铁路电力供电系统无功补偿研究
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【摘 要】研究铁路电力供电系统的无功补偿，可以有效的将铁路补偿容量选择不合理、设备选型不稳定的现象进行彻底解决，同时降低铁路供电线路的损耗，确保铁路供电系统的稳定性。通过对电力系统无功补偿装置及无功补偿计算方式的研究，结合实际供电情况，对铁路电力供电系统的无功补偿进行深入研究。
【关键词】铁路电力;供电;无功补偿;研究
1、无功补偿的配置原则
为了最大限度地减少无功功率的传输损耗，提高输配电设备的效率，无功补偿设备的配置，一般放在变配电所中，主要采取高压电容补偿的办法。这一配置可以同时完成两种功能，一是针对地方电业局对指标参数的考核看，完成了国家对功率因数不得低于90%的技术要求，达到了国家电力部门对功率因数的考核要求。二是单从经济技术指标的考核看，也达到了上级考核的要求。因此，多年来在变配电所中以高压电容器来对配电网络中的无功功率进行补偿一直做为铁路电网无功补偿的主要方式，而在用户端低压安装无功补偿的则极为少见。
2、无功功率的产生源头
从铁路电力网无功功率消耗的基本状况可以看出，铁路电力网络主要为10kV及以下的配电网络，其无功损耗主要来源于两个方面，一是网络损耗，主要是高低压网络中的损耗，主要是变电所的主变和配电变压器。二是各低压电力用户，较大的主要是机务段、车辆段以及各部、局属工厂的动力设备，其次还有房产段采暖动力设备和给水设备。但与高低压配电网络的无功损耗相比，各大高低压用户所占比重要远远大得多。这里就产生了一个问题：在铁路供电网络中，大量的在用户低压终端产生的无功负荷，确要通过几乎整个网络的输送，而是在网络的首端—变配电所中去补偿。那么在这一个不合理的路径循环中，就产生了大量的不必要的损耗。必须采取电力部门补偿与用户补偿相结合。
3、普速铁路电力供电系统补偿研究
3.1补偿方案
我国普速铁路电力系统的特点是电力线路大部分是以架空线路为主，负荷种类比较固定，冲击性负荷较少，负荷变化率较小。普速铁路电力系统既有补偿方案根据电力线路的架空和电缆敷设方式，采用传统并联电容器和并联电抗器补偿。由于我国幅员辽阔，铁路线路较长，其中普速铁路占据较大的比例。本着合理经济的原则，根据各种补偿装置的补偿特点，选择用传统式的并联电容器和并联电抗器补偿设备从经济性和技术性都是合理的。但目前补偿容量的选择缺乏理论计算，经济合理性下降。普速铁路最需解决的问题是补偿容量的计算。
3.2并联电容器补偿方案
3.2.1补偿方式及补偿地点
并联电容器可以安装在全系统的各个点上，目前根据安装位置的不同可以分为就地补偿、集中补偿、混合补偿等多种方式。普速铁路电力系统中车站负荷较为分散，负荷功率较小，冲击性负荷较少，不适宜采用就地补偿，应根据负荷性质设置集中补偿。有10kV配电所的车站，在配电所的站馈母线段设置高压并联电容器，既能保证站馈供电线路的补偿，又能满足区间供电线路的补偿要求。在车站变电所及箱式变电站低压母线侧设置低压并联电容器集中补偿，满足低压负荷的补偿要求。在车辆段等特殊工艺场合，由于冲击性负荷较多，根据工艺设备功率因数要求，可采用混合补偿方式。
3.2.2投切方式
并联电容器的投切方式主要有2种：人工投切和自动投切。铁路电力系统高压负荷的变化率不是很大，并且冲击性负荷较少，高压电容器集中补偿宜采用分组人工投切的方式，便于维护并且经济优势比较明显。低压负荷有一定的变化率，并且低压无功功率因数补偿装置技术成熟，性价比较高，低压电容器集中补偿宜采用利用动态功率因数调整装置自动投切的方式。
3.3并联电抗器补偿方案
我国普速铁路电力系统贯通线大部分为架空敷设，但在架空敷设困难地段，比如林区、山区等地区，要采取电缆敷设方式。由于电缆对地电容电流较大，电力线路呈容性特点，需要对容性无功功率进行补偿，常用并联电抗器进行补偿。鉴于我国铁路电力供电系统多为10kV和35kV中压网络，并且贯通线由铁路配电所直接馈出，大量电缆敷设均在贯通线段中，所以宜将并联电抗器补偿在电力贯通线侧，在区间分散补偿。主要形式为户外杆架式和箱式变电站式，如选用户外杆架式，运行环境较为恶劣，宜选用油浸铁心式并联电抗器。如选用箱式变电站内，由于在箱变内安装，并且工厂预制安装整体运到现场，宜选用质量小、不漏油的干式电抗器。
4、铁路电力供电系统补偿研究
4.1静止无功功率补偿器（SVC）
静止无功功率补偿器主要有晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、晶闸管投切电抗器（TSR）和饱和电抗器（MCR、SR）等。（1）晶闸管控制电抗器（TCR）。SVC连续调节无功输出是依靠调节TCR中晶闸管的触发延迟角α得以实现的，通过晶闸管控制角α的改变，电抗器中流经的电流波形产生变化造成基波分量产生变化，电抗器的感抗发生了改变，TCR变成连续可调节的电感器。TCR并联上电容器后，使得总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率，因而可以将固定电容器的TCR+FC型静止无功功率补偿系统的总体无功电流偏置的补偿范围从感性范围延伸到容性范围内，它既可以吸收感性，也可以吸收容性无功功率。（2）晶闸管投切电容器（TSC）。TSC利用单向晶闸管反并联或双向晶闸管构成的交流无触点开关将单组或多组电容器投入到电网上或从电网切除。晶闸管投切电容器可以精确控制，实时根据用户负荷的变化，将所需的电容器容量投切至电网中，保证系统中的功率因数要求，真正实现动态无功补偿。若输出无功功率需要连续调节，或者要求能提供感性无功功率的情况下，可采用晶闸管投切电容器与晶闸管控制电抗器配合使用的方法。（3）饱和电抗器。饱和电抗器主要有可控饱和电抗器（MCR）与自饱和电抗器（SR）。MCR的饱和程度通过改变装置绕组工作电流加以控制铁心，绕组的感抗得到改变，无功电流大小进行控制。自饱和电抗器稳定电压是通过电抗器自身的能力，发出和吸收无功是通过铁心的饱和特性来控制。磁饱和电抗器组成的静止无功功率补偿装置属于第一代SVC。以快速响应的磁饱和式可控电抗器和并联电容器组成的补偿元件，配以相应的快速无功功率检测环节组成的无功功率补偿系统，可以保证补偿的快速性、准确性和合理性，能够快速补偿系统无功功率，使功率因数保持较高水平。
4.2SVG静止无功发生器
SVG静止无功发生器是将电压型自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，当只考虑基波频率时，SVG动态无功补偿装置可等效视为幅值和相位均可控的一个与电网同频率的交流电压源，适当调节交流侧输出电压的相位和幅值，当其幅值大于系统侧电压幅值时输出容性无功，小于时输出感性无功。静止无功发生器中最核心的器件是变频器，如果变频器的脉宽恒定，通过改变系统电压与变频器输出电压间夹角，变频器DC侧的电容电压可以得到调节，使逆变器产生满足要求的无功补偿电流，使SVG发出或者吸收无功功率。SVG静止无功发生器的优点是响应时间快、运行范围宽，既可补充感性负荷，也可以补偿容性负荷，高次谐波含量低，占地面积小，安全性高。缺点是控制复杂，成本高。
5、结论
目前，在铁路供电管理中，并没有对无功补偿的方式进行有效的调整，现在所采用的基本上是以变配电所的高壓集中补偿为主。而低压终端用户所需的大量无功负荷却由变配电所通过高压干线经变压器再经低压线路来提供。从而在无端产生了大量损耗的同时，对加大了线路电压降，影响了网络供电能力。而在诸多的小型变配电所的设计、建设中，又一概加入了电容补偿装置，既浪废了投资，又增加了一次结线的复杂程度，非常不利于运行的操作与安全。
参考文献：
[1]周建丰，顾亚琴.无功补偿装置的发展及性能比较分析[J].四川电力技术，2017，30（4）：59-62.
（作者单位：苏北铁路工程建设指挥部）
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