（电气工程专业论文）胶济线电气化铁路牵引供电系统功率因数问题的研究.pdf

j e 塞窑垣叁堂主些亟堂色丝塞主塞垴蔓 中文捅要 摘要：本文通过对胶济线电气化供电情况进行调查分析，查找引起牵引变电 所功率因数低的主要原因从设备、技术和管理方面分别进行分析研究，通过运用 所学的知识进行理论计算和现场的调查研究，找出其中功率因数低的原因并制定 相应改进方案。研究主要针对胶济线各牵引变电所的补偿方式、供电方式、管理 方式，结果我们找出其中导致功率因数低的原因。 牵引供电系统是比较新的系统，2 0 0 6 年7 月京沪投用，同年9 月胶济线投用， 运行初期由于车流密度较低且随时间段变化较大，没有规律可言。由于设计施工 时考虑的是满负荷运行，所以采用了固定式电容补偿在运行初期暴露出来的主要 矛盾是无功消耗过大且无法及时补偿，从而造成力率罚款等问题，我们通过对胶 济线牵引变电所进行研究分析及张夏牵引变电所投切补偿电容的实验，基本搞清 了损失的主要原因，制定了应急方案。对动态无功补偿( t c r + f c 和t s c ) 的方 案进行了对比研究，提出建议方案。 铁路供电系统具有供电系统的一般特点，由于其供电方式、负荷的特殊性和 安全可靠性的特点，同时又是能源消耗大户，因此对牵引变电所功率因数进行分 析研究并制定相应的对策，有利于铁路供电系统提高功率因数、减少电能损失及 保持铁路供电系统高效运行。 关键词：胶济线牵引供电功率因数 分类号：t m 7 1 4 j e 立銮亟盔堂童些亟堂焦监塞旦s 至b i a b s t r a c t a b s t r a c t ：b a s e do nt h er a i l w a yp o w e rs u p p l ys y s t e mw e r ei n v e s t i g a t e dt of i n d o u tt h em a i nr e a s o u $ f o re n e r g yl o s s e so fe l e c t r i c i t yc a u s e d ，f r o mt h ee q u i p m e n t , t e c h n o l o g ya n dm a n a g e m e n tw e r ea n a l y z e db yu s i n gt h et h e n r e t i e a lk n o w l e d g ea c q u i r e d , o n - s i t es u r v e y s ，c o n d u c t e di nc o n j u n c t i o nw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s f i n do u tt h er e a s o u s a n di m p r o v ep r o g r a m sd e v e l o p e di nc o n j u n c t i o nw i t ht h er a i l w a ys t a t u sq u o t h e r e s e a r c hm a i n l ya i m sa tt h ec o m p e n s a t i o nm o d e ，p o w e rs u p p l ym o d ea n dm a n a g e m e n t m o d ei nt h ee v e r yt r a c t i o ns u b s t a t i o no ft h ej i a o j ir a i l w a yl i n es ot h a tw ef i n dt h e r e 地q o l lt h a tc a u s et h el o wp o w e rf a c t o r t h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mw a san e ws y s t e m t h ej i n g - h um i l w a yl i n ea n d t h ej i a o - j ir a i l w a yl i n ew e r ep u ti n t ou s ei nt h ej u l ya n ds e p t e m b e r2 0 0 6 o na c c o u n to f t h el o wr a t eo ft r a f f i cf l o wa n dl a r g ec h a n g ew i t ht h et i m eq u a n t u m ，t h e r ei sn or u l e w h i c hc a nb eu s e d b e s i d et h a t ，a st h ef u l ll o a dw a sc o n a i d e r e dw h e nt h ep r o j e e tw a s d e s i g na n dc o n s t r u c t e d , t h ef i x a t i v ec a p a c i t a n c ec o m p e n s a t i o nw a sa d o p t e d i nt h e i n i t i a ls t a g e st h em a i np r o b l e mw a st h a tt h el a r g e rc o n s u m p t i o no fr e a c t i v ec o m p o n e n t t h a tc a nn o tb ec o m p e n s a t e di nt i m e ，w h i c ha l s og e n e r a t et h ea m c r c e r n e n to f t h ep o w e r r a t e b ym e a n so ft h er e s e a r c ha n da n a l y s i st ot h et r a c t i o ns u b s t a t i o no nt h ej i a o - j i r a i l w a yl i n ea n dt h eo i l o f fe x p e r i m e n to fc o m p e n s a t i n gc a p a c i t o rt ot h ez h a n g - x i a t r a c t i o ns u b s t a t i o n , t h em a i nr e a s o no fl o s sh a v eb e e nf o u n db a s i c a l l ya n dt h e e m e r g e n c ys c h e m e h a v eb e e ne s t a b l i s h e d t h es c h e m e o fd y n a m i cr e a c t i v e c o m p e n s a t i o n ( t c r + f ca n dt s c ) w a sc o m p a r a b l yr e s e a r c h e da n dt h es u g g e s t i o n s c h e m ew a sp r o p o s e df i n a l l y t h es y s t e mo fp o w e rs u p p l yf o rt h er a i l w a yh a dt h ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i co ft h e p o w e rs u p p l ys y s t e m i tn o to n l yp o s s e s s e sc h a r a c t e r i s t i ci nt h ea s p e c to fp o w e rs u p p l y m o d e ，p a r t i c u l a r i t yo ft h el o a da n dt h es a f er e l i a b i l i t y ；b u ta l s oi sal a r g ee n e r g ys o u r c e s c o n s u m e r t h e r e f o r e ，t h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ht ot h ep o w e rf a c t o ri nt h et r a c t i o n s u b s t a t i o na n de s t a b l i s h i n gc o r r e s p o n d i n gc o u n t e r m e a s u r ew e r ep r o p i t i o u st oi m p r o v e t h ep o w e rf a c t o r , t or e d u c et h ee l e c t r i ce n e r g yl o s si nt h es y s t e mo f p o w e rs u p p l yf o rt h e r a i l w a y ；a n dt om a k et h es y s t e mo f p o w e rs u p p l yr u n w i t hh i g he f f i c i e n c y k e yw o r d ：t h ej i a o j ir a i l w a yl i n e ；t h et r a c t i o np o w e rs u p p l y ；p o w e rf a c t o r c l a s s n 0 ：t m 7 1 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：白汝山导师签名：方 进 签字日期：2 0 0 7 年1 1 月2 0 日签字日期：2 0 0 7 年1 1 月2 8 日 j e 塞銮通盔堂童些亟堂焦迨塞鎏创世麈魉 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：白汝山签字日期： 2 0 0 7 年1 1 月2 0 日 致谢 本论文的工作是在我的导师方进教授的悉心指导下完成的，方教授严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来电气工 程学院的老师们对我的关心和指导。 济南铁路局机务处李冰科长悉心指导我完成了相关的调研工作，在学习上和 工作上都给予了我很大的关心和帮助，在此向李冰科长表示衷心的谢意。 在调查研究工作及撰写论文期间，中铁二院、我单位领导、监管办和各车间 的同事们对我论文中的原始数据积累给予了热情支持和帮助，在此向他们表达我 的感激之情。 另外也感谢我的妻子和家人，她们的理解和支持使我能够专心完成我的学业 和进行研究撰写完成论文。 j e 塞变通盘堂童些亟堂僮论塞!i i 直 1 引言 1 1 选题目的 构建节约型社会是党中央的战略决策、国家的大政方针，能源是支撵经济社 会发展的重要基础，保障能源可靠供应是世界各国共同关注的战略i 司题。我国能 源资源相对短缺，人均拥有量仅为世界平均水平的4 0 0 4 0 ，而且存在较普遍地利用 效率不高、严重浪费的现象。 建设节约型社会的核心是实现能源资源的高效开发和利用。作为铁路供电单 位，不断提高优化配置资源的能力，不断加强节能降耗工作，推动铁路供电持续 健康发展，为铁路跨越式发展提供可靠的电力保障，既是我们的重要使命，也是 实践科学发展观的必然要求。我们按照建设节约型社会的要求，重要任务就是提 高牵引变电所功率因数，降低电能在传输、分配和经营过程中的损耗和损失。 我所在的济南局胶济线2 0 0 6 年6 月- - 2 0 0 7 年9 月完成供电量1 1 8 亿k w h ， 平均功率因数0 6 ，力调电费t 7 7 2 6 万元。随着电气化铁路的大面积投用，供电量 还会不断增加，提高牵引变电所功率因数、降损节能的社会和经济效益十分显著， 能为缓解当前能源紧张局面起到一定作用，政治责任重大。 1 2 当前牵引变电所无功功率主要组成 ( 1 ) 变压器消耗的无功功率。 ( 2 ) 电力机车消耗的无功功率。 ( 3 ) 变电所电源线路消耗的无功功率。 ( 4 ) 变电所馈线消耗的无功功率。 ( 5 ) 供电系统中无功功率补偿设备消耗的无功功率。 ( 6 ) 其他不明无功。 1 3 牵引变电所功率因数低的原因 牵引变电所功率因数低的原因很多，存在于供电系统的各个环节，主要分为 技术设备原因和管理原因两类。 1 - 3 1 技术设备原因 牵引变电所变压器、电源线、馈线；补偿装置：电力机车等设备运行都会消耗 电能并产生无功，造成功率因数降低。 1 3 2 管理原因 管理原因造成功率因数低主要是由于电能计量装置的误差及管理不善、失误 及等原因造成的。主要包括： ( 1 ) 电能计量装置的误差。 ( 2 ) 营业工作中漏抄、错抄、估抄、漏计、错算及倍率搞错等； ( 3 ) 不能根据负荷情况及时对补偿装置进行投切 1 3 3 政策原因 牵引变电所电源线产权属供电局，而计量表在供电局馈线侧，造成备用电源 无功由我们负担。 1 4 功率因数管理中存在的问题 长期以来，功率因数管理一直是供电段重要的专业管理之一。功率因数管理 工作的好坏直接影响我们的经济效益，近年来，通过节能降损技术、新设备得到 一定范围的应用，供电管理不断规范，职工队伍素质有所提高，为功率因数管理 工作打下了基础。但是，在功率因数分析和管理中仍然存在技术分析不全，措施 不明确，缺乏系统整治方案。尤其是对铁路供电特殊性方面的研究很少，只是把 安全可靠性放在了特别突出的位置，忽略了经济分析，使得功率因数低惯了也就 成为自然，较多的技术层面问题需要进一步分析和研究。 1 5 主要工作和目的 ， 工作中选取了胶济线各牵引变电所进行功率因数分析研究。连续八个月对胶 济线各牵引变电所功率因数进行了计算，对因功率因数达不到供电局要求而额外 增加的力调电费占全部电费的比例与功率因数的关系进行了比较、分析。对影响 功率因数的因素进行了理论研究。选取张夏牵引变电所进行了电容补偿装置投切 试验，通过试验表明在线路负荷达不到设计负荷的情况下，采用固定电容补偿不 能有效提高功率因数。对胶济线功率因数低的具体情况从技术设备方面、管理方 面、供电局政策等方面进行了具体分析研究。针对分析得出的胶济线功率因数低 的原因从计量、管理、政策等方面进行了改进，通过采取相关措施后胶济线功率 因数有了很大提高，但无法达到供电局功率因数为0 9 的要求。功率因数要达到 0 9 应采用动态无功补偿装置。对牵引变电所理论上需要的无功补偿容量计算方法 进行了介绍，以潍坊西变电所为例对胶济线各牵引变电所无功补偿容量进行了理 论计算，并给出了计算结果。对动态无功补偿技术进行了调查研究，对动态无功 补偿方案进行了比较，并给出了可采用方案的建议。本次研究的主要目的是找出 胶济线功率因数低的原因及可采取的对应措施，最终提高胶济线各牵引变电所功 率因数，减少力调电费的支出，提高经济效益。 j e 廛窑垂太堂童些砸堂僮迨塞2 ：毯虫丕缝功奎固錾回壁鲍堡迨盟塞 2 供电系统功率因数问题的理论研究 2 1 影响功率因数的主要因素 功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消耗有功功率 外，还需要无功功率。当有功功率p 一定时，如减少无功功率q ，则功率因数便 能够提高。在极端情况下，当q = o 时，则其力率= 1 。因此提高功率因数问题的实 质就是减少用电设备的无功功率需要量。 2 l1 异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备 异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要 因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无 功功率增加值两部分所组成。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。交压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功 率，它和负载率的大小无关。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压 器不应空载运行或长其处于低负载运行状态。 2 1 2 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l 嘴时，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11 0 , 6 时，一般工厂的无功将增加 3 5 左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少面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，应当采取措施使电 力系统的供电电压尽可能保持稳定。 2 1 3 电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影 响 电网频率波动会造成异步电动机欠激或过激及变压器磁路变化，同时高频时 会造成无功补偿装置绝缘老化。电机在欠激状态时，定子绕组向电网“吸取”无 功，在过激状态时，定子绕组向电网“送出”无功。 综上所述，我们知道了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此我们要 寻求一些行之有效的、能够使功率因数提高的一些实用方法，达到降损节能的效 果。 2 2 压损理论分析 牵引供电系统的压损包括电力系统的电压损失、牵引网电压损失和牵引变压 器的电压损失。单相工频交流牵引制的变电所母线电压额定值为2 7 5k v ，机车受 电弓电压额定值为2 5k v ，受电弓电压最高值为2 9k v ，最低值为1 9 k v 。 2 2 1 电力系统的电压损失 j e 鏖銮垣太堂童些亟堂焦丝塞2 ：堡曳丕统功奎固堑回题曲堡迨班盔 牵引负荷在电力系统中造成的最大电压损失。应根据电力系统和牵引负荷的资 料进行计算。国家能源部1 9 8 9 年发布的电力系统电压和无功电力技术导则( 试 行) 中4 1 1 条规定：“1 1 0k v 用户的电压变动幅度，应不大于系统额定电压的 1 0 ，其电压允许偏差值，应在电力系统额定电压的9 0 1 1 0 范围内。”4 1 ，4 条规定：“2 2 0 k v 用户的电压允许偏差值，为电力系统额定电压的+ 5 、1 0 。” 由于牵引负荷造成电力系统三相电压不平衡，其电压损失的计算不同于一般对 称三相负荷的情况，其值根据电力系统具体情况，一般为1 5 0 0 3 0 0 0 v ( 归算至 2 7 5k v ) 。 2 2 2 、牵引网电压损失 2 2 2 1 单线牵引罔电压损失 表2 1 单线牵引网电压损失的计算条件如下： 区列车位置 间数 1 - 3 - - ， ij 、 l 2 l 、 l 、 t 7 l 。军“1 _ 于。2 l 。i j 位于 山 山3 勉 “一划 jl 1l 2l 3 3 巨宁i 宁ii 1 1 位于1 2 l 1 ，1 2 位于 山 山 山l 怂 “ l l1 2l 3l 4 4i 罕h 卜1 旱ii1 1 位于l 2 l 1 ，1 2 位 于i l 忠。 山山1 1 儿世刚扎1 u 吐 当供电臂列车带电概率较小时( 3 个区间p o 3 5 4 个区间p o 2 5 ) ，则表中 3 、4 项中i l 可取消。 供电臂列车带电概率取对应线路紧密运行能力的列车对数进行计算。 4 j e 立窑道太堂童些硒堂焦诠塞2 ：毯皇丕红功圣固筮回壁笪堡监硒殛 列车电流取对应区间带电平均电流。 牵引网电压a u i ：y i ；l i z 2 - 1 对应压损计= 算条件中各列车带电平均电流 厶对应压损计算条件中各列车距供电臂首端的距离 z 牵引网的单位等值阻抗 2 2 2 ，2 复线牵引网电压损失 ( 1 ) 分开供电牵引网电压损失 重负荷方向取对应计算列车对数的概率积分9 5 的最大列车数，计算列车在 供电臂末端，其余均匀分布，电流取各车所在区间上、下行带电平均电流。 轻负荷方向取对应于计算列车对数下的全日平均带电列车数，带电列车由供 电臂末端按追踪间隔排列，电流取各车所在区间上、下行带电平均电流。 牵引网电压u = 厶z + ，。l z 二 2 2 ，；重负荷方f 爿各列车菇箍z 的电流 厶重负荷方向各列车距供电臂首端的距离 z 牵引网的单位等值自阻抗 l 轻负荷方向各列车对应的电流 三轻负荷方向各列车距供电臂首端的距离 z ：牵引网单位等值互阻抗 ( 2 ) 并联供电牵引网电压损失 重负荷方向按最追踪间隔排列的最大列车数，计算列车在供电臂末端，电流 取各车所在区间上、下行带电平均电流。 轻负荷方向在供电臂中部排一列车，电流取各车所在区间上、下行带电平均 电流。 牵引网电压 = 壹i o “；( 生2 l z l + 警z ，) + 薹l l ( 乞z + 警) 2 一， ，；重负荷方向各列车对应的电流 三i 重负荷方向各列车距供电臂首端的距离 z 牵引网的单位等值自阻抗 ，。轻负荷方向各列车对应的电流 轻负荷方向各列车距供电臂首端的距离 z ：牵引网的单位等值互阻抗 2 2 。3 、牵引变压器电压损失 a e 夏窑垣盍堂童些亟堂僮迨塞 2 ：堡垒丕缠功奎囤麴问题的堡j 金硒窟 x r - - 0 10 5x2 7 5 2 7 5 s e s e 牵引变压器安装容量( m v a )2 - 4 ( 1 ) 三相y ，接线牵引变压器 u t q = 2 i q s i n q b q i h s i n ( 6 0 籼) 】x r ( v )2 - 5 u t h = 【2 i h s i n a + i q s i l l ( 6 0 + q b q ) 】x t ( v )2 - 6 i q 引前相电流。计算引前相电压损失时，应取引前相负荷图中电流之 和。计算滞后相电压损失时，应取引前相供电臂平均电流( a ) h 滞后相电流。计算滞后相电压损失时，应取引前相负荷图中电流之 和。计算引前相电压损失时，应取引前相供电臂平均电流( a ) ( 2 ) v v 接线 a u = i x t s i n 币 ( v )2 7 i 对应负荷图中电流( a ) ( 3 ) 单相接线 同v 接线 2 3 电能损失理论分析 2 3 1 牵引网电能损失 2 3 1 1 单线区段 ( 1 ) 直供、直供加回流线及b t 供电方式 蟛：8 7 6 聊工玎2 【半+ ；咖一1 ) 】1 0 一 ( 万度) 2 - 8 当( 肌一1 ) o 嘶= 8 7 6 m l r l 2 a ( 万度) 2 - 9 l 供电臂长度( i m ) r 牵引等值单位阻抗中的有效电阻( q i r a ) i 对应近期计算列车对数的电流平均值( a ) m 供电臂中同时存在的平均列车数 a 供电臂列车电流间断系数 2 3 1 2 复线区段 直供、直供加回流线及b t 供电方式 嘶= 8 7 6 r o l l 2 掣+ ( 0 5 m - i ) 掣- f m ( 3 r 4 + 8 5 r m ) l o 4 ( 万度) 2 1 0 6 j 噬銮煎盘堂童些亟堂鱼纶童 2 ：送虫丕红功奎固垫回壁的堡迨砑宜 2 3 2 、牵引变压器年电能损失 变压器的损耗包括由于激磁产生的空载损耗和由于通电而产生的负载损 耗。空载损耗主要指铁芯中，由于交变电流激磁产生的磁滞损耗和涡流损耗， 一般称为铁耗。负载损耗指在次和二次线圈由于电流流过产生的电阻损耗 以及漏磁通在线圈和其他金属部件中产生的杂散损耗，它和负荷率的平方成 正比，般称为铁耗。 2 3 2 1 铁耗损失 凡= o 8 7 6 x p c( 1 0 x - w h 年)2 1 l ap 。牵引变压器的额定损耗 2 3 2 2 铜耗损失 ( 1 ) 三相y a 接线牵引变压器 名= 鹰l ) 2 + 扛) 2 + 知k 名= 号l ：) 2 + 咕l ，) 2 + 吾，： 圪= 缸) 2 + 弓u 2 一知，： a t = o 8 7 6 xa p t x ( 1 2 一1 2 b c1 2 a b ) 1 3 11 2 h a p t 牵引变压器的额定铜耗 k 牵引变压器的额定电流 ( 2 ) 单相v ，v 接线牵引变压器 艺= 0 8 7 6 a p 。( 匆2 ( 1 0 h ，年) 1 ( 3 ) 单相接线牵引变压器 丘= ( i x l ) 2 十( k ) 2 + 2 k l p 2 a a t = 0 8 7 6 a p t x l 2 。：1 2 h ( i 0 4 k w h 年) ( 4 ) s c o t t 接线牵引变压器 a a t = 0 8 7 6x ( o 5 5 4 k 1 2 + o 4 4 6 k m 2 ) a p t k t = i r r nk m = i m i m n ( 5 ) 阻抗匹配平衡牵引变压器 酗：0 ，8 7 6 学卸。( 1 0 1 1 ，年) 2 巧 7 ( 1 0 k w h 年) 2 1 2 2 - 1 3 2 一1 4 2 1 5 2 1 6 2 1 7 2 、1 8 ( 1 呐州t 1 年)2 - 1 9 2 2 0 j e 宝銮垣太空童些亟堂焦逾塞2 ：堡皇丕缝功奎固筮间壁鲤堡迨鲤塞 2 3 3 、机车牵引年电能损失 a l = o 0 0 0 1 3 6 5 x n - a c o s 西 n 当量= - n 赞+ k 客n 膏 n 萤= 瓦l i e l 甭0 4 r 折近期上( 下) 行年货运量( 万吨) q 满载货物列车的牵引定数( 吨) ，挣净载重系数，取o 7 9 2 k ；客车折算为货车的折算系数，取0 5 c o 动负荷功率因数，一般取0 8 0 8 5 a 货车上( 下) 行牵引能耗 ( 1 ) 机车自用电及站内调车作业年用电量 按牵引年电能损失的2 计。 ( 2 ) 牵引变电所年自用电量 按每所每年3 6 万度计。 ( 3 ) 牵引变电所用电量指标计算 2 2 1 2 2 2 2 2 3 y d l 3 a l 十a 2 + a 3 + a 4 + a 5 2 - 2 4 n l = y d l 5 0 0 0 2 - 2 5 n 2 = y d l 8 7 6 0 2 - 2 6 l y l = 1 0 0 0 0 xy d l 馋7 6 n 陪l 加8 5 2 - 2 7 v d l 牵引变电所年用电量a 1 一牵引变压器年电能损失 a 2 牵引网电能损失a 3 机车牵引年电能损失 a 4 一机车自用电及站内调车作业年用电量a 5 牵引变电所年自用电量 n 1 最大利用小时负荷1 1 2 年平均小时负荷 i y l 一牵引变电所容量利用率r l 牵引变压器安装容量 2 4 提高牵引网供电质量和功率因数的方法 2 4 1 电压调节 电力系统中电压调节主要有发电机调压、变压器调压、改交无功功率分 布、改变电力网参数几种方式。针对牵引网电压水平可采用变压器调压、改 变无功功率分布、改变电力网参数几种方式。 2 4 1 1 变压器调压 ( 1 ) 利用变压器分接头调压 目前我国制造的8 0 0 0 k v a 以上容量的变压器一般有四个附加分接头，分别 j e 立至堡左堂主些亟芏僮论塞2 ：送虫丕丝功奎固熬问题的堡途硒盔 对应1 ，0 5 、1 0 2 5 、o ，9 7 5 、0 9 5 倍额定电压。对于不具有带负荷切换分接头的变压 器，改变分接头时需要停电。 ( 2 ) 利用有载调压变压器调压 在输电线路比较长，负荷变化比较大的情况下，使用无载调压变压器不能 满足电压偏差的要求，需要采用有载调压变压器。我国制造的1 l o k v 及以下的有 载调压变压器，调压范围为3x 2 5 ，共7 个分接头，2 2 0 k v 有载调压变压器的 调节范围为4 2 ，共9 个分接头。 由于牵引负荷的三相不平衡，如按目前电力系统根据一相电压变化进行调压 的有载调压方式，可能导致某一相电压较高，甚至超过容许值。为防止出现上述 不利情况的出现，对于三相牵引变压器可采用两相电压( 引前相和第三相) 的变 化情况进行调压的方式。当然对于单相牵引变压器上面的问题是不存在的。 2 4 1 ，2 改变无功功率分布和电力网的参数 根据电压损失的公式【，= ! 学 可知， 2 2 8 改变电压损失有两种方式：一种是改变电力网的参数，另一种是改变功率分 布，在满足负荷有功功率的前提下，要改变供电网络的有功功率分布是很难的， 因此一般通过改变供电网络的无功分布改变功率分布，现常用的措施有并联电容 器、并联电抗器、静止补偿器等。改变电力网的参数可用的办法是串联电容，通 过容抗抵消部分感抗，降低供电网络的电抗值，此外，采用加强导线或更换非载 流承力索为载流承力索等措施可降低牵引网的单位阻抗，从而减少牵引网上的电 压损失。 2 4 1 3 并联电容器 以三相y 接线牵引变压器为例，从下面的向量图中可以看出并联电容有助 于提高电压水平。 i ai b b u b 图2 1 并联电容提高电压水平向量图 9 j e 塞童适太堂童些亟堂鱼论塞2 ：送曳丕蕴功圣固筮回星的堡丝班冠 图2 1 中u 、u b 为供电臂电压，i a 、i b 为供电臂负荷电流，i 、i b 为供电 臂各相并联电容产生的电流分别以前供电臂电压9 0 。，如不考虑并联电容电流的 影响，a 相在变压器及电力系统中产生的电压损失为u 一，如考虑并联电容电流 的影响，则电压损失减少为u k 。 2 4 1 4 串联电容 ( 1 ) 串联电容补偿容量计算 x ： 垒竺 2 2 9 。j ms m r p ( ，需要电容器补偿的电压损失西负荷的功率因数角 ，一供电臂最大负荷电流 历：生 i ， m 电容器的并联个数 x ，m 矗= o x 。 栉电容器的串联数 q c = 砌q * q c 串联电容器的实际容量 计算中注意m 、n 值上靠取整。 2 3 0 l 单体电容的额定电流 2 3 1 x 。单体电容的额定电抗 2 - 3 2 q 如单体电容的额定容量 c l l 5 0 一l 型电容参数：额定电压1k v ，额定容量2 0 k v a r ，额定电流5 0 a ， 额定电抗5 0 f l ( 2 ) 串联电容补偿装置的校验 为避免串联电容补偿装置引起系统的谐振，装置的容抗应低于系统1 1 0 或2 2 0 k v 母线至串补偿器间的总的归算电抗值。 为避免串联电容补偿装置引起短路电流超过电器设备短路时所能承受的最 大电流，需进行短路电流计算，校核短路电流是否超过电器设备短路时所能承受 的最大电流，目前主要对变压器进行校核。变压器短路时所能承受的最大电流为 其额定电流的8 倍。 ( 3 ) 串联电容补偿装置引起的谐振问题 电力系统中如在配电线路中采用高补偿度的串联电容，串联电容与一些容量 较大的用户异步电动机或同步电动机有可能发生电机的自激；串联电容与变压器 j e 夏窑垣左堂主些亟芏焦论塞2 ：堡虫丕统功奎厘塾回壁的翌迨班塞 可能产生铁磁谐振：采用串补后有可能与发电机产生低于工频的次同步震荡。对 于牵引负荷而言，正常情况下不会产生各种谐振，但在机车断路器投切情况下， 会产生次谐波，有可能导致次同步谐振。 ( 4 ) 串联电容补偿装置设置地点 牵引供电系统中，串联电容补偿装置可设置于牵引变电所馈线出口端、供电 臂任意位置( 一般设于车站附近) 、b t 方式可设于回流线等位置。 2 4 2 功率因数提高 功率因数调整电费的办法 根据水利电力部、国家物价局1 9 8 3 年颁布的功率因数调整电费办法规 定：“功率因数标准值0 9 适用于1 6 0k v a 以上的高压供电工业用户、装有帝负荷 调整电压装置的高压供电用户和3 2 0 0k v a 及以上的高压供电电力排灌站。”该办 法同时规定：“凡装有无功补偿设备且有可能向电网倒送无功电量的用户，应随其 负荷和电压波动及时投入或切除部分无功补偿设备，电业部门并应在计费点加装 带有防倒装置的反向无功电能表，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。”根据此规定电气化铁道牵引负荷在牵弓 交电所 1 1 0 k v 电源侧，月平均功率因数应达到0 9 以上。 2 2 表以0 9 为标准值的功率因数调整电费 t宴际功率凰量 少 电 月t 叠蕞步( ， 羹0 b t实际功事困量 少 电月电舞增加( ， 置 薯实辱功年因羹 0 6 4 电 反以下 鲁 月电赍鼍少母陴怔n 1 电费增 m 韭塞塞适太堂童些亟堂鱼盈童2 ：送皇丕蕴功圣固熬回厘鳆堡迨婴荭 2 4 2 ，l 并联电容补偿装置 为提高牵引负荷的功率因数，可采用两种方式。一种方式是提高电力机车 的功率因数，对于交直传动的电力机车可在机车上设置无功功率补偿装置，实现 无功的就地补偿，对于交一直一交或交一交传动的电力机车，功率因数本身就很高， 达到0 9 1 ；另外一种方式是目前普遍采用的设置并联电容补偿装置，并补装置 可设置于牵引变电所2 7 5 k v 母线，这是目前普遍采用的方式，也可设置于馈线任 意位置，如分区所，这种情况宜采用可调补偿装置。 ( 1 ) 并联电容补偿装置容量计算 p l - i p t x 2 7 5 x c o s 2 - 3 3 i p t 供电臂计算电流 i p t - - i ( 1 q o ) 2 - 3 4 i 正常运行情况下供电臂电流 供电部门没有无功防倒送要求时 啡c 鼯一鼯 供电部门有无功防倒送要求时 q = p l 。( 1 酉一 c j 高r 。1 一 p l 平均有功功率 q o - 一牵引变电所无电概率， q o = ( 1 - p 1 ) “x ( 1 - p 2 ) p 1 为左侧供电臂正常运行情况下带电概率。 n 右侧供电臂区间数或追踪间隔数。 p 2 为右侧供电臂正常运行情况下带电概率。 n l 为右侧供电臂区间数或追踪间隔数。 c o 如牵引负荷功率因数，取o 8 2 c o $ 1 补偿前电源侧功率因数，取0 8 c o s 锄补偿后电源侧功率因数，取0 9 2 3 5 2 3 6 2 3 7 j 壶銮亟左堂童些亟堂鱼盈塞2 ：堡垒丕蕴功率固熬间题馥堡丝班塞 2 3 表电容器组主要参数 型号额定电压标称容量 相数串联数电容器组额 ( k v )( k v a r )定电压( k v ) b f m 1 0 ，5 1 0 0 1 w1 0 51 0 0 144 2 b f m 841 0 0 1 w 8 41 0 0143 3 6 b f m - 6 3 5 0 1 w 6 35 0 l1 27 5 6 为了限制并联电容投入时产生合闸涌流，并联电容装置一般都串有电抗器， 通过调整电抗器感抗与电容器容抗的比值( 该比值百分数称为电抗率) ，可形成高 次谐波滤除回路。电气化铁道在采用交一直传动时，供电系统中主要产生3 、5 、7 、 9 等次谐波，其中3 次谐波最大，为滤除3 次谐波，牵引变电所并联电容装置电抗 率普遍采用1 2 。同时，由于谐波的存在，需对电容器进行谐波过载能力的校核。 ( 2 ) 电容器的过载能力 国标g b 3 9 8 3 8 9 并联电容器对电容器的过载规定有四项内容：过电压、 过电流、过载容量、谐波过电压。 2 4 表电容器过电压规定 工频电压有效值 1 o1 1 01 1 51 2 01 3 0 ( u n ) 允许时间 长期长期 3 0 m i n 2 4 h5 m i nl m i n 谐波加工频电压。不超过电容器过电流的规定 电容器过电流规定：电容器在额定频率和额定正弦波电压下，其有效值电流 不大于1 3 倍额定电流。不能将该规定简单理解为工频加谐波电流有效值不大于 1 3 倍额定电流。在很多场合应结合电容器的运行状况才能作出判断。 电容器的过载容量规定：电容器在不超出过电流规定的条件下，最大容量不 大于1 3 5 q n 。 电容器的谐波过电压规定：工频加谐波电压不大于1 2 x 2u - n 。该值为电压 波形峰值，但各次谐波电压的峰值与相位有关，具有很大的随机性，通常以下式 计算： u l + y u 1 2 u 。 2 3 8 ( 3 ) 并联电 算h 偿装置谐波校核( 以额定电压为1 0 5k v 的电容器为例) 目前电气化铁道对并联电容器的谐波校核主要按下面两条进行： j e 基銮垣盔堂童些亟望焦盈塞2 ：送史丕统功率固熬回厘笪垄硷班塞 a 、电压校核 u , 1 + j c 3 + u c 5 + u c 7 1 1 u n2 - 3 9 u c l 、u b 、u c 5 、u c 7 分别为并联电容基波1 、3 、5 、7 次谐波电压值， u n 为并联电容的额定电压。 b 、电流校核 1 0 + i 毛+ i 毛+ i j 曼1 3 i n 2 - 4 0 b 、i c 3 、i c 5 、i c 7 分别为并联电容基波l 、3 、5 、7 次谐波电流值， i n 为并联电容的额定电流。 电容器上各次谐波电流、电压 i e l = 1 0 0 0 2 7 5 ( r e r 1 ) 2 - 4 1 i c 3 - - i _ l o 】( z _ 1 3 o ) ( z _ lx3 0 + 3 0xr l - r e 3 o ) 2 - 4 2 i c 5 - - i _ 1 1 1 】( z 1 5 o ) ( z _ lx5 0 + 5 0 ) ( r l - r c 5 0 2 - 4 3 i c 7 = i 一1 1 2 ( z _ l x 7 o ) ( z _ l x 7 o + 7 o x r l r c l 7 0 ) 2 - 4 4 u i l = i e lxl - c2 - 4 5 u 3 = i e 3 r c 32 - 4 6 u 5 = l e 5 r e 5 2 - 4 7 u 7 = i c 7 r c 72 - 4 8 i s - - - n 1 0 0 l o 5 2 4 9 u s - - 4 2 o 1 0 0 0 2 5 0 “一( 1 0 5 ) 2 x 1 0 0 0 l o o m1 2 5 1 r l = o 1 2 r c2 5 2 1 7 e 并联电容器组容抗值 r 1 并联电容装置中电感感抗值 i e l 并联电容组中基波电流值 i e 3 并联电容组中3 次谐波电流值 i e 5 并联电容组中5 次谐波电流值 i c 7 并联电容组中7 次谐波电流值 n 并联电容装置的并联数 zl 系统及变压器阻抗， 对于不同接线形式的变压器z1 的取值是不同的，具体说明如下： y d 1 1 三相牵引变压器 z1 = 2 ( x s + x b )2 5 3 4 j e 壶交道太堂童些亟堂僮迨塞2 ：垡皇丕练功奎固堑回题酸堡盈班珏 三相不等容牵引变压器 z1 - - 2 ( x s + x b ) 2 - 5 4 阻抗匹配平衡牵引变压器 z1 - - x s + x b 2 5 5 各式中 x s 系统阻抗 x b 变压器阻抗 u c l 并联电容基波电压值 u _ c 3 并联电容3 次谐波电压值 u c 5 并联电容5 次谐波电压值 u c 7 并联电容7 次谐波电压值 如谐波校验条件不能满足要求时1 1 值加l 然后根据新的n 值进行谐波校验， 如此反复，直至最终满足谐波校验条件为止。 2 4 2 2 、各种基础数据计算 供电臂带电概率为： p ：n i t - t n e n 。t 。一供电臂列车对数与供电臂列车带电运行时分 t - 全日计算时间( m i n ) ：n 一列车追踪间隔数 供电臂无电概率为： q = ( 1 一p ) 4 补偿电容安装容量计算 q 女= ( 1 - a ) ( u c u ) 。q a 一电抗比 u c 一电容器组电压 u 一母线电压 。一计算电容补偿容量 补偿电容实际安装容量 ， q 实铷q o m = qt n q o n 一电容器组串联数 q o 一一电容器标称容量 2 - 5 6 2 - 5 7 2 5 8 2 - 5 9 2 6 0 j b 墓銮亟左堂童些亟堂僮监塞2 ：堡皂丕统功空固筮间题的堡监硒嚣 列车带电平均概率p i = n x t g ( 1 4 4 0 一z ) 2 - 6 1 n ：列车对数( 可以为正常列车对数、紧密列车对数、平图能力对应列车对数、 按年运量计算出的列车对数) t g ：列车给电时分 z ：天窗时分 平均列车数m i = n t ( 1 4 4 0 一z ) 2 - 6 2 n ：列车对数( 可以为正常列车对数、紧密列车对数、平图能力对应列车对数、 按年运量计算出的列车对数) t ：列车走行时分 z ：天窗时分 列车带电平均电流i g i = 2 4x a t g 2 - 6 3 a ：耗电量 t g ：列车给电