铁路电力贯通线路动态无功补偿方案探究

中铁十一局集团电务工程有限公司 罗 明

1 引言

一般情况下，铁路线路改造环节中，沿线的电力贯通线路普遍负荷较小，用电负荷不会产生明显变化，负荷与架空线路之间产生了容性电流，这种电流通常会跟随电缆与线路的比例而变化，并引发线路供电无功负荷问题以及线路损耗问题，严重情况下会造成调压器过负荷。面对这一情况，有必要加强对容性电流的动态补偿，保持线路供电安全。

2 铁路电力贯通线路动态无功补偿方式分析

针对铁路沿线的电力贯通线路，决定采取固定补偿联合动态补偿的方式，即在沿线信号中继站搭设并联电抗器，以此作为固定补偿；在变电站内加设动态补偿装置，以此作为动态补偿，其中用到的动态无功补偿主要有以下三种。

2.1 分组投切电抗器补偿方式

掌握线路运行的实际情况，分组投切电抗器无功补偿装置一般是使用成套设备，在真空接触器与计算机大数据的帮助下分析数据，使三个容量不同的电阻器一同构成补偿装置，随后按照线路当前无功情况完成功率因数分析，以此更好的控制补偿装置。实际上真空接触器主要接收源于计算机的指令，实现对电抗器的投切管理，再按照无功补偿数据选择投切方案。这种补偿方式能够实现自动化操作，计算机在控制投切装置动作的同时可对功率因数加以设置，防止投切期间出现任何振荡的情况，提高系统运行可靠性[1]。

2.2 相控电抗器补偿方式

这种补偿方式能够实时跟踪电压与无功的实际变化情况，以控制晶闸管导通角的方式完成电抗器电流的调节工作，最终将功率因数补偿到预期范围中，以此达到无功补偿的目的。相控电抗器补偿期间常会出现以下情况：功率因数绝对值大于限定范围后，补偿装置暂停工作，不再继续无功补偿；功率因数无法满足线路所需时，系统自动跟踪电压与无功变化，继续完成无功补偿。这种自动式无功补偿要求功率因数达到预期系统设定值，只有这样才能保持补偿效果，但由于系统装置结构比较复杂，后期需要安排专业人员加强维护[2]。

2.3 磁阀式可控电抗器补偿方式

与其他补偿方式不同，基于磁阀控制原理下的补偿方式需要调整电抗器的容量，以此作为无功补偿的必要手段。依靠晶闸管触发角控制电流大小，再经过相应的自动化操控，实现电抗器容量的有效控制，以此补偿线路无功，也让功率因数达到需求数值。电抗器铁心主要包含两部分，每部分铁心截面都会有着可控的磁饱和度。与其他两种无功补偿方式相比，磁阀式电抗器无功补偿不仅耗损低，补偿效果更好，无需投入过多成本即可达到补偿效果。

3 铁路电力贯通线路动态无功补偿方案

3.1 线路容性电流分析

实施线路无功补偿的意义在于提高功率因数，尽可能地减低设备容量和功率损耗，时刻维持电压稳定，提高电力供电质量，从而满足铁路线路长距离运输的输电要求。实际上，实施无功补偿的目的在于消除无功电流在线路内的有功损耗，因负载而形成的无功功率与电力变压器形成能量交换时，电流将会越过导线产生发热的现象，此时发热就属于有功损耗。采用动态感性补偿方式，在贯通母线处经过断路器的位置T接感性无功补偿装置，以此用来补偿容性无功，调整补偿量，同时增加一路馈出。

但是这种补偿方式容易受到场地的限制，成本偏高，装置需要安装在10kV的铁路贯通线路母线段位置，具有补偿电源容性无功的作用，在提升功率因数的同时全方位保障铁路全线的供电质量。经过研究得知，贯通线路沿着铁路主要呈现出带状的分布方式，线路中容性电流偏大，架空线路会产生较少感性电流，从贯通线路末端一直到配电所首段，整个区域内的容性电流是逐渐加大的。一般情况下，贯通线路由A配电所负责主供供电臂，B所负责备供。A所在进行设备检修或者系统故障处理时会由B所来主供供电臂。当整条线路设备都要维修时，线路开关可以采用开口运行的方式，A和B两个配电所能够完成分段供电[3]。由此，线路容性电流大小会因为供电方式而改变。

3.2 技术选型与方案设计

用于电力线路中的无功补偿方案较多，如使用静态补偿器、并联电容器等补偿装置达到预期补偿效果。无功补偿就是指在交流非纯阻性系统内采用感性负载的办法发出无功功率，以此补偿系统内容性负载所吸收的无功功率，从而达到双方无功功率平衡的效果。简而言之，无功补偿就是将带有感性功率和容性功率的负载装置并联在同一条电路中，感性负载装置释放出能量的同时，容性负载装置吸收能量；容性负载装置对外释放能量的时候，感性负载可以吸收能量，此时能量会在容性负载和感性负载之间相互转换，以此实现无功功率的补偿。

用于铁路电路贯通线路中的补偿方式主要为集中补偿与分散补偿两种，前者一般将补偿装置安装在配电所中，设备数量比较少，人们可以在配电所内集中完成设备的运检维修工作，降低了运营维护难度。相比之下，分散补偿方式就是将无功补偿分别在铁路沿线分散设置，以此提升铁路电能质量，最大限度降低线路损耗，但是相对应的装置检修与维护难度比较大，这种无功补偿方式更容易受到气候环境与地质条件等因素的影响。

对于方案设计部分，相应设计要点如下：一是基波补偿容量，要求功率因数超过0.95，按照实际情况在A和B两个供电臂的27.5kV母线处安装电容器，其中A供电臂的电容器容量为6000kVar，B供电臂的容量也是6000kVar，单台电容器电压值额定8.4kV，可以在1.36倍电压下运行，支路上的额定电压是27.5kV，此时A和B两个供电臂的补偿容量同时达到4567kVar，如果线路电压达到了29kV，此时补偿容量就会变为5080kVar，这就是方案中的基波补偿容量情况。

二是磁控式电抗器容量，安装这种电抗器可以实现电缆容性充电功率朝着系统的方向倒送无功，依据各个时段线路输出的容量变化判断电抗器与电容器支路配合情况，无论是对电抗器单独应用，或是电抗器与电容器联合使用，都可以达到预期补偿效果。

三是对电路补偿支路合理设计，依据12%电抗率使用单调谐滤波器装置。该动态补偿装置正式投入运行之后，系统电压值一般处于26.4～28.8kV，此时动态补偿装置控制点的功率因数超过0.95，3次谐波电流为95%的概率值是21.64A；5次谐波电流为95%概率值是18.46A；7次谐波电流在95%的概率值可达到9.864A。

3.3 动态感性无功补偿装置

3.3.1 工作原理

基于电抗器自身，首选磁控式电抗器，利用磁阀控制原理创建无功调整方案，使铁芯得到磁化，以此达到调节电抗器磁饱和度的作用，最终改变无功功率。对于线路内不同的运行方式，一般可以使用电压与电流互感器进行线路运行参数的在线监控，工业单片机负责采集分析数据，再依据相应程序对电抗器输出控制信号，从而改变无功功率，以完成对线路的感性无功补偿。

3.3.2 总体结构

在加权知识超网络中，协同成员具有不同的重要性与权重。因此，在考虑协同成员权重的情况下，进一步提出加权专有知识成员比例这一概念来评价CPIKN中专有知识成员的重要性。加权专有知识成员比例

该装置包含电抗器、电压互感器、电流互感器以及控制器几部分，基于无功补偿需求确定装置运行方案，实时监测线路的运行参数，通过固定与动态补偿方式的综合应用提升功率因数，以此抑制过电压，解决线路电压谐振问题。

3.4 线路降损

3.4.1 线路损耗计算

以某线路为例，10kV主线与分支线全长共75.71km，其中共有公专变和公变167台和93台，而专变共有74台，公变偏多导致铁路线损偏大。线路负荷一般集中于末端位置，电流大且线路长，这是导致电阻损耗偏大的主要原因。随着末端低电压和分段压差的不断增加，无形中加大了线路损耗，所以这是造成线路损耗的原因之一[4]。

线路有功网损主要分为变压器总铁损、总铜损、配电网支路总线损，单台变压器铁损与配电网全部变压器的铁损计算公式如下：

公式（1）中，ΔPoi指的是第i台变压器上的铁损情况；ue指的是各变压器额定电压。如果电压相等，那么配电网内单台变压器和所有变压器的铜损计算公式如下所示：

公式（2）中，Ie指的是额定电流，针对各个配电支路，需满足P=UIcosα，cosα指的是支路处的功率因数，计算公式经过变化之后可以变成以下情况：

此时各配变支路线损情况如下所示：

公式（4）中，Ri指的是第i条支路上的电阻，此时总线损计算公式如下所示：

计算得知配网线路压降如下：

Δu=PR+QX/Ue

其中，Ue代表的是额定电压，压降和有功功率P、电阻R、无功功率Q以及电抗X存在着紧密的联系，线路内设备固定，此时电阻值与电抗值将会恒定不变，提升线路电压水平才能降低压降。所以，在线路上需要变量一处电容补偿装置，实现自动补偿，从而降低损耗。自动调压器的装置图如图1所示。

3.4.2 方案选择与配置分析

在方案选择环节，决定安装10kV无功补偿装置，该装置的响应速度可以达到5min，每条线路需要安装2台左右，以阶梯性的电压抬升效果为主，每条线路上补偿装置成本在10万元左右，可降低线路耗损。在配置环节，经过现场分析，决定在10kV新农线路处安装两套补偿装置，其中一套无功补偿装置的容量是800kVar，另一套装置的容量是1000kVar。表1为降损前后的线损率对比情况，可见采用无功补偿措施后线损率降低了2.6%，每日线路上损失的电量可以降低2000kWh，且平均每年可节能30万元左右。

表1 降损前后线路线损率情况对比

总而言之，采用补偿技术对线路内的容性电流加以补偿，这是保障铁路稳定运行的重点。由于铁路供电系统在不同时间段内有着不一样的运行方式，所造成的负荷电流也会发生变化，电缆线路电流因此改变。针对铁路电力贯通线路，将固定补偿与动态补偿两种方式相结合，根据线路无功波动的随机性特点，通过补偿方式治理线路耗损问题，通过线损计算分析，依靠磁阀式补偿装置提高功率因数，从而消除谐波，为铁路贯通线路电力系统运行营造良好的环境。