城际铁路10kV配电所无功补偿方案探讨与应用

宁玉琳，陈国庆，闫宏宇

（湖北城际铁路有限责任公司，湖北武汉430062）

1 引言

目前我国大规模建设的城际铁路，作为中等距离区域内的铁路客运系统，基本上以各省为投资主体，以省会城市为中心，连接省内人口密集的城市。城际铁路10kV配电所一般建设在城市区域，配电所10kV电源线基本采用电缆线路。由于城际铁路10kV配电所进线和馈线均采用电缆线路，配电所内出现容性无功功率，此时向地方电网反送的容性无功很大。配电所的无功补偿设计只考虑了馈出贯通线电容无功，没有考虑进线电缆的电容无功。这导致配电所内显示功率因数达到补偿要求，但在电力部门计费端的功率因数没有达到补偿标准，需承担功率因数考核电费。以湖北城际铁路已开通的武汉至黄冈城际铁路黄冈东10kV配电所为例，配电所的用电计量装置安装在供电公司变电站的馈线柜内。自2014年6月份开通以来，黄冈东10kV配电所安装的自动投切无功补偿装置运行正常，配电所所内功率因数经补偿后达到0.9以上，但供电公司计费的平均功率因数基本在0.7-0.8之间，达不到考核标准值0.85，每月需额外缴纳一定的功率因数调整电费。根据城际铁路10kV配电所的运行特点，研究并优化其无功补偿方案以提高功率因数具有非常重要的现实意义。

2 城际铁路配电所原无功补偿配置及功率因数

2.1 城际铁路10kV电力系统无功补偿配置

城际铁路10kV电力系统采取10kV贯通线路固定电抗器补偿和配电所动态补偿相结合的补偿方式。图1所示是湖北城际铁路武汉至黄冈（简称武冈）城际铁路电力系统图。

图1 武汉至黄冈城际铁路电力系统图

城际铁路贯通电力线路采用3根YJV62-8.7/10kV单芯50mm2或70mm2铜芯电缆，通过查电缆手册，该电缆每公里电容量为0.339μF。一般区间约10km设置一台箱式电抗器补偿线路电缆电容无功。一般补偿度按照75%进行补偿。

武汉至黄冈城际铁路线路全长36km，区间线路设固定补偿用电抗器2台，每台76kVar，补偿贯通电缆线路电容无功。

在黄冈东10kV配电所设分组投切电抗器，根据配电所运行实测功率因数自动投切电抗器，进行动态补偿，使功率因数达到0.85以上。其中一级贯通线母线段分组投切电抗器分3组，容量分别为30kVar、60kVar和120kVar；综合贯通母线段分组投切电抗器分3组，容量分别为30kVar、60kVar和120kVar。

通过实时监测黄冈东10kV配电所的功率因数数据，对比分析查找到了功率因数偏低的原因，并采取措施提高了配电所的功率因数，节省了每月上缴的功率因数考核电费，降低了运行成本。

2.2 城际铁路10kV电力系统功率因数

城际铁路10kV配电所从地方变电站10kV专盘专线接引电源，在地方变电站馈出盘安装计费装置。计费方式执行功率因数调整电费，考核标准为0.85，计量电表无功电量为正反向无功电量的绝对值总量。

黄冈东10kV配电所两路电源线分别由地方路口变电站和杨鹰岭变电站专盘专线接引，两路电源线的数据如表1所示。

表1 黄冈东10kV配电所电源线基础数据

在所有设备正常运行情况下，人工投切补偿电抗器补偿容量，对黄冈东配电所和地方变电站对应出线的功率因数进行监测，监测数据如表2所示。

表2 黄冈东10kV配电所功率因数监测数据

3 提高功率因数的补偿方案

3.1 原设计补偿方案的不足

城际铁路10kV配电所电力系统设计补偿方案是基于补偿城际铁路10kV配电系统的无功功率而设计，即补偿范围为配电所10kV电源进线端至出线线路末端整个系统，不包含从地方变电站出线端至10kV配电所之间的电源线路。

配电所安装的自动投切无功补偿装置检测从本配电所进线至负载的功率因数，根据检测结果自动进行补偿，经补偿后配电所显示功率因数在0.9以上。由于配电所进线电源线路为电缆线路，该电缆线路产生容性无功功率，使地方变电所出线端功率因数相对较低。

从表2可以看出，无功补偿装置采样补偿点为10kV配电所电源进线端，考核点在地方变电站出线端，采样点和考核点不一致，监测得到的功率因数数据也不同。无功补偿装置在自动投切状态，监测路口电源线，配电所内的功率因数为1，自动无功补偿装置不投入电抗器，但地方变电站的功率因数只有0.209；监测杨鹰岭电源线，自动无功补偿装置投入电抗器60kVA，配电所内的功率因数为0.95，而地方变电站的功率因数仅0.513。

因此，原设计无功补偿方案没有考虑电源线路的电缆容性无功，造成配电所补偿后功率因数满足要求，但电源线路接入点即电表安装处的功率因数偏低。

3.2 提高功率因数的改进措施

配电所功率因数补偿装置的设计采用固定补偿加自动补偿的补偿方案，其中自动无功补偿装置补偿配电所进线开关柜以内，10kV电力系统的无功，固定无功补偿装置补偿配电所10kV电源线路电容，即地方变电站出线至配电所进线开关柜的电力电缆线路，架空线路段可不考虑。补偿装置示意图如图2所示。

图2 黄冈东10kV配电所补偿示意图

固定补偿装置考虑和动态补偿装置均安装在所内，但补偿采样点不同，自动无功补偿装置采样配电所进线开关柜内的电压和电流，但固定补偿装置采样的是进线电源线的电压和电流。黄冈东10kV配电所内补偿如图3和图4所示。

图3 黄冈东10kV配电所补偿前示意图

图4 黄冈东10kV配电所补偿后示意图

3.3 固定补偿装置的容量计算

黄冈东10kV配电所电源线路使用的架空导线JKLGYJ-240的绝缘导线，电缆为YJV22-8.7/10kV 3×240的高压电缆。3×240的电缆线路电容量为C0=0.339μF/km。架空线路电容量非常小，暂忽略不计。

路口电源线：

电容C=8.07km×0.339μF/km=2.7357μF Xc=1/2πfC=1/2×3.14×50×2.7357μF=1164.13Ω

线路的无功Q=U2/Xc=10×10×106V/1164.13Ω=85.89kVar

根据计算结果，路口电源线固定补偿电容可设定为90kVar。

杨鹰岭电源线：

电容C=10.485km×0.339μF/km=3.5544μF Xc=1/2πfC=1/2×3.14×50×3.5544μF=895.99Ω

线路的无功Q=U2/Xc=10×10×106V/895.99Ω=116.28kVar

根据计算结果，杨鹰岭电源线固定补偿电容可设定为120kVar。

3.4 数据分析

从表2可以看出，对于路口电源线，当10kV配电所内的功率因数为1时，地方变电站的功率因数只有0.209；当10kV配电所内的功率因数为0.18时，地方变电站的功率因数只有0.996，如果手动加大用户侧的无功补偿量，使其考核点的功率因数提高到0.9以上，需额外增加无功补偿Q=90kVar，这部分补偿的无功正好补偿了电源线线路的无功，和计算得到的线路无功Q=85.89kVar基本差不多；对于杨鹰岭电源线，当10kV配电所内的功率因数为0.95时，地方变电站的功率因数只有0.513；当10kV配电所内的功率因数为0.79时，地方变电站的功率因数为0.95。如果手动加大用户侧的无功补偿量，使其考核点的功率因数提高到0.9以上，需额外增加无功补偿Q=120kVar，这部分补偿的无功正好补偿了电源线线路的无功，和计算得到的线路无功Q=116.28kVar基本差不多。

通过人工投切试验证明，按照上述计算结果配置无功补偿容量，黄冈东配电所功率因数可达0.85以上。通过分析对比，对于长距离的供电电源线路，如果在用户侧配电所加一个固定的无功补偿装置，专门用来补偿电源线路上的无功，将能保证考核点的功率因数达到考核的标准，消除了用户侧存在自动无功补偿装置还存在功率因数考核电费的烦恼。

4 结束语

城际铁路10kV配电所基本建设在城市内，电源进线多采用电缆，且电缆线路距离较长。电源电缆线路容性无功大大降低铁路电力系统在计费点的功率因数。

城际铁路10kV电力系统的无功主要由一级、综合贯通电缆容性无功，负载的感性无功和电源线容性无功构成。城际铁路配电所的进线电源电缆线路的容性无功不容忽视。

城际铁路一级、综合贯通电缆容性无功和负载感性无功由贯通线路固定电抗器和配电所动态补偿装置补偿。动态无功补偿可根据负载的变化自动投切补偿容量。

配电所电源电缆线路的容性无功在电源线路设计、施工完成后其容量基本不变，后期考虑在配电所采用固定容量进行补偿。

本文所探讨的无功补偿方案可有效提高城际铁路10kV电力系统的功率因数，解决了用户侧采取无功补偿装置仍存在功率因数考核电费的问题，能较好地满足国家电网对功率因数的要求，减少功率因数考核电费的支出和线路损耗，降低铁路运营的成本。

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