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摘要：功率因數不高作为影响电力工作的重要内容，不仅困扰了电力系统运行，对国家电力资源也造成了极大的浪费。针对这种现象，很多电力部门采取补偿电容装置的方式，增强功率因数，但是实际效果并不太理想。本文结合牵引变电所中动态无功补偿装置，对TCR动态无功补偿装置原理、结构特征以及在电气化铁路牵引变电所的应用效果进行了简要的探讨和分析。
关键字：牵引变电所；电力系统；功率因数；无功补偿
Abstract: Low power factor as an important content in power work, not only affects the operation of power system, the state power resources has caused great waste. According to this phenomenon, many electric power department to take the compensation capacitor device, enhancing power factor, but the actual effect is not very ideal. This combination of traction substation in dynamic wattless compensation device, the TCR dynamic idle compensation device principle, structure characteristics and application effect of the electrified railway traction substation are discussed and analyzed in brief.
Key words: substation; power system; power factor; wattless power compensation
中图分类号:
电力工业在《供电营业规则》中明确规定：无功电力必须就地平衡。用户在增强自然用电功率因数的条件中，必须根据相关标准进行，安装对应的无功补偿设备，并且做到随着电压或者无功进行切除或者投入，从而有效控制无功电力倒送。当地用户在供电单位规定的用电负荷高峰中，100KVA或者以上的供电功率因数必须在0.90以上，并且根据力率进行电价调整。也就是说，功率因数每小于规定值的0.01时，就会给予当月电费运营0.5%的处罚；而每高于规定值，给予当月电费运营0.15%的奖励，最高可以达到0.75%的奖励。电力单位为了控制无功负荷注入与牵引变电所使用，使用正计反供的计量形式，在绝对值相加的过程中，进行无功电量计算。在这过程中，无形的为无功补偿装置增加了难度，不管无功状态是低于补偿容量，还是大于欠补状态，都会让无功电量累计，进而严重影响功率因数，造成不良后果。电气化铁路牵引，让电力机车成为供电对象，由于电力机车使用的是单相交转动系统，牵引负荷具有非线性、随机波动明显等特征，从而让电力系统出现高谐波分量、低功率因数的现象。因此，在牵引变电所设计中，通常使用电容并联的无功补偿装置，增强高次谐波吸收和功率系数。
无功补偿装置工作原理
电力系统的牵引负荷在实际应用中，具有波动性、不对称、非线性等特征，通过三相不平衡的基波电流和谐波电流进入系统，再推动电力系统电压波动。在电气化质量控制中，无功补偿的目标是降低电压变动；抑制谐波，主要应用在7、5、3次谐波中。由于固定补偿造价便宜、经验成熟，更加经济可靠，所以在变电所中被广泛应用。
目前，我国很多牵引变电所已经在27.5KV的母线上，直接安装了TCR动态无功补偿装置，它不仅能满足变电所负荷变化迅速、负荷率低等要求，还可以快速、平滑的进行无功自动调节。由于精度控制准确，拥有良好的可靠性，和固定补偿相比，拥有明显优势，所以能在解决电气系统无功补偿的同时，进一步提高电力单位经济效益。
该装置主要包括FC（滤波器）和TCR（晶闸管电抗器）。其中，TCR主要由全数字控制、晶闸管阀和27.5KV的电抗器、相控保护系统以及故障自诊系统构成，进而为电力系统提供更加稳定的无功功率，滤除谐波。TCR晶闸管电抗器动态无功补偿装置通过晶闸管反并联导通角，调整电抗器补偿电流；在和固定电容器结合补偿的同时，控制无功变化，达到无功补偿自动实时的目标。
在整个牵引供电系统中，机电负荷一般是变化的感性负荷，Qv表示无功，Pv表示有功。当FC和TCR并联到供电系统（27.5KV）时，根据对应的功率理论知识，FC部分的容性变成无功性Qc，与此同时，连续可变的TCR部分变成无功感性的QTCR，进线性变压器提供的无功QN变成：QN=Qv-Qc+QTCR。通过该式可以知道，只要调节QTCR就能让某一固定值大于等于QN，甚至说如果QN=0，就能让其从理论推断中，得到功率因数1。另外，补偿效果也将会直接影响晶闸管控制的触发角，得到流过电抗器补偿所需电流。
在这过程中，根据单相供电特殊性，使用单相补偿的方法，也就是在A、B两个母线中安装TCR动态补偿直挂装置，不管容量规格相同与否，都对A、B两段母线进行动态补偿。
动态无功补偿装置构成
该装置主要由晶闸管阀组、控制系统、滤波器、电抗补偿器以及其他设施构成。
无功补偿装置的控制系统
该系统的主要作用是进行电网无功检测，通过运算控制，进而形成脉冲脉发；在可控硅触发的过程中，保障无功补偿作用。通过检查系统状态，保障各项保护功能。在数据采集中，数据采集将CT2、CT1、PT相关信号转换成电压信号；通过前置处理，让其形成综合性负荷、同步信号以及相控电流电压器信号，对控制部分进行运算控制，对保护部分进行过流保护欲预算控制。
在运算控制中，经过控制运算，明确晶闸管各个导通角，生成触发信号；当其转变成光信号后，再利用放大脉冲功能，生成电信号，并且传输给功率阀组。在保护部分，晶闸管阀组的主要功能是将状态信息传输给检测击穿的区域，检测击穿区域综合各种信号，生成检测状态再传输到保护状态；保护部分通过判断系统击穿、脉冲、过流故障，再根据具体情况，进行作业跳闸或者故障报警，并且显示出各种故障形式。
在技术参数控制中，控制方式一般是双CPU全数字的控制系统；触发方式为光磁或者光电隔离，响应时间通常小于20ms；保护方式则是微机保护或者光电隔离。
晶闸管阀组
该阀组的作用是通过控制器脉冲信号，让晶闸管阀组晶闸管各个门极得到控制，进而让晶闸管根据电力系统要求，进行导通，转变导通角度；通过控制和它串联的各种电流电抗器，让无功功率从根本上得到控制。从组成来看，主要包括热管散热器、晶闸管组件、变压脉冲器、管壁吸收板、主容吸收版、高压隔离组件以及击穿检测器等。在冷却方式中，通常使用热管散热的自冷方式。
TCR电抗器与FC滤波系统
TCR电抗器的主要作用是，作为被控制的对象，由电流控制的功率阀组通过，进而生成连续可变的无功感性QTCR。主要类型包括双线圈和干式空芯。FC滤波系统的作用则是，向电力系统提供更加恒定的无功功率，也包括部分滤波。从组成来看，主要由滤波电抗器和电容器串联组成，滤波电抗器为干式双线圈，电容器一般是滤波性电容器。
另外，它也包括：保护屏、避雷器、隔离类开关、控制屏、电源净化、放点线圈、配套设施、辅助材料和电流互感器等。
牵引变电所中动态无功补偿装置特点与应用效果
（一）装置特点
在牵引变电所动态无功装置中，使用了多点采样与控制预测的算法，通过在系统软件中增加数字型滤波相关措施，避免对系统组成干扰，保障整个算法控制中的可靠性与精度。同时，控制系统还使用了脉冲、电源、电抗器过流、温度阀组、晶闸管击穿等保护方式，为电力系统提供更加健全的保护策略，一旦系统出现意外，能及时作出反应和应对。通过N+3的晶闸管串冗余设计，进一步增强运行装置的可靠性与安全性。
在系统软件、硬件方面，为了让其进行无功动态自动连续补偿，使用了抗干扰措施，功率因数始终大于0.92，动态响应周期低于20ms。同时，还可以对7、5、3次谐波进行全面综合的治理控制；通过控制电压变动，在增强电能质量的同时，进一步加大供电牵引能力。而装置在27.5KV的母线，由于自身耗能相对较小，所以不需要任何降压设施，一端直接挂网就可以。
另外，该装置还使用了自冷热管技术，在免维护运行的过程中，进一步增强系统运行的可靠性和安全性。
（二）牵引变电所中动态无功补偿装置的应用效果
根据相关数据显示：我国电气化系统牵引变电所已经超过500座，而且50%的变电所由于功率数相对较低，已经缴纳了不同数量的罚款。2002年全路向地方就缴纳了6800多万元的罚款，当时的全路牵引不足400座。为了避免由于功率系数造成的罚款问题，我国电力部门积极组织试验和科研工作，在研制出动态无功补偿TCR装置后，得到了良好的应用效果。
某牵引变电所的容量为2x(20+25）MVA，用于计算供电臂无功补偿的牵引馈线电流分别为987.28和921.62A，带电概率分别为0.1349和0.1465。该线路是典型的线路坡度大、牵引质量高的电气化线路，由于各项设施运行状态良好，所以在经济效益与节能降耗中都取得了良好的应用成果。
经过具体计算可知：由于功率因数上升，每年都可以因为功率因数节省60多万元电费，电路供电损耗为1.75万元。因为变电器容量利用程度增强，该装置由于系统需要每年的自身损耗都会达到3.9多万元，总体节能将近200万元。同时，该装置被利用后，不仅减小了电网波动，增强了接触性网压，对转变电能供电质量，节省电能资源、减小运营成本也起到了很大的作用。
结束语:
动态无功效补偿装置作为一项系统复杂的应用装置，在牵引变电所应用中，对增强牵引网压和功率系数，滤除谐波具有重要作用。因此，在实际工作中，必须根据装置原理、构成与特点，不断完善变电所无功补偿装置，增强装置应用效益和社会效益，为社会提供更优质、更可靠的服务。
参考文献：
[1] 曹建设.谐振引起的牵引变电所无功动补投切故障分析[J].电力自动化设备,2011,31(3):94-97,102.
[2] 杲秀芳.牵引变电所动态无功补偿方案设计研究[J].电力学报,2009,24(5):367-369,379.
[3] 蔣涛,张言伟,陈晓红等.牵引变电所磁控电抗器式动态无功补偿装置应用研究[J].中国铁路,2013,(2):74-76.
[4] 迟美丹.电气化铁道动态无功补偿装置的应用及事故案例分析[D].北京交通大学,2009.
[5] 刘雄军.关于一种新型动态无功补偿装置应用的研究与探讨[J].科园月刊,2008,(6):93-95.
[6] 曹进珍.牵引变电所无功动态并联综合补偿装置设计与实践[J].内蒙古煤炭经济,2010,(1):87-88.
关键字：牵引变电所；电力系统；功率因数；无功补偿
Abstract: Low power factor as an important content in power work, not only affects the operation of power system, the state power resources has caused great waste. According to this phenomenon, many electric power department to take the compensation capacitor device, enhancing power factor, but the actual effect is not very ideal. This combination of traction substation in dynamic wattless compensation device, the TCR dynamic idle compensation device principle, structure characteristics and application effect of the electrified railway traction substation are discussed and analyzed in brief.
Key words: substation; power system; power factor; wattless power compensation
中图分类号:
电力工业在《供电营业规则》中明确规定：无功电力必须就地平衡。用户在增强自然用电功率因数的条件中，必须根据相关标准进行，安装对应的无功补偿设备，并且做到随着电压或者无功进行切除或者投入，从而有效控制无功电力倒送。当地用户在供电单位规定的用电负荷高峰中，100KVA或者以上的供电功率因数必须在0.90以上，并且根据力率进行电价调整。也就是说，功率因数每小于规定值的0.01时，就会给予当月电费运营0.5%的处罚；而每高于规定值，给予当月电费运营0.15%的奖励，最高可以达到0.75%的奖励。电力单位为了控制无功负荷注入与牵引变电所使用，使用正计反供的计量形式，在绝对值相加的过程中，进行无功电量计算。在这过程中，无形的为无功补偿装置增加了难度，不管无功状态是低于补偿容量，还是大于欠补状态，都会让无功电量累计，进而严重影响功率因数，造成不良后果。电气化铁路牵引，让电力机车成为供电对象，由于电力机车使用的是单相交转动系统，牵引负荷具有非线性、随机波动明显等特征，从而让电力系统出现高谐波分量、低功率因数的现象。因此，在牵引变电所设计中，通常使用电容并联的无功补偿装置，增强高次谐波吸收和功率系数。
无功补偿装置工作原理
电力系统的牵引负荷在实际应用中，具有波动性、不对称、非线性等特征，通过三相不平衡的基波电流和谐波电流进入系统，再推动电力系统电压波动。在电气化质量控制中，无功补偿的目标是降低电压变动；抑制谐波，主要应用在7、5、3次谐波中。由于固定补偿造价便宜、经验成熟，更加经济可靠，所以在变电所中被广泛应用。
目前，我国很多牵引变电所已经在27.5KV的母线上，直接安装了TCR动态无功补偿装置，它不仅能满足变电所负荷变化迅速、负荷率低等要求，还可以快速、平滑的进行无功自动调节。由于精度控制准确，拥有良好的可靠性，和固定补偿相比，拥有明显优势，所以能在解决电气系统无功补偿的同时，进一步提高电力单位经济效益。
该装置主要包括FC（滤波器）和TCR（晶闸管电抗器）。其中，TCR主要由全数字控制、晶闸管阀和27.5KV的电抗器、相控保护系统以及故障自诊系统构成，进而为电力系统提供更加稳定的无功功率，滤除谐波。TCR晶闸管电抗器动态无功补偿装置通过晶闸管反并联导通角，调整电抗器补偿电流；在和固定电容器结合补偿的同时，控制无功变化，达到无功补偿自动实时的目标。
在整个牵引供电系统中，机电负荷一般是变化的感性负荷，Qv表示无功，Pv表示有功。当FC和TCR并联到供电系统（27.5KV）时，根据对应的功率理论知识，FC部分的容性变成无功性Qc，与此同时，连续可变的TCR部分变成无功感性的QTCR，进线性变压器提供的无功QN变成：QN=Qv-Qc+QTCR。通过该式可以知道，只要调节QTCR就能让某一固定值大于等于QN，甚至说如果QN=0，就能让其从理论推断中，得到功率因数1。另外，补偿效果也将会直接影响晶闸管控制的触发角，得到流过电抗器补偿所需电流。
在这过程中，根据单相供电特殊性，使用单相补偿的方法，也就是在A、B两个母线中安装TCR动态补偿直挂装置，不管容量规格相同与否，都对A、B两段母线进行动态补偿。
动态无功补偿装置构成
该装置主要由晶闸管阀组、控制系统、滤波器、电抗补偿器以及其他设施构成。
无功补偿装置的控制系统
该系统的主要作用是进行电网无功检测，通过运算控制，进而形成脉冲脉发；在可控硅触发的过程中，保障无功补偿作用。通过检查系统状态，保障各项保护功能。在数据采集中，数据采集将CT2、CT1、PT相关信号转换成电压信号；通过前置处理，让其形成综合性负荷、同步信号以及相控电流电压器信号，对控制部分进行运算控制，对保护部分进行过流保护欲预算控制。
在运算控制中，经过控制运算，明确晶闸管各个导通角，生成触发信号；当其转变成光信号后，再利用放大脉冲功能，生成电信号，并且传输给功率阀组。在保护部分，晶闸管阀组的主要功能是将状态信息传输给检测击穿的区域，检测击穿区域综合各种信号，生成检测状态再传输到保护状态；保护部分通过判断系统击穿、脉冲、过流故障，再根据具体情况，进行作业跳闸或者故障报警，并且显示出各种故障形式。
在技术参数控制中，控制方式一般是双CPU全数字的控制系统；触发方式为光磁或者光电隔离，响应时间通常小于20ms；保护方式则是微机保护或者光电隔离。
晶闸管阀组
该阀组的作用是通过控制器脉冲信号，让晶闸管阀组晶闸管各个门极得到控制，进而让晶闸管根据电力系统要求，进行导通，转变导通角度；通过控制和它串联的各种电流电抗器，让无功功率从根本上得到控制。从组成来看，主要包括热管散热器、晶闸管组件、变压脉冲器、管壁吸收板、主容吸收版、高压隔离组件以及击穿检测器等。在冷却方式中，通常使用热管散热的自冷方式。
TCR电抗器与FC滤波系统
TCR电抗器的主要作用是，作为被控制的对象，由电流控制的功率阀组通过，进而生成连续可变的无功感性QTCR。主要类型包括双线圈和干式空芯。FC滤波系统的作用则是，向电力系统提供更加恒定的无功功率，也包括部分滤波。从组成来看，主要由滤波电抗器和电容器串联组成，滤波电抗器为干式双线圈，电容器一般是滤波性电容器。
另外，它也包括：保护屏、避雷器、隔离类开关、控制屏、电源净化、放点线圈、配套设施、辅助材料和电流互感器等。
牵引变电所中动态无功补偿装置特点与应用效果
（一）装置特点
在牵引变电所动态无功装置中，使用了多点采样与控制预测的算法，通过在系统软件中增加数字型滤波相关措施，避免对系统组成干扰，保障整个算法控制中的可靠性与精度。同时，控制系统还使用了脉冲、电源、电抗器过流、温度阀组、晶闸管击穿等保护方式，为电力系统提供更加健全的保护策略，一旦系统出现意外，能及时作出反应和应对。通过N+3的晶闸管串冗余设计，进一步增强运行装置的可靠性与安全性。
在系统软件、硬件方面，为了让其进行无功动态自动连续补偿，使用了抗干扰措施，功率因数始终大于0.92，动态响应周期低于20ms。同时，还可以对7、5、3次谐波进行全面综合的治理控制；通过控制电压变动，在增强电能质量的同时，进一步加大供电牵引能力。而装置在27.5KV的母线，由于自身耗能相对较小，所以不需要任何降压设施，一端直接挂网就可以。
另外，该装置还使用了自冷热管技术，在免维护运行的过程中，进一步增强系统运行的可靠性和安全性。
（二）牵引变电所中动态无功补偿装置的应用效果
根据相关数据显示：我国电气化系统牵引变电所已经超过500座，而且50%的变电所由于功率数相对较低，已经缴纳了不同数量的罚款。2002年全路向地方就缴纳了6800多万元的罚款，当时的全路牵引不足400座。为了避免由于功率系数造成的罚款问题，我国电力部门积极组织试验和科研工作，在研制出动态无功补偿TCR装置后，得到了良好的应用效果。
某牵引变电所的容量为2x(20+25）MVA，用于计算供电臂无功补偿的牵引馈线电流分别为987.28和921.62A，带电概率分别为0.1349和0.1465。该线路是典型的线路坡度大、牵引质量高的电气化线路，由于各项设施运行状态良好，所以在经济效益与节能降耗中都取得了良好的应用成果。
经过具体计算可知：由于功率因数上升，每年都可以因为功率因数节省60多万元电费，电路供电损耗为1.75万元。因为变电器容量利用程度增强，该装置由于系统需要每年的自身损耗都会达到3.9多万元，总体节能将近200万元。同时，该装置被利用后，不仅减小了电网波动，增强了接触性网压，对转变电能供电质量，节省电能资源、减小运营成本也起到了很大的作用。
结束语:
动态无功效补偿装置作为一项系统复杂的应用装置，在牵引变电所应用中，对增强牵引网压和功率系数，滤除谐波具有重要作用。因此，在实际工作中，必须根据装置原理、构成与特点，不断完善变电所无功补偿装置，增强装置应用效益和社会效益，为社会提供更优质、更可靠的服务。
参考文献：
[1] 曹建设.谐振引起的牵引变电所无功动补投切故障分析[J].电力自动化设备,2011,31(3):94-97,102.
[2] 杲秀芳.牵引变电所动态无功补偿方案设计研究[J].电力学报,2009,24(5):367-369,379.
[3] 蔣涛,张言伟,陈晓红等.牵引变电所磁控电抗器式动态无功补偿装置应用研究[J].中国铁路,2013,(2):74-76.
[4] 迟美丹.电气化铁道动态无功补偿装置的应用及事故案例分析[D].北京交通大学,2009.
[5] 刘雄军.关于一种新型动态无功补偿装置应用的研究与探讨[J].科园月刊,2008,(6):93-95.
[6] 曹进珍.牵引变电所无功动态并联综合补偿装置设计与实践[J].内蒙古煤炭经济,2010,(1):87-88.