铁路牵引供电功率因数的影响

铁路牵引供电功率因数的影响

徐钧

中国铁路哈尔滨局集团有限公司调度所 黑龙江省哈尔滨市 150000

摘要：功率因数是衡量电源利用效率的重要因素，也是影响牵引供电系统效率及输电线路末端网压的重要因素。 通过现场测试研究朔黄铁路牵引负荷对变电所功率因数的影响规律，发现牵引负荷对进线电源侧和馈线侧功率影 响方式存在较大的差异：电源侧功率因素随牵引负荷的增大.而减少，馈线侧功率因素随牵引负荷的增大而增大。 通过研究认为变电站无功补偿方式是造成该现象的主要原因。最后，对朔黄铁路如何改善电能质量及扩能提出了 建议。

关键词：朔黄铁路；牵引供电系统；功率因数；扩能；牵引负荷

1测试方案

本次牵引供电系统性能测试选取110 kV进线电源薄弱，系统短路容量小，线路纵断面坡度大，重车方 向供电臂列车带电平均电流大的牵引变电所和分区所 进行。此次测试分为SS,机车1+1编组方式和2+0编 组方式，1+1编组方式下机车位于万吨列车前部和中 部，过分相时间相隔大约1 min,2+0编组方式下两个 机车均位于万吨列车前部，过分相时间相隔仅约1 ~ 3 s,因此两个机车可以看作一个整体。测试时分为重 车与轻车,分别对应相同列车编组方式下满载与空载 时的情况。

1. 1测试设备

本次测试所用的主要设备包括4台DSA-2000型 综合电能分析装置,1台BDC-5电能质量监测仪。其 中3台DSA-2000型综合电能分析装置安装在3个牵 引变电所，1台DSA-2000型综合电能分析装置和 1台BDC-5电能质量监测仪安装在2个分区所。

测试设备接线:将需要测量的信号端子从中信盘、 变送器盘、保护盘上引出，分别与测试设备的电流/电 压输入模块的端子相连，对测试设备进行调试及参数 配置就可以进行数据采集了。不同地点的测试装置及 机车上、分相处、所内监测人员在测试前要进行时钟对 时，以保证测试的同步性。

本次变电所测试釆用的DSA-2000型（便携型） 综合电能分析装置可实现对30路电压、电流信号的同 时监测。

本次在分区所进行测试所采用的试验设备是 BDC-5电能质量监测仪,该装置能够同时监测8路电 压电流信号。

1.2测试数据

在试验中，使用电能分析装置釆集列车运行时的 电压、电流、列车运行区间功率因数及牵引变电所高压 侧功率因数等数据。

2牵引负荷对牵引变电所功率因数的影响 2. 1牵引负荷对进线电源侧的影响

在试验中，使用电能分析装置釆集列车运行时的 电压、电流、列车运行区间功率因数及牵引变电所高压 侧功率因数等数据。重载列车运 行后产生大量的无功功率，由于牵引变电所的电能是 从地方变电站获取，无功增加后造成电能质量下降，从 而导致进线电源容量的利用率下降，严重时可能造成 进线容量无法满足要求。根据朔黄铁路的特点，可以 将供电臂按地形分为3种：当该供电臂内线路地形以 单向坡道为主时，本文中称为爬坡地形；当供电臂内线 路地形以上下坡为主时，本文中称为山区丘陵地形；当 供电臂内线路较为平直时，本文中称为平原丘陵地形。

不管什么地形，变电所进线侧 功率因数90%以上的时间超过了 0.8,部分区段的功 率因数有50%以上的时间超过了 0. 9,因此变电所电的无功没有显著增加，对地方变电站的电能质量没 有太大的影响。

爬坡地形，由于该区段重载列方 向对应的是下坡,机车长期处于低功率牵引或惰行方 式运行，此时总牵引电流小，电源侧功率因数较高，丘陵地形，由于上下坡影响 机车的输出功率，功率因数变化较大。总体而言，牵引 变电所进线侧对应的功率因数与机车总输出功率有 关，总功率越大，功率因数越低。

可以看出，该现象与牵引变电所的 无功补偿有关，当牵引电流很小时，此 时所内补偿的容性无功功率大于机车产生的无功功 率,此时进线侧以容性无功为主，机车产生的无功功率远大于容性补偿无功功率，从而 导致系统的总功率因数下降。

2.2牵引负荷对馈线侧的影响

在馈线侧，重载列车产生的无功功率将直接造成 线路末端电压下降，影响正常行车，本节同样按3种地

爬坡地形，由于该区段重载列方 向对应的是下坡,机车长期处于低功率牵引或惰行方 式运行，此时总牵引电流小，馈线侧功率因数较低，丘陵地形，由于上下坡影响 机车的输出功率，功率因数变化较大。总体而言，牵引 变电所馈线侧对应的功率因数与机车总输出功率有 关，总功率越大，功率因数越高。

3重载铁路扩能方案分析

3. 1进线侧的扩能方案

进线电源的容量必需满足牵引负荷的要求，当不 增加进线电源的容量时，必需提高进线电源的利用率, 这与提高牵引变电所高压侧的功率因数，提高电能质 量的目标是一致的。从本次现场测试结果来看，牵引 负荷对进线电源利用率有一定的影响。

某区间不同牵引负荷对应的高压侧功率因数，从电源的利用情况分析，其总功率没有超出牵引变 电所设计功率，随着功率的增加，功率因数不断下降。 随着负荷的增加，无功功率所占 的比例增加，并从容性无功转变为感性无功，机车消耗 功率越大,感性无功随之增大。

对于重载铁路扩能改造,测试结果表明，在牵引负 荷较低的情况下,朔黄铁路总的容性无功补偿功率超 过了机车产生的感性无功功率，因此存在着过补偿现 象，但功率因数依然在0.9以上，满足电能质量的要 求。当牵引负荷超过10 000 kW时，功率因数降到了 0.9以下，而且随着负荷上升而下降的规律性明显。 因此根据本次测试结果，为了提高进线电源容量的利 用率,提高电能质量，可以考虑增加容性无功补偿装置 的补偿功率。

3.2进线侧的扩能方案

对比第2节可以看出，牵引变电所进线侧与馈线 侧功率因数同样与机车总输出功率有关，但二者的关 系正好相反，机车总输出功率对进线侧功率因数起抑 制作用，输出功率越大，功率因数越低；馈线侧机车总 输出功率越大，功率因数越高。造成该现象的主要原 因是，目前电容补偿装置安装在馈线侧，当机车处于低 功率牵引或惰行方式运行时，机车输出功率中有功功 率少，以无功为主，馈线侧的电容补偿功率小于机车无 功,导致馈线侧功率因数下降；当多出的无功功率经牵 引变压器传到高压侧后，其他馈线的电容补偿装置可 以对其进行补偿，导致进线侧功率因数高。当机车以 大功率牵引方式运行时，输出功率中有功功率占的比 重上升，馈线侧功率因数上升；由于输出功率增加后， 总的无功功率增加，变电所电容无法满足无功补偿的 需要，因此进线侧功率因数下降。

小负荷情况下 牵引电流较小，尽管功率因数低，但机车输出总功率 低，此时对牵引变电所容量占用及末端网压影响较小， 因此扩能改造时不能以小负荷下的功率因数作为依 据;大负荷情况下功率因数较高，此时牵引变电所容量 利用率较高，扩能改造时以提高大电流下线路容量及 末端网压为主要目标，此时机车功率因数趋向恒定，电 能质量改造可以参照此时机车的无功功率作为补偿 标准。

4结论

进行扩能改造是提高朔黄线路运输能力的重要措 施。功率因数是衡量电源利用效率和电能质量的重要 因素，重载列车开行后牵引负荷增加，对牵引供电系统 的功率因数造成重要的影响。牵引负荷对变电所进线 侧和馈线侧功率因数的影响规律并不相同，进线侧功 率因数随牵引负荷的增大而减小，馈线侧功率因数随 牵引负荷的增大而增大，但增大到一定程度后趋向定 值。造成该差异的原因是变电所补偿装置对进线与馈 线的补偿效果不同，馈线侧机车产生的无功功率主要 通过本馈线的电容进行补偿，而进线可以通过其他馈 线进行补偿。根据上述结果，对重载铁路进行扩能改 造时，不仅需要根据牵引负荷提高线路的载流能力，还 需要增加线路的无功补偿装置的功率，提高功率因数。 参考文献：

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