馬永剛，李亞坤，張?zhí)N馨，王夢(mèng)蘭，張 偉，王錦杰

基于磁控電抗器的牽引變電所無功補(bǔ)償研究

馬永剛，李亞坤，張?zhí)N馨，王夢(mèng)蘭，張 偉，王錦杰

介紹了一種基于磁控電抗器式無功補(bǔ)償方式在新疆呼圖壁牽引變電所的無功補(bǔ)償改造。采用的磁路并聯(lián)漏磁自屏蔽式可控電抗器是磁閥式可控電抗器的一種改進(jìn)，在響應(yīng)、噪聲、損耗等方面存在優(yōu)勢(shì)。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，該裝置投運(yùn)后，牽引變電所的功率因數(shù)從原來的0.8提高到了0.99。

磁控式電抗器；電氣化鐵道電能質(zhì)量；無功補(bǔ)償

0 引言

功率因數(shù)偏低是長期困擾電氣化鐵路的問題。功率因數(shù)偏低不僅會(huì)造成鐵路部門面臨巨額罰款，而且會(huì)影響供電的可靠性及造成電能資源的浪費(fèi)[1]。

我國現(xiàn)行的兩部電價(jià)制度，電力機(jī)車用電加收功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)，造成鐵路企業(yè)電費(fèi)支出增加。降低電氣化鐵路運(yùn)營成本一直是鐵路部門關(guān)心的問題，而牽引變電所的運(yùn)營成本是電氣化鐵路總運(yùn)營成本的重要組成部分[1，2]。目前雖然大多數(shù)牽引變電所均加裝了并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置，以補(bǔ)償輸電線路的充電容量，提高功率因數(shù)，減少電費(fèi)支出及改善電能質(zhì)量。但由于該裝置均由不可調(diào)的電容和電感組成，發(fā)出的是無功常量，無法滿足牽引負(fù)荷無功量大小變化劇烈的要求，對(duì)功率因數(shù)在牽引負(fù)荷小時(shí)易形成過補(bǔ)償，牽引負(fù)荷大時(shí)又會(huì)欠補(bǔ)償，加之電力部門為減小功率因數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響而實(shí)行“反轉(zhuǎn)正計(jì)”，使得牽引變電所功率因數(shù)反而降低，電力部門對(duì)鐵路的罰款增多[3]。新疆呼圖壁牽引變電所每個(gè)月因功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)所帶來的罰款約5萬多元，功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)的問題亟待解決。

新疆呼圖壁牽引供電所位于新疆烏阿線上，2011年開通使用。該所配有1臺(tái)容量為 28.5 MV·A的主變壓器和1臺(tái)相同容量的備用變壓器，變比為110 kV / 27.5 kV。線路A、B相均配有27.5 kV的固定電容器，其中A相補(bǔ)償量為1.6 Mvar，B相補(bǔ)償量為2.0 Mvar，由于固定電容器投入運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的過補(bǔ)償，所以固定電容器并未投入使用。線路開通后由于功率因數(shù)過低達(dá)不到電力部門的要求，造成了巨額罰款。在供電可靠性要求方面，呼圖壁牽引變電所未投入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償時(shí)，當(dāng)線路空載，由于牽引線路長，對(duì)地電容大，無功過補(bǔ)償時(shí)功率因數(shù)僅有0.2左右。為了減少功率因數(shù)低造成的巨額電費(fèi)支出及提高供電質(zhì)量和可靠性，新疆鐵路局對(duì)呼圖壁牽引變電所進(jìn)行無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償改造。

1 無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案

1.1 幾種無功補(bǔ)償方式的比較

目前市場(chǎng)上常用的無功補(bǔ)償裝置有無功發(fā)生器（SVG）和靜止型無功補(bǔ)償裝置（SVC）。SVG成本高且技術(shù)相對(duì)不成熟，鐵路系統(tǒng)尚無運(yùn)行記錄；而SVC能夠滿足該牽引所的補(bǔ)償要求，所以呼圖壁變電所的補(bǔ)償選用SVC裝置。

靜止無功補(bǔ)償裝置在鐵路牽引供電系統(tǒng)中的作用包括提供無功補(bǔ)償（即改善功率因數(shù)），調(diào)整電壓（抑制工頻過電壓），改善系統(tǒng)電壓水平，提高電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性等，其配套的濾波器也能吸收諧波和減小諧波干擾。常用的SVC有以下幾種類型：機(jī)械式可調(diào)電抗器、PWM控制電抗器式、晶閘管控制電抗器式（Thyristor Controlled Resistance，TCR）、磁閥式可控電抗器式（Magnetic Valve Controlled Reactor，MVCR）和晶閘管投切電容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）。機(jī)械式可調(diào)電抗器雖然能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，但其精確度不高、響應(yīng)速度慢且噪聲較大[4]。PWM控制電抗器式響應(yīng)速度較快、諧波含量低，但是其在高壓和超高壓領(lǐng)域受到限制。當(dāng)TCR型裝置容量較大時(shí)，其占地面積較大、成本高且需要大量維修[5]。MCR型SVC裝置雖然可靠性高、占地面積小、免維護(hù)，但是在實(shí)際制造和應(yīng)用中存在鐵心長期過飽和、損耗大、溫升高，成本高、噪聲大等問題[6～10]。

為克服現(xiàn)有SVC技術(shù)在牽引變電所上存在的不足，本文提出一種并聯(lián)漏磁自屏蔽式可控電抗器，該電抗器是在磁閥式基礎(chǔ)上的改進(jìn)，具有鐵心截面充分利用、飽和區(qū)域鐵心和不飽和區(qū)域鐵心交錯(cuò)并聯(lián)、交直流磁路分開的特點(diǎn)。

1.2 磁路并聯(lián)漏磁自屏蔽式可控電抗器

磁路并聯(lián)漏磁自屏蔽式可控電抗器結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示[11]。磁路并聯(lián)漏磁自屏蔽式可控電抗器的鐵心是不飽和區(qū)域鐵心1和飽和區(qū)域鐵心2交錯(cuò)排列而成的并聯(lián)磁路。在一個(gè)周期內(nèi)，晶閘管4、5輪流導(dǎo)通，在回路中產(chǎn)生勵(lì)磁電流。勵(lì)磁電流的大小取決于可控硅控制導(dǎo)通角α，α越小勵(lì)磁電流越大，使電抗器處于不飽和區(qū)域鐵心1和飽和區(qū)域鐵心2的磁化程度同時(shí)加強(qiáng)，電抗器電抗值變小而輸出電流變大。因此調(diào)節(jié)可控硅觸發(fā)導(dǎo)通角α可以控制附加直流勵(lì)磁電流，利用附加直流電流勵(lì)磁磁化鐵心調(diào)整不飽和區(qū)域和飽和區(qū)域面積或磁阻，以改變并聯(lián)磁路中不飽和區(qū)域的磁化程度和飽和區(qū)域的磁飽和程度，從而可以實(shí)現(xiàn)電抗值的連續(xù)、快速調(diào)節(jié)。通過提高直流勵(lì)磁電流可提高勵(lì)磁速度，從而提高可控電抗器動(dòng)態(tài)性能[12]。

飽和區(qū)域鐵心的漏磁通，通過不飽和區(qū)域鐵心吸收而形成自屏蔽，使鐵心的損耗、噪聲、諧波含量大幅度降低。同時(shí)也增強(qiáng)了裝置的過載能力（可達(dá)150%）。該裝置不需要采用單獨(dú)的磁屏蔽裝置，也不需要在金屬結(jié)構(gòu)件上附設(shè)磁屏蔽結(jié)構(gòu)，工藝簡單可靠。

圖1 磁路并聯(lián)漏磁自屏蔽結(jié)構(gòu)及其電路原理圖

此外，單相電使用的磁路并聯(lián)漏磁自屏蔽式可控電抗器采用單框雙柱帶旁鐵軛式鐵心結(jié)構(gòu)，芯柱主磁通方向相同，各自與旁鐵軛閉合形成磁回路。

1.3 控制器的選用

本文設(shè)計(jì)一種多功能新型電壓無功綜合控制器，有效提高其抗干擾能力，使控制器能適用于各種比較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)。其電路示意圖如圖2所示。

圖2 新型控制器電路示意圖

控制器由A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字量化電路、同步信號(hào)電路、CPU控制電路等模塊組成，可以同時(shí)轉(zhuǎn)換多路信號(hào)，能夠有效減小電流電壓相位差、提高控制器采樣精度，提高控制準(zhǔn)確度。根據(jù)系統(tǒng)情況，采用不同的控制方案，能使無功補(bǔ)償系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)控制。同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)星形接法磁控電抗器、三角形接法磁控電抗器進(jìn)行三相統(tǒng)一調(diào)整和三相分相調(diào)整及單相控制，并能對(duì)多組電容器組實(shí)現(xiàn)分組投切控制。

圖3為裝置和牽引供電系統(tǒng)的連接圖。該裝置對(duì)以下模擬量進(jìn)行了采集，包括高壓側(cè)110 kV母線上連接的三相電壓互感器PT及三相電流互感器CT，低壓側(cè)27.5 kV母線上連接的單相電壓互感器PT及單相電流互感器CT，在27.5 kV母線側(cè)連接有補(bǔ)償電容C1及補(bǔ)償電抗器L1。其中，高壓側(cè)的模擬量用以計(jì)算無功；低壓側(cè)的模擬量用以計(jì)算及控制可控硅導(dǎo)通角。

圖3 裝置和系統(tǒng)的連接圖

2 牽引變電所無功補(bǔ)償方案

呼圖壁牽引變電所擔(dān)負(fù)著烏阿線（昌吉—瑪納斯段）牽引變電所間的電力牽引供電任務(wù)。

通過對(duì)呼圖壁牽引變電所電度表數(shù)據(jù)的采集可知，該牽引變電所未投入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償時(shí)功率因數(shù)的平均值cos?≈0.800 9。

根據(jù)鐵道部TB2009-87關(guān)于牽引供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)挠?jì)算條件和方法，無功補(bǔ)償容量可按式（1）計(jì)算：

式中，Qx為無功補(bǔ)償計(jì)算容量，kvar；cos?1為補(bǔ)償前電源側(cè)功率因數(shù)；cos?2為補(bǔ)償后電源側(cè)功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值；PL為供電臂平均有功功率，kW。

根據(jù)式（1），可以計(jì)算出該裝置所需的安裝容量。新疆電氣化鐵道中產(chǎn)生無功負(fù)荷的有機(jī)車、變壓器以及固定電容補(bǔ)償裝置，而固定電容裝置不能隨負(fù)荷投退，因而易造成“欠補(bǔ)”和“過補(bǔ)”交替發(fā)生，故需計(jì)算出其所需電抗補(bǔ)償容量[13，14]。根據(jù)《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》中規(guī)定，將無功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)值設(shè)為0.92，并綜合考慮無功補(bǔ)償、安裝容量最小等情況，選取補(bǔ)償裝置容量為2 500 kvar。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果及效益分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)呼圖壁牽引變電所電度表數(shù)據(jù)的采集可知，呼圖壁牽引變電所投入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償前功率因數(shù)的平均值cos?≈0.800 9。只投入B相動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償后功率因數(shù)的平均值提高到cos?≈0.907。A、B相動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償均投入后功率因數(shù)的平均值提高到cos?≈0.983 8。如圖4所示。

圖4 投入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償功率因數(shù)變化曲線圖

投運(yùn)前后呼圖壁牽引變電所電費(fèi)獎(jiǎng)懲情況如表1。投運(yùn)以來動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行良好，不需人工干預(yù)。功率因數(shù)的改善帶來了經(jīng)濟(jì)效益，每月電費(fèi)由以前被罰5萬元變成了獎(jiǎng)勵(lì)約9 000元。另外，測(cè)試得可控電抗器本身噪聲小于65分貝，自身損耗小于1%，產(chǎn)生的諧波小于基波幅值的2%，不產(chǎn)生電磁干擾污染環(huán)境。

3. 2 效益分析

依據(jù)國家電網(wǎng)公司下達(dá)文件《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》，新疆呼圖壁牽引變電所適用于以0.90為標(biāo)準(zhǔn)值的功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)表。功率因數(shù)為0.8時(shí)，罰款系數(shù)為0.05，功率因數(shù)大于0.95時(shí)，獎(jiǎng)勵(lì)系數(shù)為0.007 5。從經(jīng)濟(jì)效益方面來講，未投入動(dòng)補(bǔ)時(shí)因功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)每個(gè)月的罰款按5萬（5萬低于月平均罰款額）計(jì)算，一年的罰款金額為60萬。投入動(dòng)補(bǔ)后因功率因數(shù)提高到0.95以上，基數(shù)（基本電費(fèi)+電度電費(fèi)）按100萬元計(jì)算，每個(gè)月的獎(jiǎng)勵(lì)為100萬元×0.007 5 = 0.75萬元，一年的獎(jiǎng)勵(lì)金額為9萬元。綜上，2年就可以把動(dòng)補(bǔ)改造的成本收回來。

從供電的可靠性方面來講，呼圖壁牽引變電所在未投入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償前，空載時(shí)由于牽引線路長，對(duì)地電容大，無功過補(bǔ)功率因數(shù)非常小，造成了線路的電壓波動(dòng)，也不利于絕緣。動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)耐度胧沟脽o功達(dá)到就地平衡，電壓波動(dòng)減小，從而提高了供電的可靠性。

從社會(huì)效益方面來講：功率因數(shù)的提高使整個(gè)供電系統(tǒng)的有功損耗減??；變電站就能夠盡量多傳送有功，發(fā)電廠做到多發(fā)有功少發(fā)或不發(fā)無功，從而提高了廠、站設(shè)備的利用率。有功損耗減小，廠、站設(shè)備利用率的提高使得原煤的消耗減少，減少了CO2，SO2，固態(tài)粉塵等的排放，無形中也為節(jié)能減排，減少PM2.5的排放盡微薄之力。

表1 呼圖壁牽引變電所補(bǔ)償前后電費(fèi)情況一覽表

4 結(jié)論

本文通過對(duì)新疆呼圖壁牽引變電所進(jìn)行無功補(bǔ)償，提出了使用磁路并聯(lián)漏磁自屏蔽式可控電抗器及新型控制器，確定了變電所無功補(bǔ)償容量、補(bǔ)償結(jié)構(gòu)等重要參數(shù)。研究表明，牽引變電所動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行后效果顯著，帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，并保證了電氣化鐵路的安全穩(wěn)定運(yùn)營。這種新型的可控電抗器在電氣化鐵路牽引變電所的無功補(bǔ)償中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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This paper introduces a kind of reactive power compensation device, magnetic control reactor (MCR) type in Xinjiang Hutubi traction substation. In this paper, Paralleled magnetic circuit and self-shielded magnetic flux leakage type controlled reactor is actually an improvement of the magnetic valve type controlled reactor, and it has the advantages of fast and continuous reactive power adjustment, low noise, low loss, and wide range for the overload ability, etc. Measurement data show that, since the device has been put into operation, the power factor of the traction substation has improved from 0.8 to 0.99.

Magnetic control reactor (MCR); power quality of electrified railway; reactive power compensation

U223.5+3

：B

：1007-936X(2015)05-0020-04

2015-02-02

馬永剛.烏魯木齊鐵路局供電處，工程師，電話：13999824357；

李亞坤，張?zhí)N馨，王夢(mèng)蘭.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院；

張 偉，王錦杰.北京四方騰泰電力科技有限公司。