论文部分内容阅读
【摘 要】通过对新准铁路牵引变电所110kV供电线路产生反向无功以及功率因数偏低的原因分析，提出对应的解决措施以及今后运行中应注意的问题。
【关键词】110kV;架空线路;反向无功;功率因数
针对输电电压等级为110kV较长供电距离的输电线路，提出了一种考虑线路充电功率的无功补偿策略，其在充分考虑线路充电功率的基础上，利用输电线路的π形等值电路，计算输电线路上无功功率的分布情况，并以上级变电所计量的无功功率最小值为目标函数建立数学模型，进而得出当下级变电所电力负荷在空载和轻载时，通过增加或者减少无功补偿装置投用的容量，保证变电所在低功率因数方式下运行，增大变电所的感性无功功率，从而达到冲减线路充电功率、控制反向无功功率、提高功率因数、降低力调电费开支的目的，110kV输电线路可以等效为线路串联电抗和线路并联电容组成的等效电路，线路较长时，空载情况下等效电容存在容性无功损耗，导致系统空载时容性无功倒送。由于新准铁路公司牵引负荷偏小，110KV架空输电线路长期处于轻载、空载运行，線路的充电功率在电力网络无功功率中的比重相对较大。根据《功率因数调整电费办法》中规定，电业部门按倒送的无功电量与实用无功电量两者的绝对值之和，计算月平均功率因数。如果忽略输电线路的充电功率，新准铁路沿线牵引变电所功率因数难以保证在0.9以上，将会产生巨额的利率电费。
一、新准铁路110KV输电线路产生反向无功的原因分析
1、110kV架空输电线路模型为串联电抗、并联电容组成的等效电路。输电线路导线间及对地存在对地电容电流，当线路带有电压时该电容会产生充电功率（容性），线路的充电功率与电容电流的平方成正比。线路空载或者轻载时，系统电压本身处于较高水平，线路出现的过剩容性无功会进一步抬升系统电压。
经查表得新准铁路输电线路每百公里的充电功率为3.43Mvar。（线路参数：电压等级110kV、线路型号LGJ-300）。空载热备用线路存在反向无功是客观存在的，其值的大小与电压等级和线路长度成正比。
2、新准铁路沿线共建有4座牵引变电所，分别为海勒斯壕南牵引所、四道柳牵引所、纳林川牵引所、三道渠牵引所。目前除三道渠牵引变电所尚未送电开通外，其余三座都已带电投运。每座牵引变电所均设计有两回110kV输电线路，一回主用，另一回热备用。八条输电线路分别来自地方电业局五座上级变电站，已带电运行的由五条，线路信息见下表。
从表中可见，作为主用电源的165莲海牵线、155川柳牵线、154川纳牵线线路长度均在35KM以上，作为备用电源的164莲四牵线甚至达到70KM，在空载或者轻载状态下八条输电线路产生的充电功率不可忽视。
2、新准铁路为运煤专线，线路自包神铁路巴图塔站引出，接入大准铁路点岱沟站。其中巴图塔至海勒斯壕南段为单线，限制坡度为13‰，海勒斯壕南至点岱沟段占据线路全长的90%，该区段上行为重车方向，限制坡度为4‰，下行为空车方向，限制坡度为12‰。受煤炭市场不景气的影响，新准铁路自开通运营以来其设计运量与实际运量悬殊较大，行车密度较小，日均行车对数不足10对。因此，输电线路大部分时间处于空载或者轻载状态，有功负荷偏小。
3、新准铁路牵引变电所四座牵引变电所在27.5KV侧A相母线、B相母线分别设有一套SVG动态无功补偿装置，每套无功补偿装置由固定补偿电容支路和动态补偿SVG支路组成。由于新准铁路当前运量较小，动态无功补偿装置只投入SVG支路运行，在27.5kV母线侧采集电压和电流，仅可以保证进线侧功率因数满足电业局要求。而电业局的计量点位于上级变电站出口间隔处，110KV输电线路的无功无法补偿，因此导致空载时容性无功倒送。
二、友邻铁路情况调研
经调研附近的包神铁路、神朔铁路、准东铁路和东乌铁路，这四条铁路均存在反向无功现象。
1、包神铁路、神朔铁路因货运量大，机车消耗有功电量数额大，反向无功电量占比小，所以功率因数能保持在0.9以上;
2、准东铁路只有一个牵引变电所输电线路存在反向无功现象，通过无功补偿装置厂家调整SVG设备参数，并将沿线4座牵引变电所有功、无功电量统一计算，勉强保证了功率因数达标;
3、东乌铁路通过移交电源线路资产，将计量点变更到牵引变电所进线侧，线路反向无功部分由电业局承担，避免力率电费的产生。
三、无功补偿的原则
无功补偿应按国家有关规定执行，变电所还要满足电网的技术原则。
1）电力系统的无功补偿应按分（电压）层分（供电）区基本平衡的原则进行配置。分（电压）层无功平衡的重点是110kV及以上电压等级层面的无功平衡，分（供电）区就地平衡的重点是110kV及以下配电系统的无功平衡。无功补偿配置应根据电网情况，实施分散就地补偿与变电站集中补偿相结合，电网补偿与用户补偿相结合，高压补偿与低压补偿相结合，满足降损和调压的需要。
2）变电站应结合电网规划和电源建设，合理配置适当规模、类型的无功补偿装置。所装设的无功补偿装置应不引起系统谐波明显放大，并应避免大量的无功电力穿越变压器。
3）110kV变电所无功补偿以补偿主变压器无功损耗为主，并适当补偿部分线路的无功损耗。根据《电力系统电压和无功电力技术导则》（SD 325-1989），补偿容量可按主变压器容量的0.10～0.30确定，并满足110kV主变压器最大负荷时，其二次侧功率因数110kV不低于0.95，35kV、10kV不低于0.9。
4）对于大量采用10kV～110kV电缆线路的牵引供电网，在新建110kV及以上电压等级的变电站时，应根据电缆进、出线情况在相关变电站分散配置适当容量的感性无功补偿装置。
110kV变电站无功补偿计算，在110kV变电站的设计中，变电站无功补偿以补偿主变压器无功损耗为主，并适当补偿部分线路的无功损耗。一般新建110kV变电站无功补偿计算为例。例如终期建设2×40MVA，本期1×40MVA。主变压器主要参数：额定容量40/40/40MVA;额定电压：110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5kV;阻抗电压：Ud1-2=10.5%，Ud1-3=17.5%，Ud2-3=6.5%。110kV、35kV和10kV侧功率因数分别按0.95、0.9和0.9，变电站负载率按75%计算，35kV、10kV侧负荷按各占负荷容量的一半考虑。 四、解决方案
新准铁路多次联系电业局调取110KV线路的无功曲线和瞬时值，收集牵引变电所运行电压、电流值，查看无功补偿装置运行数据和参数。与设计院、无功补偿装置厂家积极沟通，提供各类现场运行数据和参数，希望尽快找到解决方案。
最终，无功补偿装置厂家提出可通过调节SVG控制系统参数对空载时的容性无功功率进行补偿，对上级变电站计量点的无功功率进行调节，从而使功率因数达标的方案。参数设置实际上是更改了SVG设备输出的实际无功功率。
1、如果 SVG 输出感性无功电流：
实际输出无功 = 检测无功 + 感性无功偏移系数 × 设备容量;
2、如果 SVG 输出容性无功电流：
实际输出无功 = 检测无功 + 容性无功偏移系数 × 设备容量;
海勒斯壕南变电所内两套SVG设备的容量和均为11.6Mvar，而对应的上级110kV输电线路空载容性无功功率统计数据约为1.5Mvar，因此设置无功偏移系数为0.13。四道柳变电所内两套SVG设备的容量和均为12.4Mvar，而对应的上级110kV输电线路空载容性无功功率统计数据约为2.48Mvar，因此设置无功偏移系数为0.2。纳林川变电所内两套SVG设备的容量和均为12.4Mvar，而对应的上级110kV输电线路空载容性无功功率统计数据约为2.11Mvar，因此设置无功偏移系数为0.17。后续观察可根据结果继续进行微小调节，达到最佳效果。
五、几点思考
1、在设计牵引变电所电源线路时就要对负荷大小、供电距离、供电电压等级等进行认真分析，综合考虑，尽量选择距离较近的上级变电站，尽量避免线路空载或轻载现象。再者，在设计无功补偿装置时，也应考虑线路容性无功，以免运行后补偿装置容量无冗余。
2、当铁路运量增长，牵引负荷有功电量持续增大时，反向无功占比较小或者可以忽略不计时，可考虑调小SVG设备无功偏移系数，甚至设置偏移系数为0。
3、由于SVG设备安装在27.5KV侧，当动态补偿装置退出运行而110KV输电线路仍带电运行时，是无法对110kV输电线路空载容性无功进行补偿的。因此，应尽可能避免长时间退出动态补偿裝置SVG设备。
4、当三道渠牵引变电所送电投运时，应考虑反向无功问题。根据现场运行经验估算110KV线路的空载容性无功功率，送电后及时设置无功偏移系数，并持续观察进行微调。
5、可借鉴东乌铁路的解决办法，向电业局移交线路资产，将计量点变更在牵引变电所进线侧，线路反向无功部分由电业局承担。
与电业局建立良好的沟通机制，协商热备用线路的反向无功部分不纳入功率因数考核。
（作者单位：神华包神铁路公司）
【关键词】110kV;架空线路;反向无功;功率因数
针对输电电压等级为110kV较长供电距离的输电线路，提出了一种考虑线路充电功率的无功补偿策略，其在充分考虑线路充电功率的基础上，利用输电线路的π形等值电路，计算输电线路上无功功率的分布情况，并以上级变电所计量的无功功率最小值为目标函数建立数学模型，进而得出当下级变电所电力负荷在空载和轻载时，通过增加或者减少无功补偿装置投用的容量，保证变电所在低功率因数方式下运行，增大变电所的感性无功功率，从而达到冲减线路充电功率、控制反向无功功率、提高功率因数、降低力调电费开支的目的，110kV输电线路可以等效为线路串联电抗和线路并联电容组成的等效电路，线路较长时，空载情况下等效电容存在容性无功损耗，导致系统空载时容性无功倒送。由于新准铁路公司牵引负荷偏小，110KV架空输电线路长期处于轻载、空载运行，線路的充电功率在电力网络无功功率中的比重相对较大。根据《功率因数调整电费办法》中规定，电业部门按倒送的无功电量与实用无功电量两者的绝对值之和，计算月平均功率因数。如果忽略输电线路的充电功率，新准铁路沿线牵引变电所功率因数难以保证在0.9以上，将会产生巨额的利率电费。
一、新准铁路110KV输电线路产生反向无功的原因分析
1、110kV架空输电线路模型为串联电抗、并联电容组成的等效电路。输电线路导线间及对地存在对地电容电流，当线路带有电压时该电容会产生充电功率（容性），线路的充电功率与电容电流的平方成正比。线路空载或者轻载时，系统电压本身处于较高水平，线路出现的过剩容性无功会进一步抬升系统电压。
经查表得新准铁路输电线路每百公里的充电功率为3.43Mvar。（线路参数：电压等级110kV、线路型号LGJ-300）。空载热备用线路存在反向无功是客观存在的，其值的大小与电压等级和线路长度成正比。
2、新准铁路沿线共建有4座牵引变电所，分别为海勒斯壕南牵引所、四道柳牵引所、纳林川牵引所、三道渠牵引所。目前除三道渠牵引变电所尚未送电开通外，其余三座都已带电投运。每座牵引变电所均设计有两回110kV输电线路，一回主用，另一回热备用。八条输电线路分别来自地方电业局五座上级变电站，已带电运行的由五条，线路信息见下表。
从表中可见，作为主用电源的165莲海牵线、155川柳牵线、154川纳牵线线路长度均在35KM以上，作为备用电源的164莲四牵线甚至达到70KM，在空载或者轻载状态下八条输电线路产生的充电功率不可忽视。
2、新准铁路为运煤专线，线路自包神铁路巴图塔站引出，接入大准铁路点岱沟站。其中巴图塔至海勒斯壕南段为单线，限制坡度为13‰，海勒斯壕南至点岱沟段占据线路全长的90%，该区段上行为重车方向，限制坡度为4‰，下行为空车方向，限制坡度为12‰。受煤炭市场不景气的影响，新准铁路自开通运营以来其设计运量与实际运量悬殊较大，行车密度较小，日均行车对数不足10对。因此，输电线路大部分时间处于空载或者轻载状态，有功负荷偏小。
3、新准铁路牵引变电所四座牵引变电所在27.5KV侧A相母线、B相母线分别设有一套SVG动态无功补偿装置，每套无功补偿装置由固定补偿电容支路和动态补偿SVG支路组成。由于新准铁路当前运量较小，动态无功补偿装置只投入SVG支路运行，在27.5kV母线侧采集电压和电流，仅可以保证进线侧功率因数满足电业局要求。而电业局的计量点位于上级变电站出口间隔处，110KV输电线路的无功无法补偿，因此导致空载时容性无功倒送。
二、友邻铁路情况调研
经调研附近的包神铁路、神朔铁路、准东铁路和东乌铁路，这四条铁路均存在反向无功现象。
1、包神铁路、神朔铁路因货运量大，机车消耗有功电量数额大，反向无功电量占比小，所以功率因数能保持在0.9以上;
2、准东铁路只有一个牵引变电所输电线路存在反向无功现象，通过无功补偿装置厂家调整SVG设备参数，并将沿线4座牵引变电所有功、无功电量统一计算，勉强保证了功率因数达标;
3、东乌铁路通过移交电源线路资产，将计量点变更到牵引变电所进线侧，线路反向无功部分由电业局承担，避免力率电费的产生。
三、无功补偿的原则
无功补偿应按国家有关规定执行，变电所还要满足电网的技术原则。
1）电力系统的无功补偿应按分（电压）层分（供电）区基本平衡的原则进行配置。分（电压）层无功平衡的重点是110kV及以上电压等级层面的无功平衡，分（供电）区就地平衡的重点是110kV及以下配电系统的无功平衡。无功补偿配置应根据电网情况，实施分散就地补偿与变电站集中补偿相结合，电网补偿与用户补偿相结合，高压补偿与低压补偿相结合，满足降损和调压的需要。
2）变电站应结合电网规划和电源建设，合理配置适当规模、类型的无功补偿装置。所装设的无功补偿装置应不引起系统谐波明显放大，并应避免大量的无功电力穿越变压器。
3）110kV变电所无功补偿以补偿主变压器无功损耗为主，并适当补偿部分线路的无功损耗。根据《电力系统电压和无功电力技术导则》（SD 325-1989），补偿容量可按主变压器容量的0.10～0.30确定，并满足110kV主变压器最大负荷时，其二次侧功率因数110kV不低于0.95，35kV、10kV不低于0.9。
4）对于大量采用10kV～110kV电缆线路的牵引供电网，在新建110kV及以上电压等级的变电站时，应根据电缆进、出线情况在相关变电站分散配置适当容量的感性无功补偿装置。
110kV变电站无功补偿计算，在110kV变电站的设计中，变电站无功补偿以补偿主变压器无功损耗为主，并适当补偿部分线路的无功损耗。一般新建110kV变电站无功补偿计算为例。例如终期建设2×40MVA，本期1×40MVA。主变压器主要参数：额定容量40/40/40MVA;额定电压：110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5kV;阻抗电压：Ud1-2=10.5%，Ud1-3=17.5%，Ud2-3=6.5%。110kV、35kV和10kV侧功率因数分别按0.95、0.9和0.9，变电站负载率按75%计算，35kV、10kV侧负荷按各占负荷容量的一半考虑。 四、解决方案
新准铁路多次联系电业局调取110KV线路的无功曲线和瞬时值，收集牵引变电所运行电压、电流值，查看无功补偿装置运行数据和参数。与设计院、无功补偿装置厂家积极沟通，提供各类现场运行数据和参数，希望尽快找到解决方案。
最终，无功补偿装置厂家提出可通过调节SVG控制系统参数对空载时的容性无功功率进行补偿，对上级变电站计量点的无功功率进行调节，从而使功率因数达标的方案。参数设置实际上是更改了SVG设备输出的实际无功功率。
1、如果 SVG 输出感性无功电流：
实际输出无功 = 检测无功 + 感性无功偏移系数 × 设备容量;
2、如果 SVG 输出容性无功电流：
实际输出无功 = 检测无功 + 容性无功偏移系数 × 设备容量;
海勒斯壕南变电所内两套SVG设备的容量和均为11.6Mvar，而对应的上级110kV输电线路空载容性无功功率统计数据约为1.5Mvar，因此设置无功偏移系数为0.13。四道柳变电所内两套SVG设备的容量和均为12.4Mvar，而对应的上级110kV输电线路空载容性无功功率统计数据约为2.48Mvar，因此设置无功偏移系数为0.2。纳林川变电所内两套SVG设备的容量和均为12.4Mvar，而对应的上级110kV输电线路空载容性无功功率统计数据约为2.11Mvar，因此设置无功偏移系数为0.17。后续观察可根据结果继续进行微小调节，达到最佳效果。
五、几点思考
1、在设计牵引变电所电源线路时就要对负荷大小、供电距离、供电电压等级等进行认真分析，综合考虑，尽量选择距离较近的上级变电站，尽量避免线路空载或轻载现象。再者，在设计无功补偿装置时，也应考虑线路容性无功，以免运行后补偿装置容量无冗余。
2、当铁路运量增长，牵引负荷有功电量持续增大时，反向无功占比较小或者可以忽略不计时，可考虑调小SVG设备无功偏移系数，甚至设置偏移系数为0。
3、由于SVG设备安装在27.5KV侧，当动态补偿装置退出运行而110KV输电线路仍带电运行时，是无法对110kV输电线路空载容性无功进行补偿的。因此，应尽可能避免长时间退出动态补偿裝置SVG设备。
4、当三道渠牵引变电所送电投运时，应考虑反向无功问题。根据现场运行经验估算110KV线路的空载容性无功功率，送电后及时设置无功偏移系数，并持续观察进行微调。
5、可借鉴东乌铁路的解决办法，向电业局移交线路资产，将计量点变更在牵引变电所进线侧，线路反向无功部分由电业局承担。
与电业局建立良好的沟通机制，协商热备用线路的反向无功部分不纳入功率因数考核。
（作者单位：神华包神铁路公司）