无功补偿技术在铁路10kV配电所中的应用--熊伟

无功补偿技术在铁路10kV配电所中的应用熊伟(中铁第四勘察设计院集团有限公司电化处武汉430063)摘要：本文阐述了磁控电抗器的工作原理，对几种常用的无功补偿装置做了对比分析，并结合磁控电抗器在高速铁路中的应用对其适用性进行了说明。关键词：无功补偿技术、磁控电抗器、高速铁路1、引言随着高速铁路的发展，铁路部对高速铁路的安全性、可靠性提出了越来越高的要求。目前，高速铁路贯通线通常采用以电缆为主的形式[1]，10kV配电所需实现无人值守。电缆数量的增加从而导致电缆中容性无功功率的增大，进而导致供电系统功率因数降低。功率因数的降低不仅影响电网中电能质量，而且还会产生大量的谐波，进而影响供电系统的可靠性，对于高速铁路而言，这是一种潜在的威胁。因此，如何减少电缆线路中容性无功功率从而提高功率因数的问题已引起各设计单位的广泛注意。磁控电抗器（magneticcontrolreactor)全称磁阀式可控电抗器[2]，简称MCR，是一种容量可调的并联电抗器，目前已广泛应用于铁路系统的无功补偿装置中，能有效的对无功功率实现无极补偿。2、磁控电抗器的工作原理磁控电抗器是可控电抗器中的一种，其铁芯具有截面积较小的一段（截面段）[3]，在整个容量调节范围内只有面积较小的一段磁路饱和（小截面段处于极限饱和状态），其余段均处于未饱和线性状态，通过改变小截面段的磁路饱和程度来改变电抗器的输出容量。磁控电抗器是借助控制回路产生直流电流以控制激磁，从而改变局部铁芯的饱和度。铁芯的直流励磁分为两种，一种是由整流电路中自身的直流提供（自励磁式磁控电抗器），另一种是由外部直流电源提供（外励磁式磁控电抗器），由于自励磁式磁控电抗器成本低，操作灵活方便，故自励磁式磁控电抗器比外励磁式磁控电抗器应用更为广泛。自励磁式磁控电抗器具有对称的磁路结构，4个铁芯柱中两边的2个起导磁作用，中间的2个铁芯柱相当于单相电抗器的分裂铁芯柱，外部套有4个绕组，每个铁芯柱的上绕组的下部和下绕组的上部均设置有抽头，抽头匝数比为，每柱上、下两个抽头间接有晶闸管，且极性相反，中间交叉连接点的两端接有一个二极管，如图1所示。如果不考虑晶闸管和二极管的瞬时开关特性，电抗器在一个工频周期的运行状态分析如下：)(te1K2KD图1结构原理图(1)交流电源)(te处于正半周期此时，晶闸管1K承受正向电压，2K承受反向电压，4个抽头电压)(te亦为正极性，若1K被触发导通，电源电压经变比为的绕组自耦变压后，在图2(a)所示的绕组回路中产生激磁环流1di、2di，其等效磁路如图3(a)所示，此时交流励磁通所对应的等效励磁路如图3(b)所示，比较可知激磁环流对右铁芯柱去磁，对左铁芯柱增磁，使后者饱和度增大，进而使得电抗器输出容量增大。(2)交流电源)(te处于负半周期此时，晶闸管1K承受反向电压，2K承受正向电压，4个抽头电压)(te亦为负极性，若2K被触发导通，同样在图2(b)所示的绕组回路中产生激磁环流3di、4di，而且3di、4di的方向与状态(1)时的1di、2di完全一致,其等效磁路仍如图3(a)所示，而交流励磁通所对应的等效励磁路如图3(c)所示，由分析可知，此时电抗器输出容量仍然增大。A1di2die21ddiieA3di4die43ddiiAeXXXDi(a)1K导通时(b)2K导通时(c)D导通时图2激磁环流(3)由晶闸管1K导通到晶闸管2K导通的过渡阶段此时，二极管D可起续流作用，这与一般的可控整流电路是一样的，如图2(c)所示。1K、2K不导通，电抗器就相当于一台空载运行的普通变压器，空载电流很小，电抗器容量最小。(a)激磁环流磁通(b)交流磁通(正半周期时)(c)交流磁通(负半周期时)图3等效磁路这样，在交流电源的一个工频周期内，晶闸管1K、2K的轮流导通实际上起了全波整流的作用，二极管D则起续流作用，绕组中产生方向保持不变的激磁环流。改变晶闸管的触发导通角便可改变激磁环流的大小，从而改变电抗器铁芯磁路的饱和程度，进而达到平滑调节电抗器输出容量的目的。3、几种无功补偿装置的比较无功补偿方案从大的方向来看可分为两种[4]，一种是静止补偿，一种是动态补偿。静止补偿就是把补偿装置放到电网中，不随负荷变化而变化，也叫固定补偿；动态补偿就是补偿系统随负荷变化而动作投切。静止补偿成本比较低，但是补偿精度不高，因此，在铁路电力供电系统中，常采用动态无功补偿装置。目前常用的几种动态补偿装[5]置有：MCR（磁阀式可控电抗器）、TCT（晶闸管控制高阻抗变压器）、TCR（晶闸管控制电抗器）、TSC（可控硅投切电容器）、MSR（开关投切电抗器）、SR（自饱和电抗器）、SVG（静止无功发生器）等。表1中将TCT、TCR、TSC、SVG与MCR进行了比较。形式TCTTCRTSCSVGMCR响应时间ms10ms40ms40ms10~5ms30限制过压好好不能好好抑制闪变可以可以可以，但能力不足可以可以分相调节可以可以可以不能可以无功输出连续连续级差连续连续无功类型感/容性感/容性容性感/容性感/容性自生谐波有有无小小噪声稍大较小无很小稍大损耗%1~%7.0%7.0~%5.0%5.0~%3.0%5.0~%3.0%1~%7.0控制难度小较大较大非常大小线性度好好好好好运行维护简单较复杂较复杂非常复杂简单制作成本较大较大大非常大较大表15种新型无功补偿装置性能比较由表1可看出，基于MCR的动态无功补偿装置具有在容性（与电容器组配合）至感性无功范围内连续可调、产生谐波小、易于维护、成本低等优点，适用于铁路电力供电系统[6]。4、磁控电抗器在高速铁路中的应用在高速铁路中，由于贯通线均采用以电缆为主的形式，因而在配电所供电臂上会产生容性电流，从而导致供电臂末端电压抬高、供电系统功率因数降低，为提高功率因数，通常在配电所母线上装无功补偿装置。近年来，磁控电抗器在高速铁路中得到了比较广泛的应用。磁控电抗器在合宁铁路高里变电站中的测试数据如下[7]：(1)三相无功变化曲线①投运磁控电抗器之前：kVarQ48.58max，kVarQ48.27.105min。图4无功功率变化曲线(投运磁控电抗器前)②投运磁控电抗器之后：kVarQ48.2max，kVarQ27.3min。图5无功功率变化曲线(投运磁控电抗器后)(2)功率因数变化曲线①投运磁控电抗器之前：cos的变化范围为476.0~448.0图6功率因数变化曲线(投运磁控电抗器前)②投运磁控电抗器之前：cos的变化范围为998.0~971.0图7功率因数变化曲线(投运磁控电抗器后)由以上图形及数据可以看出，磁控电抗器投入运行之后有效地吸收了线路上的容性无功功率，使得功率因数有了显著提高。除此之外，磁控电抗器在宁杭铁路客运专线、河蚌铁路客运专线、武九电气化改造、黄石站、鄂州站站房改造等项目中也得到了应用。5、结束语基于MCR的动态无功补偿技术具有在容性（与电容器组配合）至感性无功范围内连续可调、产生谐波小、易于维护、成本低等优点，因此在铁路系统中得到了广泛应用。高速铁路技术的发展已日趋成熟，因此对铁路供电系统中无功补偿技术的要求也会越来越高。随着电力电子技术的发展，相信将会有更多更好的无功补偿技术应用于高速铁路供电系统中，从而让我们的铁路供电系统更安全、更可靠。参考文献[1]《高速铁路设计规范（试行）》TB10621—2009[2]艾朝阳.基于DSP的MCR型SVC装置的研究[D].郑州:郑州大学电气工程学院,2007.[3]李顺宗,李振宇,王志永.基于MCR技术的新型动态无功补偿装置[J].供电用,2007,24(6):9-12.[4]任丕德,刘友发,周胜军.动态无功补偿技术的应用现状[J].电网技术,2004,28(23):81-83.[5]周建丰,顾亚琴.无功补偿装置的发展及性能分析比较[J].四川电力技术,2007,30(4):59-62.[6]吴利仁,郭欲平,易运军.磁阀式可控电抗器在电气化贴到中的应用[J].变压器,2006,43(3):13-16.[7]《上局合宁线高里变电站10kV磁控电抗器使用报告》2009