基于磁控电抗器的牵引变电所无功补偿研究

马永刚，李亚坤，张蕴馨，王梦兰，张 伟，王锦杰

基于磁控电抗器的牵引变电所无功补偿研究

马永刚，李亚坤，张蕴馨，王梦兰，张 伟，王锦杰

介绍了一种基于磁控电抗器式无功补偿方式在新疆呼图壁牵引变电所的无功补偿改造。采用的磁路并联漏磁自屏蔽式可控电抗器是磁阀式可控电抗器的一种改进，在响应、噪声、损耗等方面存在优势。测试数据表明，该装置投运后，牵引变电所的功率因数从原来的0.8提高到了0.99。

磁控式电抗器；电气化铁道电能质量；无功补偿

0 引言

功率因数偏低是长期困扰电气化铁路的问题。功率因数偏低不仅会造成铁路部门面临巨额罚款，而且会影响供电的可靠性及造成电能资源的浪费[1]。

我国现行的两部电价制度，电力机车用电加收功率因数调整电费，造成铁路企业电费支出增加。降低电气化铁路运营成本一直是铁路部门关心的问题，而牵引变电所的运营成本是电气化铁路总运营成本的重要组成部分[1，2]。目前虽然大多数牵引变电所均加装了并联电容补偿装置，以补偿输电线路的充电容量，提高功率因数，减少电费支出及改善电能质量。但由于该装置均由不可调的电容和电感组成，发出的是无功常量，无法满足牵引负荷无功量大小变化剧烈的要求，对功率因数在牵引负荷小时易形成过补偿，牵引负荷大时又会欠补偿，加之电力部门为减小功率因数对系统的影响而实行“反转正计”，使得牵引变电所功率因数反而降低，电力部门对铁路的罚款增多[3]。新疆呼图壁牵引变电所每个月因功率因数不达标所带来的罚款约5万多元，功率因数不达标的问题亟待解决。

新疆呼图壁牵引供电所位于新疆乌阿线上，2011年开通使用。该所配有1台容量为 28.5 MV·A的主变压器和1台相同容量的备用变压器，变比为110 kV / 27.5 kV。线路A、B相均配有27.5 kV的固定电容器，其中A相补偿量为1.6 Mvar，B相补偿量为2.0 Mvar，由于固定电容器投入运行后会出现严重的过补偿，所以固定电容器并未投入使用。线路开通后由于功率因数过低达不到电力部门的要求，造成了巨额罚款。在供电可靠性要求方面，呼图壁牵引变电所未投入动态无功补偿时，当线路空载，由于牵引线路长，对地电容大，无功过补偿时功率因数仅有0.2左右。为了减少功率因数低造成的巨额电费支出及提高供电质量和可靠性，新疆铁路局对呼图壁牵引变电所进行无功动态补偿改造。

1 无功补偿设计方案

1.1 几种无功补偿方式的比较

目前市场上常用的无功补偿装置有无功发生器（SVG）和静止型无功补偿装置（SVC）。SVG成本高且技术相对不成熟，铁路系统尚无运行记录；而SVC能够满足该牵引所的补偿要求，所以呼图壁变电所的补偿选用SVC装置。

静止无功补偿装置在铁路牵引供电系统中的作用包括提供无功补偿（即改善功率因数），调整电压（抑制工频过电压），改善系统电压水平，提高电力系统的动态和暂态稳定性等，其配套的滤波器也能吸收谐波和减小谐波干扰。常用的SVC有以下几种类型：机械式可调电抗器、PWM控制电抗器式、晶闸管控制电抗器式（Thyristor Controlled Resistance，TCR）、磁阀式可控电抗器式（Magnetic Valve Controlled Reactor，MVCR）和晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）。机械式可调电抗器虽然能够实现连续调节，但其精确度不高、响应速度慢且噪声较大[4]。PWM控制电抗器式响应速度较快、谐波含量低，但是其在高压和超高压领域受到限制。当TCR型装置容量较大时，其占地面积较大、成本高且需要大量维修[5]。MCR型SVC装置虽然可靠性高、占地面积小、免维护，但是在实际制造和应用中存在铁心长期过饱和、损耗大、温升高，成本高、噪声大等问题[6～10]。

为克服现有SVC技术在牵引变电所上存在的不足，本文提出一种并联漏磁自屏蔽式可控电抗器，该电抗器是在磁阀式基础上的改进，具有铁心截面充分利用、饱和区域铁心和不饱和区域铁心交错并联、交直流磁路分开的特点。

1.2 磁路并联漏磁自屏蔽式可控电抗器

磁路并联漏磁自屏蔽式可控电抗器结构和原理如图1所示[11]。磁路并联漏磁自屏蔽式可控电抗器的铁心是不饱和区域铁心1和饱和区域铁心2交错排列而成的并联磁路。在一个周期内，晶闸管4、5轮流导通，在回路中产生励磁电流。励磁电流的大小取决于可控硅控制导通角α，α越小励磁电流越大，使电抗器处于不饱和区域铁心1和饱和区域铁心2的磁化程度同时加强，电抗器电抗值变小而输出电流变大。因此调节可控硅触发导通角α可以控制附加直流励磁电流，利用附加直流电流励磁磁化铁心调整不饱和区域和饱和区域面积或磁阻，以改变并联磁路中不饱和区域的磁化程度和饱和区域的磁饱和程度，从而可以实现电抗值的连续、快速调节。通过提高直流励磁电流可提高励磁速度，从而提高可控电抗器动态性能[12]。

饱和区域铁心的漏磁通，通过不饱和区域铁心吸收而形成自屏蔽，使铁心的损耗、噪声、谐波含量大幅度降低。同时也增强了装置的过载能力（可达150%）。该装置不需要采用单独的磁屏蔽装置，也不需要在金属结构件上附设磁屏蔽结构，工艺简单可靠。

图1 磁路并联漏磁自屏蔽结构及其电路原理图

此外，单相电使用的磁路并联漏磁自屏蔽式可控电抗器采用单框双柱带旁铁轭式铁心结构，芯柱主磁通方向相同，各自与旁铁轭闭合形成磁回路。

1.3 控制器的选用

本文设计一种多功能新型电压无功综合控制器，有效提高其抗干扰能力，使控制器能适用于各种比较恶劣的现场。其电路示意图如图2所示。

图2 新型控制器电路示意图

控制器由A/D转换电路、数字量化电路、同步信号电路、CPU控制电路等模块组成，可以同时转换多路信号，能够有效减小电流电压相位差、提高控制器采样精度，提高控制准确度。根据系统情况，采用不同的控制方案，能使无功补偿系统达到最优控制。同时，可以实现对星形接法磁控电抗器、三角形接法磁控电抗器进行三相统一调整和三相分相调整及单相控制，并能对多组电容器组实现分组投切控制。

图3为装置和牵引供电系统的连接图。该装置对以下模拟量进行了采集，包括高压侧110 kV母线上连接的三相电压互感器PT及三相电流互感器CT，低压侧27.5 kV母线上连接的单相电压互感器PT及单相电流互感器CT，在27.5 kV母线侧连接有补偿电容C1及补偿电抗器L1。其中，高压侧的模拟量用以计算无功；低压侧的模拟量用以计算及控制可控硅导通角。

图3 装置和系统的连接图

2 牵引变电所无功补偿方案

呼图壁牵引变电所担负着乌阿线（昌吉—玛纳斯段）牵引变电所间的电力牵引供电任务。

通过对呼图壁牵引变电所电度表数据的采集可知，该牵引变电所未投入动态无功补偿时功率因数的平均值cosϕ≈0.800 9。

根据铁道部TB2009-87关于牵引供电系统无功补偿的计算条件和方法，无功补偿容量可按式（1）计算：

式中，Qx为无功补偿计算容量，kvar；cosϕ1为补偿前电源侧功率因数；cosϕ2为补偿后电源侧功率因数标准值；PL为供电臂平均有功功率，kW。

根据式（1），可以计算出该装置所需的安装容量。新疆电气化铁道中产生无功负荷的有机车、变压器以及固定电容补偿装置，而固定电容装置不能随负荷投退，因而易造成“欠补”和“过补”交替发生，故需计算出其所需电抗补偿容量[13，14]。根据《功率因数调整电费办法》中规定，将无功补偿的目标值设为0.92，并综合考虑无功补偿、安装容量最小等情况，选取补偿装置容量为2 500 kvar。

3 现场测试结果及效益分析

3.1 现场测试结果

通过对呼图壁牵引变电所电度表数据的采集可知，呼图壁牵引变电所投入动态无功补偿前功率因数的平均值cosϕ≈0.800 9。只投入B相动态无功补偿后功率因数的平均值提高到cosϕ≈0.907。A、B相动态无功补偿均投入后功率因数的平均值提高到cosϕ≈0.983 8。如图4所示。

图4 投入动态无功补偿功率因数变化曲线图

投运前后呼图壁牵引变电所电费奖惩情况如表1。投运以来动态无功补偿设备运行良好，不需人工干预。功率因数的改善带来了经济效益，每月电费由以前被罚5万元变成了奖励约9 000元。另外，测试得可控电抗器本身噪声小于65分贝，自身损耗小于1%，产生的谐波小于基波幅值的2%，不产生电磁干扰污染环境。

3. 2 效益分析

依据国家电网公司下达文件《功率因数调整电费办法》，新疆呼图壁牵引变电所适用于以0.90为标准值的功率因数调整电费表。功率因数为0.8时，罚款系数为0.05，功率因数大于0.95时，奖励系数为0.007 5。从经济效益方面来讲，未投入动补时因功率因数不达标每个月的罚款按5万（5万低于月平均罚款额）计算，一年的罚款金额为60万。投入动补后因功率因数提高到0.95以上，基数（基本电费+电度电费）按100万元计算，每个月的奖励为100万元×0.007 5 = 0.75万元，一年的奖励金额为9万元。综上，2年就可以把动补改造的成本收回来。

从供电的可靠性方面来讲，呼图壁牵引变电所在未投入动态无功补偿前，空载时由于牵引线路长，对地电容大，无功过补功率因数非常小，造成了线路的电压波动，也不利于绝缘。动态无功补偿的投入使得无功达到就地平衡，电压波动减小，从而提高了供电的可靠性。

从社会效益方面来讲：功率因数的提高使整个供电系统的有功损耗减小；变电站就能够尽量多传送有功，发电厂做到多发有功少发或不发无功，从而提高了厂、站设备的利用率。有功损耗减小，厂、站设备利用率的提高使得原煤的消耗减少，减少了CO2，SO2，固态粉尘等的排放，无形中也为节能减排，减少PM2.5的排放尽微薄之力。

表1 呼图壁牵引变电所补偿前后电费情况一览表

4 结论

本文通过对新疆呼图壁牵引变电所进行无功补偿，提出了使用磁路并联漏磁自屏蔽式可控电抗器及新型控制器，确定了变电所无功补偿容量、补偿结构等重要参数。研究表明，牵引变电所动态无功补偿装置投入运行后效果显著，带来了明显的经济和社会效益，并保证了电气化铁路的安全稳定运营。这种新型的可控电抗器在电气化铁路牵引变电所的无功补偿中具有广阔的应用前景。

[1] 李群湛.电气化铁道并联补偿及应用[M].北京：中国铁道出版社，1993.

[2] 李群湛，贺建闽.牵引供电系统综合补偿技术及其应用[J]. 电气化铁道，1998，（3）：25-27.

[3] 杨志军，陶临生，曲尚开.永嘉堡牵引变电所无功补偿改造方案[J]. 电气化铁道，2004，（1）：1-4.

[4] 张旺福.基于正交铁心可控电抗器的研究和开发[D].浙江：浙江大学，2013，（6）：1-2.

[5] 张建兴，王轩，雷晰，等.可控电抗器综述[J]. 电网技术，2006，（30）：269-272.

[6] 牟宪民，王建赜，纪延超，等.可控电抗器现状及其发展[J]. 电气应用，2006，25（4）.

[7] 尹忠东，刘虹，陈柏超，等.磁阀式可控电抗器的研究[J].变压器，1998，35（7）：14.

[8] 陈柏超.新型可控饱和电抗器理论及应用[M].武汉：武汉水利水电大学出版社，1999.

[9] 王学才，王珊，李俊英.磁路并联漏磁自屏蔽式可控电抗器[P].中国，CN 101354951A,2009.1.28.

[10] E.V.Larsen, M.Sublich, S.C.Kapoor. Impact of stray capacitance on hvdc harmonics [J].IEEE Transaction on Power Delivery. 1989,4(1):637-645.

[11] 武成章，常会军，曹廷根.基于MCR的动态无功补偿装置[J].电子技术与软件工程，2013，（18）：127.

[12] 刘海涛.磁阀式可控电抗器在无功补偿中的应用[D].山东：山东大学，200：47-62.

[13] 钱建华，陈柏超.基于磁阀式可控电抗器的无功补偿系统[J]. 电力系统自动化学报，2003，15（2）：66-70.

[14] 刘言菊，田铭兴，何利，等.单相磁阀式可控电抗器的设计原理研究[J]. 电网与清洁能源，2011，27（7）：36-38.

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

马永刚.乌鲁木齐铁路局供电处，工程师，电话：13999824357；

李亚坤，张蕴馨，王梦兰.北京交通大学电气工程学院；

张 伟，王锦杰.北京四方腾泰电力科技有限公司。