浅谈铁路供电系统的无功功率补偿

时间:2022-09-19 04:19:19

浅谈铁路供电系统的无功功率补偿

摘要: 本文集中探讨了功率因数对铁路供电系统的影响以及提高功率因数所带来的经济效益和社会效益,介绍了影响功率因数的主要因素和提高功率因数的几种方法,讨论了目前铁路供电系统所使用的几种无功电源及其特点。

关键词: 铁路供电系统 功率因数 无功功率补偿

中图分类号:U223文献标识码: A 文章编号:

1. 引言

许多铁路用电设备均是根据电磁感应原理工作的,如配电变压器、电动机等,它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率,因此,所谓的"无功"并不是"无用"的电功率,只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已;因此在供用电系统中除了需要有功电源外,还需要无功电源,两者缺一不可。 在功率三角形中(如图1-1所示),有功功率P与视在功率S的比值,称为功率因数cosφ,其计算公式为:

cosφ=P/S=P/(P2+Q2)1/2 (1-1)

图1-1 功率三角形

在铁路电力网的运行中,功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度,我们希望的是功率因数越大越好。这样电路中的无功功率可以降到最小,视在功率将大部分用来供给有功功率,从而提高电能输送的功率。2. 影响功率因数的主要因素

首先是大量的电感性设备,如铁路机务段、车辆段、联合车库等大型车间中异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。据有关的统计,在铁路大型车间所消耗的全部无功功率中,异步电动机的无功消耗占了60%~70%;而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60%~70%。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。

其次,变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10%~15%,它的空载无功功率约为满载时的1/3。因而,为了改善铁路供电系统的功率因数,变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。

再者,供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。当供电电压高于额定值的10%时,由于磁路饱和的影响,无功功率将增长得很快,据有关资料统计,当供电电压为额定值的110%时,一般无功将增加35%左右。当供电电压低于额定值时,无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以,应当采取措施使铁路供电系统的供电电压尽可能保持稳定。

对于铁路供电系统,输电线路距离远且高速铁路多为全电缆线路,空载或轻载时线路电容的充电功率是很大的,通常充电功率随电压的平方面急剧增加,巨大的充电功率将增大线路功率和电能损耗以及引起自励磁、工频电压升高,还将增大线路的功率和电能损耗,同期困难等问题。

3. 无功补偿的一般方法

铁路供电系统通常采用的无功补偿方法有3种:低压个别补偿、低压集中补偿、高压集中补偿。下面简单介绍这3种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。

3.1 低压个别补偿:

低压个别补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接,它与用电设备共用一套断路器。通过控制、保护装置与电机同时投切。随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行(如大中型异步电动机)的无功消耗,以补励磁无功为主。

低压个别补偿的优点:用电设备运行时,无功补偿投入,用电设备停运时,补偿设备也退出,因此不会造成无功倒送。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。 3.2 低压集中补偿:

低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧,以无功补偿投切装置作为控制保护装置,根据低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切。电容器的投切是整组进行,做不到平滑的调节。

低压补偿的优点:接线简单、运行维护工作量小,使无功就地平衡,从而提高配变利用率,降低网损,具有较高的经济性,是目前无功补偿中常用的手段之一。

3.3 高压集中补偿:

高压集中补偿是指将并联电容器组直接装在铁路10kV配电所的高压母线上的补偿方式。适用于用户远离变电所或在供电线路的末端,用户本身又有一定的高压负荷时,可以减少对电力系统无功的消耗并可以起到一定的补偿作用;补偿装置根据负荷的大小自动投切,从而合理地提高了用户的功率因数,避免功率因数降低导致电费的增加。同时便于运行维护,补偿效益高。

4. 采取适当措施,设法提高铁路供电系统自然功率因数

提高自然功率因数是指不需要任何补偿设备投资,仅采取各种管理上或技术上的手段来减少各种用电设备所消耗的无功功率,这是一种最经济的提高功率因数的方法。

4.1 调整加工工艺,改善设备的工作状况,使电能得到最好的利用

电动机、变压器等电感性负载,励磁无功功率在满载和轻载时变化不大,而轻载时有功功率较小,所以功率因数较低。此时可以采用小容量电动机代替负荷不足的大容量电动机;或者将电动机的定子绕组由Δ形改接成Y形,减少无功功率。还应限制感应电动机空载运行。

4.2 提高异步电动机的检修质量

4.3 合理选择配电变压器容量,改善配电变压器的运行方式

根据变压器的最佳负荷系数合理选用变压器,将变压器进行更换及调整,在负荷小的时候切除部分变压器,这样可以减少无功功率的需求量,使自然功率因数得到提高。配电变压器易选择d,yn11接线方式,以消除三次谐波影响,提高电压质量和功率因素。

4.4条件允许时,用同等容量的同步电动机代替感应电动机

5. 无功电源

铁路供电电力系统的无功电源有并联电容器、并联电抗器、静止无功补偿器等,这些装置又称为无功补偿装置。

5.1 并联电容器

通过电容器的交变电流在相位上正好超前于电容器极板上的电压,相反于电感中的滞后,可视为向电网发出无功功率:Q=U2/Xc(5.1-1)其中:Q、U、Xc分别为无功功率、电压、电容器容抗。 并联电容器本身功耗很小,装设灵活,节省投资;由它向系统提供无功可以改善功率因数,减少由发电机提供的无功功率。

5.2 并联电抗器

并联电抗器主要是用来吸收电缆线路的充电容性无功的。可以通过调整并联电抗器的数量或者改变电抗器铁蕊偏磁调节电感量来调整运行电压。铁路10kV系统主要采用分组式投切电抗器或磁阀式可控电抗器。

磁阀式可控电抗器根据直流偏磁特点可以分为4种控制方式:(1)高压自励磁,高压端控制方式。电抗线圈与励磁线圈共用。(2)高压自励磁加低压外励磁混合方式。电抗线圈与励磁线圈共用外,加低压外励磁绕组。(3)高压外励磁,低压端控制方式。电抗线圈与励磁线圈共用,可控的直流偏磁电流通过隔离变压器注入高电位的励磁线圈。(4)低压外励磁,低压端控制方式。可控的直流偏磁电流直接通过外施电源注入单独的低压励磁线圈。铁路一般采用高压自励磁方式,电抗线圈和励磁线圈共用,通过改变铁心磁导率(原理如图5.2-1所示),实现电抗值的连续可调且响应时间短(如图5.2-2图5.2-3所示),其内部为全静态结构,无运动部件,工作可靠性高,不会过补和欠补(如图5.2-4所示)。

图5.2-1磁控电抗器原理接线图

图5.2-2 快速励磁响应时间实测

图5.2-3 快速退磁响应时间实测

图5.2-4补偿效果实测

分组式投切电抗器是将电抗器分成几个组,利用对系统无功功率的取样,自动控制开关分组投切电抗器,其调节方式是离散式的。分组投切式电抗器采用机械动作原理(如图5.2-5所示),结构相对简单,检修不复杂,另外铁路供电电力系统除10kV配电所设置集中高压补偿外,贯通线也分散设置定容电抗器进行补偿,负载变化不大,设置分组投切电抗器相对成本低。但分组投切式电抗器开关投切时产生的涌流过大,一般在7倍左右,威胁设备的安全,另外为离散式调节方式,组别设置不当容易产生过补、欠补和引起电压波动(如图5.2-6所示)。

图5.2-5主接线图

图5.2-6 分组投切式电抗器补偿效果曲线图

某高铁配电所分组投切电抗器实测数据(5.2-7)

5.3 静止无功补偿器 静止无功补偿器是由晶闸管所控制投切电抗器和电容器组成,由于晶闸管对于控制信号反应极为迅速,而且通断次数也可以不受限制。当电压变化时静止补偿器能快速、平滑地调节,以满足动态无功补偿的需要,同时还能做到分相补偿;对于三相不平衡负荷及冲击负荷有较强的适应性;但由于晶闸管控制对电抗器的投切过程中会产生高次谐波,为此需加装专门的滤波器。 6. 结束语 综上所述,随着铁路建设的快速发展,铁路用电设备日益增多,为了节约能源和提高铁路供电系统质量,应根据具体情况进行无功补偿以提高功率因数,这对铁路用电设备是十分有益的。

参考文献:

[1]陈柏超。新型可控饱和电抗器理论及应用[M]。武汉:武汉水利电力大学出版社, 1999。

[2] T.J.E 米勒。电力系统无功功率控制[M]。北京:水利电力出版社,1990。

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