王坤　趙配合

摘 要：在電氣化鐵路供電系統(tǒng)中，當(dāng)某供電區(qū)間運(yùn)行的機(jī)車比較多時(shí)，牽引網(wǎng)末端的電壓往往低于額定電壓，有時(shí)甚至低于允許的最低電壓，影響電力機(jī)車正常運(yùn)行，降低運(yùn)輸效益，同時(shí)也降低了線路功率因數(shù)，增大了諧波量，造成整個(gè)供電系統(tǒng)電壓質(zhì)量不高。為了在運(yùn)輸繁忙時(shí)保證整個(gè)鐵道系統(tǒng)的正常運(yùn)行，須提高牽引網(wǎng)電壓質(zhì)量，所以在電氣化鐵路供電系統(tǒng)中通常采用補(bǔ)償裝置來(lái)提高網(wǎng)壓，這不僅關(guān)系到電氣化鐵路運(yùn)輸效益還關(guān)系到運(yùn)輸生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；補(bǔ)償裝置；諧波；功率因數(shù)

在鐵路牽引供電系統(tǒng)中，當(dāng)某供電區(qū)間運(yùn)行的機(jī)車比較多時(shí)，牽引網(wǎng)末端的電壓往往低于21KV，有時(shí)甚至低于19KV，影響電力機(jī)車牽引力的發(fā)揮，降低運(yùn)輸效益，為了在運(yùn)輸繁忙時(shí)保證整個(gè)鐵道系統(tǒng)的正常運(yùn)行，須提高牽引網(wǎng)電壓，所以在鐵路牽引供電系統(tǒng)中通常采用并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置來(lái)提高網(wǎng)壓。然而牽引變電所并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置的技術(shù)狀態(tài)，不僅關(guān)系到運(yùn)輸效益還關(guān)系到運(yùn)輸生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，電力部門不僅對(duì)負(fù)序、諧波、功率因數(shù)等參數(shù)，制定了嚴(yán)格的考核標(biāo)準(zhǔn)，還實(shí)施按功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)，由于牽引變電所現(xiàn)有的并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置難以達(dá)到功率因數(shù)0.9標(biāo)準(zhǔn)，須交納功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)。因此，很有必要對(duì)現(xiàn)有變電所電容補(bǔ)償裝置進(jìn)行改造，減少功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)的支出，提高電氣化鐵路經(jīng)濟(jì)效益。

1 我段現(xiàn)有靜態(tài)電容補(bǔ)償裝置影響功率因數(shù)提高的原因

牽引變電所一般安裝兩組不可調(diào)的靜態(tài)并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置，固定安裝在27.5KV母線上，分別補(bǔ)償兩個(gè)供電臂。由于牽引負(fù)荷為間歇性的特點(diǎn)，負(fù)荷變化大，功率因數(shù)低，靜態(tài)電容補(bǔ)償不能自動(dòng)追蹤補(bǔ)償，影響功率因數(shù)提高，這一點(diǎn)在貴昆線變電所很常見(jiàn)。例如尹堡村變電所，兩組電容同時(shí)投入運(yùn)行功率因數(shù)通常也就在0.89～0.91之間，功率因數(shù)也就勉強(qiáng)達(dá)到電力部門的要求，當(dāng)然這還不包括反向無(wú)功計(jì)入之后的功率因數(shù)。

現(xiàn)有靜態(tài)電容補(bǔ)償裝置，不能根據(jù)電力機(jī)車負(fù)荷情況進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。一般設(shè)計(jì)部門設(shè)計(jì)都會(huì)按近期遠(yuǎn)期不同用電量分不同階段進(jìn)行主要電力設(shè)備容量的設(shè)計(jì)，如近期變壓器容量可能只有25000MVA，但是隨著運(yùn)量的增加，遠(yuǎn)期變壓器容量可達(dá)到60000MVA，而對(duì)某些電力設(shè)備為避免日后擴(kuò)容改造的工程量過(guò)大，在近期的時(shí)候就按線路遠(yuǎn)期運(yùn)量考慮。因近期運(yùn)量較小，牽引變電所電容補(bǔ)償投入后，易產(chǎn)生過(guò)補(bǔ)償。同時(shí)，為保證牽引供電的可靠性，供電臂牽引負(fù)荷率較低，單線區(qū)段的負(fù)荷率只能達(dá)到50%左右，此時(shí)補(bǔ)償電容投入，也會(huì)產(chǎn)生過(guò)補(bǔ)償。過(guò)補(bǔ)償給電力系統(tǒng)反饋無(wú)功電量，而電力部門對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置實(shí)行“反轉(zhuǎn)正計(jì)”的計(jì)量方法，把用戶反送電力系統(tǒng)的無(wú)功電量與取用的無(wú)功電量絕對(duì)值相累加，加大了無(wú)功電量部分的計(jì)算，影響了功率因數(shù)的提高。這一點(diǎn)在盤西線表現(xiàn)很明顯，盤西線車流量較小，牽引網(wǎng)大半時(shí)間都處于空載狀態(tài)，像白水變電所只投入A組電容時(shí)，每天18點(diǎn)計(jì)算正向功率因數(shù)基本都可以達(dá)到0.98，而累加上反向后功率因數(shù)低于0.8，甚至有時(shí)候不足0.6，這就給電氣化鐵路的經(jīng)濟(jì)效益帶來(lái)了極大的影響。

另外，現(xiàn)有電容補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償還有一個(gè)特點(diǎn)，受地理環(huán)境和地勢(shì)環(huán)境的影響，牽引變電站一個(gè)變壓器所供兩個(gè)供電臂的長(zhǎng)度通常都會(huì)有區(qū)別，每條供電臂線路縱斷面和坡度也不一樣，而兩個(gè)供電臂電容補(bǔ)償裝置容量相等，用相等容量的電容來(lái)補(bǔ)償不等負(fù)荷的供電臂，不能根據(jù)牽引變壓器每相符合情況進(jìn)行補(bǔ)償，導(dǎo)致滯后相適度補(bǔ)償，超前相過(guò)度補(bǔ)償；超前相適度補(bǔ)償，滯后相欠補(bǔ)償，致使補(bǔ)償效果不甚理想。

2 投切電容補(bǔ)償裝置的危害及對(duì)設(shè)備的影響

諧波對(duì)系統(tǒng)并聯(lián)電容有較大的影響，諧波電流會(huì)疊加在基波電流上，使電容器的運(yùn)行電流有效值增大，使峰值電壓大大增加。投入和撤出電容會(huì)使系統(tǒng)諧波電流放大。在實(shí)際電力系統(tǒng)中，經(jīng)?？梢园阎C波阻抗與諧波容抗看作感性元件和容性原件并聯(lián)的等值諧波阻抗。

投切電容補(bǔ)償裝置，可能出現(xiàn)操作過(guò)電壓。在投入并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置時(shí)，考慮到二階電路對(duì)正弦函數(shù)相應(yīng)中的穩(wěn)態(tài)分量是時(shí)間的正弦函數(shù)，為便于分析電容補(bǔ)償裝值投入時(shí)易產(chǎn)生過(guò)電壓的最大可能性，現(xiàn)將補(bǔ)償裝置視為二階電路零狀態(tài)下對(duì)階躍函數(shù)的響應(yīng)進(jìn)行剖析，另考慮到實(shí)際情況R很小，所以只分析R<2（L/C）1/2振蕩條件下的情況。振蕩充電過(guò)程中UC與I隨時(shí)間變化的曲線如圖1，可以看出，在振蕩的充電過(guò)程中，如果電路中的電阻R很小，UC的最大值將趨近于電源電壓的2倍，UC=2E，即電容兩端最大過(guò)電壓可達(dá)2倍母線電壓。

與電容電壓分析相同，電抗器過(guò)電壓約等于母線電壓27.5KV，而并聯(lián)電容裝置投入時(shí)，電抗器的過(guò)電壓大約為電抗器額定電壓的7.3倍。通過(guò)以上分析可知，并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置投入瞬間產(chǎn)生的躍變電壓非常大，如此大的電壓將嚴(yán)重影響電容器、電抗器及真空斷路器的壽命。

3 目前國(guó)內(nèi)提高功率因數(shù)的幾種常用方法

目前，國(guó)內(nèi)電氣化鐵道牽引變電所為提高功率因數(shù)，提高電壓質(zhì)量，普遍采用靜態(tài)電容的補(bǔ)償裝置。從六十年代末期以來(lái)，世界上許多國(guó)家都致力于研制新型電容器補(bǔ)償設(shè)備，以達(dá)到自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償?shù)哪康?。許多國(guó)家先后研制了多種型式的靜止無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置（簡(jiǎn)稱SVC），有利用晶閘管（可控硅）分組投切電容器組來(lái)補(bǔ)償牽引負(fù)荷產(chǎn)生的無(wú)功。還有一種新型的電壓無(wú)功綜合補(bǔ)償裝置（簡(jiǎn)稱VQC），是根據(jù)電力牽引負(fù)荷情況，利用真空接觸投切電容器單元，達(dá)到自動(dòng)追蹤補(bǔ)償目標(biāo)。另外國(guó)內(nèi)還有一種有效的方法是在牽引變電所安裝串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置（SC C），將串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置安裝在牽引變壓器二次側(cè)的接地端。

為了使?fàn)恳冸娝苓_(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)，必須使補(bǔ)償裝置，在網(wǎng)壓比較高時(shí)旁路補(bǔ)償裝置，在網(wǎng)壓比較低時(shí)投入補(bǔ)償裝置。昆明鐵路局貴昆線、盤西線在建立初都是采用并聯(lián)電容組補(bǔ)償裝置，基于鐵路系統(tǒng)負(fù)荷的特殊性，牽引網(wǎng)有一半時(shí)間處于空載狀態(tài)，這一點(diǎn)前面已經(jīng)提到這里就不再贅述。對(duì)此在2005年先后在盤西線幾個(gè)變電所投入靜止動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（簡(jiǎn)稱SVC），以盤西線白水牽引變電所為例，無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的具體動(dòng)作過(guò)程如下：

1）當(dāng)白水變電所正常運(yùn)行時(shí)，變壓器空載，補(bǔ)償裝置的晶閘管導(dǎo)通，串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置被旁路斷開(kāi)。

2）當(dāng)白（水）平（河口）區(qū)間有列車運(yùn)行時(shí)，檢測(cè)到A相出口電壓低于設(shè)定值，截?cái)郃相晶閘管，投入A相串聯(lián)靜止電容補(bǔ)償裝置，提高網(wǎng)壓，保證白平區(qū)間上所有列車正常運(yùn)行。

3）當(dāng)白（水）平（河口）區(qū)間列車減少時(shí)，檢測(cè)到變壓器A相出口電壓大于設(shè)定值（29KV），則導(dǎo)通A相晶閘管，斷開(kāi)A相串聯(lián)的靜止電容補(bǔ)償裝置，恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

在A相靜止電容補(bǔ)償裝置投切的過(guò)程中，B相不會(huì)因?yàn)锳相的動(dòng)作而動(dòng)作，始終根據(jù)B相出口電壓的值來(lái)判定，是否投切B相靜止電容補(bǔ)償裝置。這樣根據(jù)負(fù)荷的變化適時(shí)動(dòng)態(tài)的來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，相比原有的靜止補(bǔ)償裝置，對(duì)電能的利用率有了很大的提高。

4 目前城市軌道交通采用的改進(jìn)補(bǔ)償裝置的方法

城市軌道交通與交流電氣化鐵路一樣，都是與電力為牽引，是電氣化鐵路的一個(gè)分支。城市軌道交通與普通交流電氣化鐵路的不同之處在于，牽引供電電壓等級(jí)不同，電壓制式不同。城市軌道交通通常采用直流1500V，750V兩個(gè)等級(jí)的牽引供電電壓，而普通交流電氣化鐵路通常采用交流27.5kV等級(jí)的牽引供電。城市軌道交通一樣具有牽引負(fù)荷間歇性的特點(diǎn)，負(fù)荷變化大，城市軌道交通中有大量自然功率因數(shù)較低的低壓用電設(shè)備，供電系統(tǒng)中功率因數(shù)較低。另外，城市軌道交通還有一個(gè)自身的特點(diǎn)，使其功率因數(shù)比交流電氣化鐵路更低，更不容易進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)城市軌道交通而言，功率因數(shù)的過(guò)低致使其每月向供電局交納的力調(diào)電費(fèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常使用電費(fèi)，是嚴(yán)重影響城市軌道交通收益的一個(gè)重大問(wèn)題。

城市軌道交通因主要是在城區(qū)建設(shè)，城區(qū)征地、拆遷較困難，城市軌道交通通常約20公里建兩座110kV等級(jí)的變電站，在110kV變電站將110kV電壓變?yōu)?5kV電壓，通過(guò)沿軌道交通一起敷設(shè)的電纜供給軌道交通沿線的眾多降壓變電所，混合變電所。電纜是電壓傳遞的主要載體，而電纜又是純?nèi)菪宰杩?，截面?×150的鋼制35kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜每公里電纜阻抗達(dá)0.143Ω，20公里的電纜，阻抗約為2.86Ω。所以，城市軌道交通的功率因數(shù)在沒(méi)有補(bǔ)償裝置的情況下，非常之低，在昆明軌道交通公司曾經(jīng)統(tǒng)計(jì)過(guò)，在沒(méi)有補(bǔ)償裝置的一個(gè)月，一臺(tái)變壓器的功率因數(shù)僅有0.08，功率因數(shù)調(diào)整率達(dá)到129%，而在投入補(bǔ)償裝置以后功率因數(shù)可以調(diào)整到0.98以上，補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償效果非常明顯。

目前城市軌道交通通常采用的補(bǔ)償裝置為靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG），其主要的工作原理是基于瞬時(shí)無(wú)功功率的概念和補(bǔ)償原理，以大功率可關(guān)斷電力電字器件組成的逆變器為核心，相應(yīng)的自動(dòng)控制和保護(hù)系統(tǒng)等組成的成套裝置，其基本原理與靜止動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（簡(jiǎn)稱SVC）相同，均是通過(guò)新型的控制器不再選用以功率因數(shù)為檢測(cè)量，而是以無(wú)功電流為檢測(cè)量，來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。

5 靜態(tài)電容補(bǔ)償裝置與動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置優(yōu)缺點(diǎn)比較

靜態(tài)電容補(bǔ)償裝置作為早期的補(bǔ)償裝置在交流電氣化鐵路中有大量的運(yùn)用，其自身存在的補(bǔ)償問(wèn)題也被不斷的發(fā)現(xiàn)，對(duì)此很多人和單位都做了很多的研究，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子科技的日趨成熟和普遍運(yùn)用，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置逐漸嶄露頭角，越來(lái)越多的應(yīng)用于更廣闊的領(lǐng)域。在以往的工作中對(duì)兩種補(bǔ)償裝置均有運(yùn)用，并且有一定的研究，對(duì)此也對(duì)兩種補(bǔ)償裝置的優(yōu)缺點(diǎn)有一些自己的看法：

5.1 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置由于包含設(shè)備較多，單獨(dú)一套補(bǔ)償裝置通常帶有一臺(tái)干式變壓器、隔離開(kāi)關(guān)柜、電容器柜、可控硅柜、控制柜等設(shè)備，而一套靜態(tài)電容補(bǔ)償裝置通常只帶有電容器組，電抗器，隔離開(kāi)關(guān)等主要設(shè)備，所以一套無(wú)功補(bǔ)償裝置的造價(jià)要比一套靜態(tài)電容補(bǔ)償裝置的造價(jià)要高很多。

5.2 靜態(tài)電容補(bǔ)償裝置都要配備電容器組和電抗器，雖然現(xiàn)在的工藝水平已經(jīng)有了很大的提升，但是電容器組和電抗器都有很充裕的占地面積和安全距離。而動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置經(jīng)過(guò)自帶變壓器的降壓后只是10kV的電壓等級(jí)，并且只有在進(jìn)線線路超過(guò)20公里的情況下需要進(jìn)行特殊補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候才會(huì)考慮設(shè)計(jì)電抗器，一般設(shè)計(jì)中都是柜式設(shè)備，大大縮減了補(bǔ)償裝置的占地面積。這一點(diǎn)靜態(tài)電容補(bǔ)償裝置對(duì)惜土如金的城市軌道交通來(lái)講是非常不利的，占地面積的擴(kuò)大，增加了征地面積和拆遷面積，就意味著建設(shè)方將投入更多的征地和拆遷資金和投入更多的精力來(lái)完成變電站的建設(shè)，同時(shí)，征地和拆遷的困難增大也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工程建設(shè)難度的增大。

5.3 靜態(tài)電容器補(bǔ)償裝置通常是由電容器組、電抗器、隔離開(kāi)關(guān)等這些大型器件組成，產(chǎn)品使用比較穩(wěn)定，投入之初不需要進(jìn)行很復(fù)雜的調(diào)試，試驗(yàn)合格即可以投入使用，定期的核對(duì)性試驗(yàn)較容易完成，也能盡早，及時(shí)，直觀的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，后期如果需要可以重新更換不同生廠商的同類設(shè)備，對(duì)生產(chǎn)商的依賴不強(qiáng)。而動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置除了一些主要的硬件外，主要的工作核心還是在軟件上面，投入之初需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)試，才能將功率因數(shù)和諧波調(diào)整到一個(gè)最佳狀態(tài)。并且，補(bǔ)償裝置的核心部件都是電子元器件，插件式部件構(gòu)成，故障率高，需要的檢修維護(hù)技術(shù)更高，后期對(duì)生產(chǎn)商的依賴更強(qiáng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

昆明鐵路局昆明供電段白水牽引變電所在SVC投入系統(tǒng)后，經(jīng)過(guò)一個(gè)月的試運(yùn)行與變電所其他設(shè)備配合良好，計(jì)入反相無(wú)功后的功率因數(shù)也基本達(dá)到0.9，功率因數(shù)這一項(xiàng)較以前有了明顯的提高。在投入前期，SVC系統(tǒng)晶閘管擊穿比較敏感，饋線斷路器跳閘也很容易就導(dǎo)致晶閘管擊穿，之后經(jīng)過(guò)生廠商的調(diào)試，運(yùn)行時(shí)基本上解決這一問(wèn)題。而在昆明供電段平關(guān)牽引變電所，SVC運(yùn)行初期也是有一些很不穩(wěn)定的表現(xiàn)。

在城市軌道交通工程中，使用的SVG一樣也是初期調(diào)試時(shí)間較長(zhǎng)，調(diào)試完成以后補(bǔ)償效果有了明顯的改變，挽回了城市軌道交通不少經(jīng)濟(jì)損失?？偟膩?lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置系統(tǒng)還是利大于弊的，針對(duì)電氣化鐵路系統(tǒng)的特殊性，對(duì)功率因數(shù)提高和抑制諧波電流的產(chǎn)生都作出了一定的貢獻(xiàn)。

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