高速铁路运营初期增设无功补偿装置研究

卢文波

（京沈铁路客运专线辽宁有限责任公司，沈阳 110001）

牵引变电所功率因数偏低除了会降低发电机有效利用率、增大输电线路电能损失外，还会增加铁路企业的电费支出。电力部门会对功率因数不达标的牵引变电所增收额外的罚款。

1 运行状况

1.1 牵引供电系统及设计运量概况

京沈客专辽宁段共8座牵引变电所，各牵引变电所采用线路变压器组接线方式，所内设置4台牵引变压器，每2台构成V/X接线，容量均为40 MVA。

该区段设计运量为92～108对动车组，经过计算功率因数大于0.9，在牵引变电所内不设置无功补偿装置。

1.2 运行状况

2018年12月底京沈客专正式开通运营，开通初期安排牛河梁—沈阳开行8对列车，朝阳—沈阳开行15对列车，阜新—沈阳开行18对列车，新民北—沈阳开行28对列车（其中部分列车不逐日开行）。各牵引变电所2018年3月1日—2018年3月18日有功电度、无功电度、功率因数统计情况如图1～图4所示。

如图1～图4所示，京沈客专在2019年3月份牵引变电所无功电量较高，平均功率因数未能达到0.9。

图1 牛河梁所电度、功率因数

图2 乌兰和硕所电度、功率因数

图3 朝阳北所电度、功率因数

图4 马友营电度、功率因数

2 原因分析

京沈客专设计运量初期牛河梁—沈阳92～108对列车；目前实际运量为14～24对，为设计运量的9%～26%，造成牵引供电系统大部分时间处于空载。京沈客专辽宁段各牵引变电所设计与开通初期实际年用电量对比见表1。

表1 设计与开通初期实际年用电量对比表

牵引供电系统在空载时主要2部分产生无功，一是牵引变压器、自耦变压器产生的感性无功，另一种是牵引网产生的容性无功。

2.1 变压器空载无功

若牵引变压器、自耦变压器空载电流百分比0.12%计算（取试验报告平均值），牵引变压器容量为（40+40）MVA，AT所自耦变压器容量为32 MVA，分区所自耦变压器容量为25 MVA，则：

牵引变电所牵引变压器空载无功功率Qss≈96 kvar，AT所自耦变压器空载无功功率QAT≈76.8 kvar，分区所自耦变压器空载无功功率Qsp≈60 kvar，以上各变压器产生的均为感性无功。

2.2 牵引网产生无功

牵引网在空载时，其电气模型如图5所示，牵引变压器视为电源，牵引网自身形成电抗和对地形成电容，根据情况可将接触网分为若干个电容电感串联回路，为便于计算，一般可按每千米分割成单位长度。

图5 牵引网空载时的电气模型

根据电路原理，牵引网单位长度电容和电感产生的无功计算为式（1）：

京沈客专采用AT供电方式，其牵引网产生的容性无功大于直供方式，AT供电方式牵引网电容计算模型如图6所示。

图6 AT供电方式牵引网电容计算模型

TR间电容为式（3）：

TN线间电容为式（4）：

式中：R为导线半径；H为对地高度；ε0为空气介电常数；D为接触网与保护线间距离。

TF、FN线间电容参照TN。

牵引网单位长度产生的电容可按照并联电容计算原理进行叠加，为式（5）：

供电臂对地电容为式（6）：

式中：l为供电臂长度；k为由于锚段关节产生的系数，一般为1.05～1.15。整个供电臂牵引网空载无功为式（7）：

由于京沈客专部分供电线采用电缆方式，电缆产生电容效应较大，同时线路采用无砟轨道以及桥隧比例大，接触网对道床、桥、隧道的钢筋也会产生电容效应，故实际牵引网无功不易准确计算，其值要大于上述理论计算值。

表2 牵引变电所空载无功统计表

2.3 无功计算分析

通过上述分析牵引变电所在空载时牵引网产生的容性无功要大于变压器产生的感性无功，综合变压器和牵引网无功，京沈客专辽宁段牵引变电所空载无功功率为容性800～1 400 kvar［1］。

由统计数据分析可知，京沈客专牵引变电所功率因数低的主要原因是牵引网容性无功较大所致，牵引变电所在空载时呈现容性无功。因此只需在牵引变电所增设感性无功补偿装置来抵消牵引网空载无功，提高功率因数。

3 无功补偿方案

3.1 方案比选

目前铁路上采用的无功补偿分为固定电抗补偿和动态无功补偿。动态无功补偿装置主要有MCR型SVC，TCR型SVC，SVG等。各方案主要技术特点对比见表3。

表3 无功补偿装置技术比较表

通过前面分析可知，本线功率因数偏低的主要原因是线路空载时的容性无功，经技术比选，建议采用MCR装置进行补偿，不设电容器组（FC）支路，或采用固定电抗器进行补偿。

3.2 经济分析

经技术比选后确定如下3个有意义的补偿方案：

（1）每个牵引变电所内增设1套MCR装置，只对一相进行动态无功补偿。

（2）每个牵引变电所内增设2套MCR装置，分别对两相进行动态无功补偿。

（3）每个牵引变电所内增设2套电抗器，分别对两相进行固定无功补偿。

下文将从节约电费和成本回收期角度对上述3个方案进行经济比选。

目前电气化铁路向电力部门所缴电费主要包含3部分：基本电费、电度电费和功率因数调整电费。牵引变电所功率因数的高低直接影响铁路部门每月缴纳电费的数额

京沈客专目前基本电费按实际需量法收取，单价为33元/（kW⋅m），电度电费按0.492 6元/（kW⋅h）收取，力率电费根据实际功率因数按上表分别计算。按MCR动态补偿和固定电抗器补偿后各牵引变电所的功率因数达到0.9以上考虑，3个月力率电费节约情况见表4。

通过表4可以看出，当补偿方案都达到了较为理想的补偿效果时，功率因数达到0.9的标准，将力率电费减少为0元，这3个所3个月可节约电费约326万元，平均每个月每个所节约电费约36万元。

表4 牵引变电所节约电费预测表

每套MCR装置的工程投资按121万元计算，每套固定补偿装置按86万元计列，计算各方案所节约电费额和成本回收期见表5。

表5 各补偿方案节约电费额和成本回收期

4 结束语

由计算结果和节约电费预测，在高速铁路联调联试和开通初期，牵引变电所功率因数较低，通过增设MCR补偿装置或固定电抗器补偿等方式，提高功率因数，减少力率电费支出的效果明显。

针对具体的线路，其电容电流为固定值，可采用结构简单、造价低的固定电抗器补偿方案。但随着牵引负荷的增加，固定电抗器补偿可能会造成“过补”，针对此情况下，建议采用MCR装置进行动态补偿［2］。

电容电流的存在会导致接触网末端电压升高，在电压升高不影响运行情况下，尽可能采用单一供电臂设置补偿装置。

文中对牵引变电所增设补偿装置提出了初步构思和设想，具体技术细节、产品研发、制造、试验等问题还有待深入研究。