我国电气化铁道专用无功补偿装置的发展动态及应用杨一民　刘乾业摘　要　本文从我国电气化铁道的发展和供电方面存在的问题，介绍了电气化铁道专用无功补偿设备的发展动态及应用问题，包括并联和串联电容补偿装置，电气化铁道专用并联电容器和串联电抗器等。
关键词　电气化铁道　　供电　　无功补偿　　专用设备1　我国电气化铁道的发展和供电现状分析
　　我国电气化铁道建设起步较晚，1960～1977年18年间仅建1033km，每年平均57km，但十一届三中全会后18年，则发展很快，共建成开通电气化铁道9330km，到1997年，我国电气化铁道的里程已达到10363km，为世界第八位。“九五”计划期间将建设电气化铁道新线2200km，并对现有线路实现电气化4300km，预计到2000年我国电气化铁道总营业里程可达16000km，铁路营业里程的电气化率将达到27，与俄(41000km)、德(19000km)、日(18000km)并列为电气化铁道总长度的“四强”。近年来，由于铁路运输列车的提速，车流密度和载重量的增加，使牵引负荷不断增大，现有电气化铁道的供电系统已难以满足高速发展的需求，主要存在以下几个方面的问题。
1.1　牵引网电压波动过大
　　27.5kV牵引网的机车正常供电电压应为25kV，但实际接受的电压甚至低于20kV或高于31kV。电压过低使机车牵引能力下降，并导致能量损耗增大，造成效率降低和设备老化加快。
1.2　无功补偿措施不完善
　　电气化铁道的供电特点是：无功功率随时间大幅度的变动。如果只装设固定的并联电容器组，则经常处于过补偿或欠补偿状态。既恶化了牵引网的运行电压，又会因cosφ过低或无功倒送导致罚款增加。
1.3　牵引网的谐波污染
　　由于电力机车的调压调速要求，将使谐波电流分量较高，造成电网电压波形的畸变，对电力系统的运行产生不利的影响。离系统较远的变电所27.5kV母线电压非正弦系数可达到8～13，谐波中以3、5、7次的谐波值最大，同时由于在110kV线路中可能存在谐振现象，通常5次谐波值要超过其余谐波。
1.4　由于负荷不平衡引起的负序分量增大
　　电气化铁道的负荷是大容量的单相变动负荷，不可能由电气化铁道本身的负荷提供平衡电流所引起的。
　　从上述四方面的问题来看，都和采用电气化铁道专用的无功补偿装置有关，解决问题的主要思路是：以解决无功补偿和电压问题为主，兼顾滤波效果，以做到对负序分量有所改善。
　　本文着重介绍电气化铁道专用的无功补偿装置及其应用，供有关部门参考。
2　电气化铁道专用的并联电容补偿装置
　　并联电容补偿装置主要是用来补偿牵引网的无功功率，可安装在变电所和牵引网上任一点，同样也可以安装在机车上作就地补偿，但对补偿容量的充分利用和年运行小时数都不理想；而安装在变电所时，则可以得到更充分地利用。并联电容补偿装置有可调容量和不可调容量两种形式，在补偿无功消耗的同时又被用来降低负序分量，改善电压质量，降低电流和电压的谐波分量，以取得多方面的经济效果。
　　在变电所中通常采用单相的并联电容补偿装置，对补偿正序电流的无功，并联补偿装置不论接在那一相都是一样的。但为了补偿负序电流及根据两供电臂上的电流平均值之比，使电流和电压趋于对称，对并补装置C_B的安装相的选择应根据不同情况加以确定，通常将C_B安装于滞后相上如图1(a)所示，如两供电臂负荷相近，这种方案对降低负序分量较为有利；当变电所上两供电臂负荷比平均值相差悬殊时，宜将C_B安装在两相上较为合理，如超前相的负荷大于滞后相，则选择图(b)的方案，将C_B分别安装于超前相和滞后相；如滞后相的负荷较大，则应选择图1(c)的方案，将C_B接到滞后相和自由相上。图1　并联电容补偿装置的接线方案
(a)C_B装于滞后相上　　(b)C_B装于滞后相和超前相上　　(c)C_B装于滞后相和自由相上图2　27.5kV电气化铁道专用台架式
电容器组的电气接线　　C_B也可在分区亭处接到牵引网中，有利于降低牵引网的电能损耗及提高列车行走时间内受电弓上的电压质量。但与C_B装于变电所相比，也有缺点，主要是电流和电压对称的可能性受到限制，某些情况下甚至会使不对称度增大。其次，由于牵引变电站的电压降可能很大，使C_B的利用率降低。
　　装于牵引变电站27.5kV或55kV供电母线的并联补偿装置的电气接线如图2所示。装置的额定基波容量为1000～6000kvar。串联电抗器的基波感抗与电容器基波容抗之比为12，选用空心电抗器。并补成套装置的绝缘水平按国家标准GB311.1中35kV级或66kV级的要求设计。成套装置由并联电容器、串联电抗器、放电线圈、断路器和围栏等设备组成。并联电容器可选择专门为电气化铁道设计的集合式并联电容器或带单台保护熔断器的台架式并联电容器组，两种不同形式的台架式电容器组的结构见图3。图3　27.5kV电气化铁道专用台架式电容组的结构形式
(a)立放式电容器　　　　　　　　　　　(b)卧放式电容器
1—并联电容器　　　　　　　　　2—支柱绝缘子(ZSW—35/4)
3—支柱绝缘子(ZS—20/8)4—支柱绝缘子(ZS—15/4)
5—熔断器6—母线3　电气化铁道的串联电容补偿装置
　　串联电容补偿装置C_k的主要用途是：在牵引网负荷不断变化条件下提高和稳定牵引网电压，随着牵引负荷大小的变化，串补装置C_k能自动保持指定的电压，同时还可使电压对称，部分地补偿无功功率。在牵引变电所中串联电容补偿装置接于27.5kV侧，其接线方案有三类，第一类：串补装置C_k接于牵引变电所回流线中，如图4(a)所示，既可稳定供电臂上的电压，又可使27.5kV母线上电压对称。第二类：C_k接于滞后相，如图4(b)所示，由于提高了该相的cosφ，能降低变压器中电流的不对称，从而也降低了电压的不对称。第三类：补偿度为1/3的三相对称串联补偿，如图4(c)所示，几乎能使27.5kV母线电压完全对称，并能使三相电压稳定在空载时的水平上，但由于投资较大，很少应用。
　　当牵引网的电压损失较大时，也可将C_k直接接入牵引网，用以补偿牵引网的电抗。将串补装置C_k接在接触网的分段处。例如接在分区亭，最为简单。
　　安装于27.5kV牵引变电所的串补装置由串联电容器、限流电抗器、保护间隙、电压互感器等部件组成，串补装置的绝缘水平按国家标准GB311.1中35kV级的要求设计。CFMH系列集合式串联电容器的额定电压为3kV或4kV、单台额定容量为900～3200kvar、箱式结构、全密封、落地安装、适合于户外无人值守的牵引变电站，运行维护方便，电容元件附装内熔丝，安全可靠。阻尼电抗器为干式空心电抗器。保护间隙能保证在牵引网短路时，当电容器端电压达到2.5U_N时起弧，以有效地保护电容器。真空断路器的型号为ZW—27.5/1250-20。图4　串联电容补偿装置在牵引变电所的电气接线方案
(a)C_k接于回流线中　　　(b)C_k接于滞后相　　　(c)三相对称串补4　电气化铁道专用并联电容器
4.1　集合式大容量并联电容器
　　适用于27.5kV电气化铁道牵引变电站户外集中补偿，集合式结构形式、单相、户外、外形如图5所示。额定基波电压为33kV，额定基波容量为1000～5600kvar，电容元件采用苯基二甲苯基乙烷或苄基甲苯浸渍的全膜介质或膜纸复合介质。
　　电容器允许在1.36倍额定基波的过电压下长[1][2]下一页