高速铁路电力系统10kV贯通线路补偿方式的比较.pdf

2 0 1 3年 1 0月 第 4卷 第 5 期 高速铁路技术 HI GH SPEED RAI LW AY TECHNOLOGY No 5， Vo 1 4 0c t 201 3 文章编号 ：1 6 7 4 - - 8 2 4 7 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 5 5 0 4 高速铁路 电力系统 1 0 k V贯通线路补偿方式的比较 荆、 大航 ( 北京中铁建电气化设计研究院有限公司， 北京 1 0 0 0 4 3 ) 摘要： 针对 目前高速铁路电力供电系统 1 0 k V贯通线路采用全电缆供电， 通过对京沪高速铁路 、 哈大高速铁 路、 京石武高速铁路采用的补偿方式的简要介绍， 比较分析 3种补偿装置的优缺点。分组投切电抗器成套装 置补偿特性不平滑， 补偿精度较低。相控电抗器型补偿装置补偿精度高， 但设备庞大、 复杂， 自身产生谐波， 建设投资和后期运营维护费用较大。磁阀式可控电抗器型补偿装置补偿精度高、 可靠性高、 基本无谐波污 染、 体积小 ， 能较好地满足电力系统对功率因数的要求， 减少高速铁路建设投资和后期运行成本。 关键词： 高速铁路 ；电力系统；1 0 k V贯通线路 ； 补偿方式； 磁阀式可控电抗器型补偿装置 中图分类号 ： U 2 2 3 5 3 文 献标 志码 ： A Co mp a r i s o n o f Co mp e n s a t i o n M o d e s o f 1 0 k V Th r o u g h Li n e i n Po we r S y s t e m o n Hi g h- s p e e d Ra i l wa y S UN Da- ha ng ( ( B e i j i n g )C h i n a R a i l w a y C o n s t r u c t i o n E l e c t ri f i c a t i o n D e s i g n&R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： At p r e s e n t a l l 1 0 k V t h r o u g h l i n e s i n p o we r s u p p l y s y s t e m o n t h e h i g h s p e e d r a i l w a y a r e c a b l e p o we r s u p p l y l i n e T h r o u g h t h e b ri e f i n t r o d u c t i o n t o c o m p e n s a t i o n mo d e s u s e d o n B e i j i n g S h a n g h a i h i g h s p e e d r a i l w a y ，H a e r b i n D a l i a n h i g h - s p e e d r a i l w a y ， B e i j i n g S h i j i a z h u a n g Wu h a n h i g h s p e e d r a i l w a y ， t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t h r e e k i n d s o f c o mp e ns a t i o n d e v i c e a r e c o mp a r e d a n d a n a l y z e dA c o mp l e t e s e t o f c o mp e n s a t i o n d e v i c e wi t h p a c ke t s wi t c h e d r e a c t o r i s n o t s mo o t h i n c o mp e n s a t i o n c h a r a c t e r i s t i c a n d l o w i n c o mp e n s a t i o n a c c u r a c y Th e c o mp e n s a t i o n d e v i c e wi t h p h a s e d r e a c t o r i s h i 【g h i n c o mpe ns a t i ng p r e c i s i o n，bu t t h e e q u i p me n t s e l f i s l a r g e a n d c o mp l e x a nd g e n e r a t e s h a r mo ni c s， mo r e o v e r，c o n s t r u c t i o n i n v e s t me n t a nd o p e r a t i o n ma i n t e n a n c e c o s t i s l a r g e r W h i l e c o mp e n s a t i o n d e v i c e wi t h ma g n e t i c v a l v e c o n t r o l l a bl e r e a c t o r i s h i g h i n c o mpe n s a t i o n p r e c i s i o n a n d r e l i a b i l i t y，s ma l l i n s i z e a nd h a s a l mo s t n o h a r mo n i c p o l l u t i o n，i t c a n me e t t he r e q ui r e me n t s o f t h e p o we r s y s t e m t o p o we r f a c t o r a n d r e d uc e t h e c o n s t r uc t i o n i n v e s t me n t a n d o pe r a t i o n c o s t o f hi g h s p e e d r a i l wa y Ke y wo r ds： h i g h s p e e d r a i l wa y；p o we r s y s t e m ；1 0 k V t h r o u g h l i ne；c o mp e ns a t i o n mo d e；c o mp a ris o n a n a l y s i s 引言 为保证供电可靠性， 目前高速铁路电力系统基 采用全线修建 2条 1 0 k V交联非磁性铠装铜芯单芯 缆贯通线路 ， 由两端 1 O k V配 电所经调压器为沿 通信基站 、 信号中继站等负荷供电。该 电缆线路产 的对地充电容性无功成为 配 电所功率 因数低 引、 载调压器过负荷的主要原因。为提高功率因数和保 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 5 - 2 3 作者简介 ： 孙大航 ( 1 9 8 5 ) ， 男 ， 助理工程师。 设备安全 ， 1 0 k V贯通线路需要设置无功补偿装置 。 2 高速 铁路 电力贯通 电缆 线 路 补偿 方式 目 前高速铁路主要补偿方式为： 结合沿线信号中 继站箱式变 电站， 设置并联 电抗器作 为基本补偿 ， 另在两 考 端 1 0 k V配 电所集中设置动态无功补偿装置。 虑到线路负荷率 ， 基本设计思想为按线路 总容 性无功功率的 8 0 8 5 ， 设置并联电抗器， 提供基 本感性无功补偿容量 ， 再于两端 1 0 k V配电所 ， 设置数 百 k v a r内的动态补偿装置 ( S V C ) 。 a 本 电 线 生 有 护 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 孙大航： 高速铁路电力系统 1 O k V贯通线路补偿方式的比较 2 0 1 3年 1 0月 动态无功补偿 型式主要有 S V G、 T C R、 MC R、 分组 投切电抗器等。目前高速铁路 电力工程设计暂不采用 S V G补偿装置方案 J 。本 文主要介绍分 组投切 电抗 器型 、 相控 电抗 器 型 ( T C R) 、 磁 阀式 可控 电抗 器 型 ( MC R) 3种补偿装置。 3 京沪高速铁路动补型式 ( 蚌埠南站 ) 供应商如表 1 所示 。 表 1 分组投切电抗器成套装置主要元器件及供应商表 序号 主要元器 件 供应商 1 负荷开关 福建山亚 2 真空断路器 上海森源 3 干式电抗器 浙江广天 4 微机无功控制器 珠海万利 达 5 高压真空接触器 厦 门 A B B 京沪高速铁路 采用分组投切 电抗器成套 补偿 装 平面布置如图 3所示。 置 ， 其一次方案如 图 1所示。 _ 鱼 鱼 ( 士 ) L ? 引自1 0 k V配电所 3 6 k v a r 7 2 k v a r 1 4 4 k 无功补偿抠 图 1 分组投切电抗器成套装置一次方案图 分组投切电抗器成套装置总补偿容量为 2 5 2 k W， 分为 3 6 k W、 7 2 k W、 1 4 4 k W 3组 ， 利用微机无 功控制 一 器对贯通 、 自闭馈线端进行采样后 ， 根据功率 因数按照 一 定的寻优模式采用高压真空接触器控制电抗器投 切 ， 进而达到对贯通 电缆所产生 的容性 电流补偿 的 目 的， 使系统功率因数补偿到 0 9 1 左右( 如图2 ) 。 图2 分组投切电抗器成套装置( 蚌埠南站) 分组投切电抗器控制系统按无功量大小 自动选择 匹配电抗器逐个投入和切除 ， 并兼顾动作次数 ， 实行均 衡投切 ， 不会 出现投切振荡 。该装置具有手动和 自动 2种控制方式 。当设 置在 自动档时 ， 控制器功率 因数 整定范围为 0 9 0 9 5 ， 即功率 因数在 0 9以下时必 须投入 ， 在 0 9 5以上时必须切除 ， 功率 因数在 0 9 0 9 5时装置不动作。 分组 投 切 电 抗 器 成 套 装 置 可 以实 现 3 6 k W， 7 2 k W， 1 0 8 k W， 1 4 4 k W， 1 8 0 k W， 2 1 6 k W， 2 5 2 k W 共 七级 ， 步长为 3 6 k w 的级调 ( 非连续) 感性无功输出。 其补偿效果为离散式 阶梯补偿 ， 虽然能根据系统所需 补偿量 自动调节补偿设备输 出容量 ， 但其必然会 出现 过补偿和欠补偿的现象 。该补偿装置的主要元器件及 电抗器柜 电抗器柜 电抗器柜 进线柜 占地面积 = 2 ( 3 7 5 m 1 4 m)=1 0 5 m 图3 分组投切电抗器设备布置简图 ( 综合贯通侧) ( 单位： m m) 4 哈大高速铁路动补型式 ( 沈哈段 ) 哈大高速铁路采用相 控电抗 器型 ( T C R) 补偿装 置 ， 其一次方案如图 4所示 。 1 0k v J x 母线 图4 T C R型 S V C一次方案图 T C R型 S V C可根据系统 电压 、 无 功的变 化情况 ， 自动跟踪 ， 动态投切补偿 ， 使功率因数补偿至要求的范 围内。当功率因数绝对值高于设定值时， 动补不投入 或自动退出运行； 当功率因数绝对值低于设定值时， 控 制系统根据系统电压 、 无功的变化情况 ， 实现脉冲的发 生和分配功能 ， 实现 自动调节， 平滑补偿功率因数至要 求的范围。 该补偿装 置 由降压变压器 、 晶闸管控制 电抗器 ( T C R ) 及控制系统等构成， 通过连续调节其自身的无 功功率来实现功率补偿的。在高速铁路 电力系统 中， 用 Q 表示系统总无功功率 ， Q 为沿线 中继站并联 电 抗器的无功功率 ， Q 为 晶闸管控制 电抗器 的无功功 率 ， Q 为1 0 k V贯通线 电缆线路的无功功率。上述平 衡过程可以用 以下公式来表达 ： 一+ 一 0 0 寸_I 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 孙大航： 高速铁路电力系统 1 0 k V贯通线路补偿方式的比较 2 0 1 3年 l O月 Q =Q +Q Q ：常数 = o ( 1 ) 如图 5所示 ， A为系统工作 点。l O k V贯通线 电 缆线路产生容性无功 Q ， 沿线中继站并联 电抗器提供 固定的感性无功 Q 正常情况下前者大于后者 ， 多余 的容性无功由T C R平衡。当 1 O k V贯通线电缆线路 Q 变化 时 ， s v c控制 系统 调节 T C R 电流从 而 改 变 Q 实时跟踪抵消 ， 动态维持系统的无功平衡。 画 0 Q 图 5 高速铁路贯通 电缆 线路无功补偿原理示意 图 T C R的基本结构是 2个反并联的晶闸管和电抗器 串联 。2只晶 闸管在 电源 电压 的正负半周轮流工作 ， 当晶闸管 的控制角在 9 0 。1 8 0 。 之间时 ， 晶闸管受控 导通( 控制 角为 9 O 。 时完全导通 ， 1 8 0 。 时完全截止 ) 。 在电压不变 的前提下 ， 增 大控制角将减小 T C R电流， 减小装置的感性无功功率 ； 减小控制角将增大 T C R电 流 ， 增大装置的感性无功功率 。 针对高速铁路中电力 系统长大 电缆问题 ， 可采用 T C R型 S V C提供动态纯感性无功功率补偿线路剩余 容性充 电无功。 T C R型 S V C设备平 面布置如图 6所示 。 晶闸管阀组柜 相控 电抗器柜 3 1 0 O 功率柜 控制柜 占地面积 = 2 ( 5 7 8 m 3 m+1 6 m 0 8 m)= 3 7 2 4 m 图6 T C R型 S V C设备布置示意图( 综合贯通侧) ( 单位 mm) 5 京石武高速铁路动补型式( 河北段 ) 京石武高速铁路采用磁 阀式可 控 电抗器 ( MC R) 补偿装置 ， 其结构原理如图 7所示。 磁控式可控电抗器的主铁心分裂为两半 ( 即铁心 1和铁心 2 ) ， 每一半铁心截面具有可控磁饱和度 的小 截面段。4个 匝数为 N 2的线圈分别对称地绕在 2个 半铁心柱上( 半铁心柱上 的线圈总匝数为 ) ， 每一半 铁心柱的上下两绕组各有 1个抽头 ， 它们之间用晶闸 管 K P 1 ( K P 2 ) 连接。不同铁心 的上下 2个绕组交叉连 接 ， 再并联至 1 0 k V配电所无功补偿柜 ， 续流二极管 D 横跨交叉端点上 ( e ， f ) 。 图 7 MC R结构原理 图 磁阀式可控电抗器工作时只有小截面段的磁路饱 和 ， 其余段均处于未饱和的线性状态 ， 通过改变小截面 段磁路的饱和程度来改变电抗器的容量 。 若 K P 1 、 K P 2不 导通 ， 根据 绕组结构 的对称 性可 知 ， 磁阀式可控 电抗器 相 当于一个 空 载变压器 。当 K P 1触发导通时所产生 的控制 电流的方 向和 K P 2触 发时一致 ， 也就是说在电源的一个工频周期 内， 晶闸管 KP1, 的 KP 触 2 KP 2 口 的 触 发 角 可 改 变 控 制 电 流 的 大 小 ，从而改变电抗一 器 铁 心 的 饱 和 度 ， 以 连 续 平 滑 地 调 节 电抗 器 的 容量 。 磁 阀式可控 电抗器的工作绕组与控制绕组合并为 一 个 ， 有利于减少损耗 ， 简化结构， 降低成本 ， 能较好地 补偿高速铁路 1 0 k V贯通 电缆产生的容性充 电无功 ， 提高电力系统的功率因数 ， 限制过电压。 M C R型 S V C设备平面布置如图8所示。 网 I - J 一土 l _ _ 占地面积 =2 2 5 m1 8 m+ 0 6 m x 0 8 m= 9 4 8 m 图8 MC R型 S V C设备布置示意图( 综合贯通侧) ( 单位： mm) 目前 国家电网对工业 、 交通等部门的电费 ， 根据其 功率因数 的高低 ， 进行奖励与处罚_ 8 J 。一般用户的功 率因数为0 9时， 不奖不罚， 按正常电费收取； 功率因 数低于 0 9时 ， 将被罚 收电费 ； 功率 因数高于 0 9时 ， 将减收电费。 以京石武 高速铁 路涿 州 东 1 0 k V配 电所 为例 ， MC R型 S V C投入前后电费奖罚情况如表 2所示。 了引1 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 孙大航： 高速铁路电力系统 1 0 k V贯通线路补偿方式的比较 2 0 1 3年 1 O月 表 2 涿州东 1 0 k V配电所电费奖罚情况表 用 电量 奖 一 罚 + 电费 序号 时间 度 兀 兀 1 2 01 2 6 2 2 8 0 0 +l 8 41 5 0 4 3 7 7 0 3 8 4 2 2 01 3 1 6 8 8 8 0 0 6 0 5 9 O 2 5 7 6 6 6 5 7 8 3 2 01 3 2 7 0 7 0 4 0 6 21 9 4 6 5 9l 9 3 6 3 8 注： 2 0 1 2 年 6 月份为京石武( 河北段) 高速铁路电力系统调试期 补偿装置未投入 ， 2 0 1 3年 1月 、 2月为正式运营。 由表 2可知， 涿州东 1 O k V配电所在未投入 MC R 型 S V C前每月被罚 1 8 0 0 0 多元 ， 投入 MC R型 S V C后 每月 减 收 电费6 0 0 0 多 元 ， 投 入 前后 每 月 电费 相 差 2 4 0 0 0 元 。设备投运后客专公 司减 少了电费 ， 且设 备 基本免维护 ， 降低了高速铁路的运营成本 。 6 动态无功补偿方案的对比分析 动态无功补偿方案对比分析如表 3所示。 表 3 动态无功补偿方案对比分析表 类型 分组投切 电抗器成套补偿装 置 相控 电抗器 T C R型 S V C 磁阀式 可控 电抗器 MC R型 S VC 通过控制 晶闸管 的导通 角来 无级 通过改变 晶闸管的触发角来 改变控制 电流， 利用 原理 分组投切电抗器的组合 调节 电抗器的电流 ， 从而控制其感 直流控制 电流控制 铁心 的饱和 度来平 滑调 节电 性无功的变化 抗器容量 ， 从而控制其感性无功变化 运行方式 分级 连续 连续 响应速度 O 8 S (1 0 m s 1 5 0 m s 投切涌流 7倍 以上 无 无 可靠性 维护量大 维护专业性强 免维护 噪音 5 8 d B 6 5 d B 7 0 d B 自损 O 5 一 0 8 1 1 2 0 5 O 8 设 备占地 1 0 5 m 2 3 7 2 4 m 9 4 8 m 2 补偿效果好 、 平滑调节 、 响应快 、 技 占地 面积小 、 结 构 简单 、 损 耗低 、 补 偿效 果好 、 平 优点 占地面积小 术先进 滑调节 、 响应快 、 技术先进 、 稳定成熟 开关寿命限制 ， 不能频 繁投 切 ， 从 而影响 动态投切效果； 结构复杂、 占地面积大、 自身产生 缺点 国产接触器 、 真空开关 等投切元件寿命满 谐波 、 稳定 性较 差 、 后期 维 护专业 噪音较大 足不 了频繁投切的次数要求 ， 需依赖进 口； 性强 补偿效果远不及T C R 、 M C R 7 结束语 随着高速铁路的发展 ， 电力系统动态无功补偿方 式正 向优化 、 动态和平滑调节的方 向发展 ， 磁阀式可控 电抗器 MC R型 S V C既能较好地补偿高速铁路电力系 统对 l 0 k V贯通电缆产生 的容性充 电无功， 又可减少 铁路建设投资 ， 且国内技术先进成熟。 ( 1 ) 占地面积小 ， 可 降低 电力 系统 1 0 k V配 电所 的征地面积和房屋面积 ， 减少投资； ( 2 ) 损耗低 、 补偿效果好 、 平滑调节 、 响应快 ， 能较 好地满足高速铁路和国家 电网对功率 因数的要求 ， 减 少电费罚款和设备 自损 ， 降低高速铁路 的运营成本 ； ( 3 ) 国内技术稳定成熟 ， 不依赖进 口设备 。 参考文献 ： 2 廖宇 高速铁路电力供电系统的研究 J 西南 民族大学学 报： 自 然科学 ， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 5 6 05 6 4 L I AO Yu S t u d y o n t h e Hi g h s p e e d Ra i l wa y P o we r S u p p l y S y s t e m J J o u r n a l o f S o u t h w e s t U n i v e r s i ty f o r N a t io n a l i t i e s ， 2 0 0 8 ( 3) ： 5 6 0 5 6 4 廖芳芳 郑西客运专线全电缆贯通线路的研究与设计 J 铁道工 程学报 ， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 7 1 7 5 LI AO Fa n gf a n g S t u d y a n d De s i g n o f C o n t i n u o u s P o we r Tr a n s mi s - s i o n Li n e o f Un d e r g r o u n d Ca b l e f o r Z h e n g z h o u Xi a ll P a s s e n g e r De d i - c a t e d L i n e J J o u r n a l o f R a i l w a y E n g i n e e ri n g S o c i e t y ， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 7 1 一 7 5 3 刘卓辉 铁路贯通电缆容性参数及仿真的研究 J 电气化铁道 ， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 5 9 L I U Z h u o h u 1 S t u d y o n P a r a me t e rs o f Co n s i s t e n c y an d S i mu l a t i o n o f R a i l w a y T h r o u g h P o w e r C a b l e s J E l e c t r i f i e d R a i l w a y ， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 5 9 4 T B 1 0 0 0 8 2 0 0 6铁路电力设计规范 s T B 1 0 0 0 82 0 0 6 C o d e f o r D e s i g n o f R a il w a y E l e c t ri c P o w e r S 5 王学明 并联电抗 器在长 电缆电力贯通线 电容 电流补偿 中的应用 J 上海铁 道科技 ， 2 0 1 2 ( 5 ) ： 1 2 21 2 3 W ANG Xu e mi n g Ap p l i c a t i o n o f S h u n t Re a c t o r i n Ca p a c i t a n c e C u r - r e n t C o m p e n s a t i o n o f L o n g P o w e r T h r o u g h C a b l e J S h a n g h a i R a i l w a y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 1 2 ( 5 ) ： 1 2 21 2 3 6 铁集成 2 O L O 2 5 8号 ， 客运专线铁路牵 引供电及 电力供 电系统集 成若干 问题的指导 意见 s r J c 2 0 1 0 N o 2 5 8 ，G u i d a n c e o n S o m e P rob l e ms o f I n t e g r a t i o n o f Tr a c t i o n P o we r S u p p l y S y s t e m a n d P o we r S u p p l y S y s t e m for P a s s e n g e r D e d i c a t e d L i n e s 7 陈修延， 戴谦， 韩冬竹 新型固调式磁控电抗器在铁路贯通电力线 路中的应用 J 铁道机车车辆 ， 2 0 1 2 ( 5) ： 9 29 5 C H E N Xi u y a n ，D A I Qi a n ，H A N D o n g z h u A p p l i c a t i o n o f N e w T y p e Ma g n e t i c v a l v e Co n t rol l a b l e Re a c t o r i n t h e Ra i l w a y C o n t i n o u s T r a n s - m i s s i o n L i n e s J R a i l w a y L o c o m o t i v e C a r ， 2 0 1 2 ( 5 ) ： 9 2 9 5 8 范秀珍， 冀冬晨， 李娟 网损及无功优化计算对降损的指导意义 J 电力学报 ， 2 0 0 1 ( 3 ) ： 2 3 3 2 3 5 F AN Xi u z h e n， J I Do n g c h e n，L I J u a n Gu i d i n g S i g n i f i c a n c e o f Ne t - w o r k L o s s a n d R e a c t i v e P o w e r O p t i m i z a t i o n o n L o s s R e d u c t i o n J J o u rna l o f E l e c t r i c P o w e r ， 2 0 0 1 ( 3 ) ： 2 3 32 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m