套上文中介绍的无功补偿系统被设计出来：补偿容量36～180 kvar。有载分接开关分为9挡，每挡补偿容量16 kvar；分接开关完全完成每档的转换速度大约为3 s每挡。安装本文介绍的无功补偿系统之前，该贯通线的功率因数约为0.6，安装本系统后，功率因数提高到0.95。运行监控数据显示，有载分接开关每天平均动作10次以下，完全可以实现动态实时的无功补偿。该项目的成功运行显示出本文提出的系统运行稳定高效，完全满足设计要求。

4 优势以及效益

与固定容量投入方式相比，本文介绍的动态无功补偿系统输出容量可以大幅度自动调节，适应性强。与磁阀式并联电抗器装置相比，本装置安装方便快速，不需要加盖控制室和空调进行恒温控制，可以露天室外安置，占地面积小，维护简单，运行成本低，电流谐波含量低，根据理论仿真及样机对比测量，只有同容量磁阀式电抗器电流谐波含量的十分之一。谐波含量小也是本系统优于其他应用电力电子开关技术的系统的最大长处。同时该装置的优势是节能环保效果明显，系统附加损耗很小，只有自身额定容量的0.5%左右，相当于同容量磁阀式电抗器附加损耗的三分之一。

通过提高铁路自闭贯通线的功率因数，直接减免功率因数调整电费，为业主带来直接的经济效益。此外，动态无功功率补偿对稳定电网电压，改进电能质量，保障电网安全也具有积极的促进作用。

5 结论

本文针对铁路自闭贯通线长电缆、低负载的特性，提出了一种节能型动态无功补偿系统。该系统具有损耗低、稳定性高、维护量低、噪音低等特点，装置投入电网后能够自动跟踪电网运行状态，及时准确补偿电网所需要的无功容量。应用案例证实了该系统的价值。

Energy-saving Dynam ic Reactive Power Compensation System for Railway Power Lines

WANG Xiangdong,WEIHongwei

（China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)

Self-blockingand run-through power lines in railway electric system provide powersupply for railway controlsignalsand railway stations.This paper introduced an energy saving-dynamic reactive power compensation system.According to compensation capacity thatpower load requires,this system employson-load tap changer to change the voltage ofshunt reactor so as to realize automatic adjustment for reactive power and self-blocking lines voltage.In thisway,power quality can be improved and reactive power balance can be realized.

dynamic reactive power compensation;railway;on-load tap changer

TM274

B

1671-0320（2016）05-0067-03

2016-07-08，

2016-08-18

王向东（1971），男，河北浑州人，1994年毕业于重庆大学电气工程系，工学硕士，教授级高级工程师，研究方向为电气化铁路供电系统及供电系统电能质量；

魏宏伟（1968），男，河南洛阳人，1991年毕业于西南交通大学电力系统及其自动化专业，工学硕士，教授级高级工程师，研究方向为铁路电力供电系统。