【摘 要】 文章阐述了无功补偿的重要性，从无功补偿的发展介绍了各种补偿的特点，重点介绍静止无功补偿装置SVC，最后分析大准线SVC系统常见故障及处理措施，提高对SVC系统的维护和检修能力。

【关键词】 无功补偿 静止无功补偿装置 SVC TCR

大准电气化铁路是国家“八五”计划重点建设项目“准格尔项目一期工程”三大主体工程之一，东起山西省大同市，西至内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗薛家湾，正线全长264公里，属一级单线电气化铁路，设计年运输能力1500万吨，2008年完成扩建改造后运输能力已达到7500万吨，是目前我国第二条开行万吨列车的铁路，远景规划可达到1-1.5亿吨的运输能力。由于电气化铁路靠电力机车牵引，电力机车使用工频单相式交流供电，它采用了大功率电力电子装置，是典型的负序源，属于冲击性负荷，具有启动过程快、从零功率到额定功率的变化时间极短，且频繁吸收大量动态无功功率等特点，从而引起牵引变电所母线电压快速波动，负荷波动大，容易产生大量的高次谐波。对于电力系统来说，电气化铁路牵引负荷这种非线性、不对称和多变性的特点，产生三相不平衡的谐波电流和基波负序电流注入系统，将使供电系统的电压产生波动，不仅造成功率因数较低，还影响电网电压稳定，引起电网质量下降，严重时影响带载设备的安全运行，降低了生产效率。随着准能公司煤炭外运能力的不断加大，变电所的功率因数降低到了0.9以下，由于电压波动幅度大严重影响了供电质量，利率罚款严重，2010年高达16.09万元。因此，电气化无功补偿改造已迫在眉睫。

1 无功补偿的作用

无功补偿的作用主要有以下三点：

（1）提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗，减少利率罚款；

（2）稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补充装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力；

（3）在电气化铁路等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。

电力系统网络元件的阻抗主要是感性的，无论网络元件还是负载大多都是消耗无功功率，它们都必须从网络中某个地方来获取所需的无功功率，显然如果需的无功功率都要有发电机经过长距离输送来提供时很不合理的，这种方法也通常是不可能的。合理的方法就是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，及无功补偿。

补偿无功功率可以减少电压损失，线路的电压损失可由公式求出，可以看出，影响ΔU的因素有四个：线路的有功功率P、无功功率Q、电阻R和电抗X。一般情况下电网中的电阻R要远远小于电抗X，所以有功功率P的波动对电压的影响较小，而无功功率Q可以引起较大的电网波动。尤其是用电设备在启动时，产生的冲击性无功功率，易导致电网电压剧烈波动。若采用容抗为XC的电容来补偿，则电压损失为，提高功率因数后，ΔU减小，改善电压质量。

补偿无功功率可以降低线损，当线路通过电流I时，其有功损耗为ΔP=3I2R×10-3（kw）或ΔP=3I2R×10-3

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可见，线路损耗ΔP与cos2Φ成反比，cosΦ越高，ΔP越小。

补偿无功功率还可以增加电网中有功功率的比例常数，提高传输能力。由P=ScosΦ可以看出，在有功功率一定的条件下，cosΦ越高，所需视在功率越小，减少了设计容量和投资，增加电网中有功功率的输送比例。减少发、供电设备的设计容量，减少投资，直接决定和影响着供电企业的经济效益。

例如当功率因数cosΦ1=0.8增加到cosΦ2=0.95时，装1Kvar电容器可节省设备容量0.52KW；反之，增加0.52KW对原有设备而言，相当于增大了发、供电设备容量。所以，功率因数是考核经济效益的重要指标，对新建、改建工程，应充分考虑无功补偿，以减少设计容量，从而减少投资。

对电气化铁路而言，电力机车的平均功率因数为0.84，牵引变电所110KV电源侧功率因数，由于受到牵引供电网阻抗和牵引变压器阻抗的影响，仅为0.75-0.78。《全国供用电规则》第4.3条规定：无功电力应就地平衡；高压供电用的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户，功率因数应在0.9以上。当用户（以电气化铁路为例）功率因数比规定标准低0.05时，须追加2.5%的电费罚款。大准铁路因功率因数低导致的罚款约占每年电费的1%。

电气化铁路由功率因数（110KV电源侧）较低的实际出发，以降低铁道运营费为目的，一般采用在牵引变电所27.5（55）KV侧安装并联电容无功补偿装置，这些均是不可调的固定补偿设备，它具有功率损耗小，安装简单维护方便等特点。

2 无功补偿的发展

无功补偿技术大致经过了以下几个阶段：

2.1 并联电容器

在20世纪30年代，在一些无功功率消耗较大的系统中出现了最早的无功补偿装置——并联电容器，它通过吸收系统的容性无功来补偿感性无功，提升局部电压，特点是结构简单、经济实用。缺点是：一组电容器安装好后，电容量固定，不能实现动态补偿无功功率。

2.2 同步调相机

与并联电容器同一时期还出现另一种可以达到动态补偿无功功率的装置——同步调相机，它是一种特制的同步电机，轴上不带负载，专门用来补偿无功功率。缺点是运行中的损耗和噪声较大，维护复杂，而且响应速度慢，难以满足无功补偿快速响应的要求。

2.3 磁饱和电抗器

20世纪60年代前后，出现一种特殊电抗器——磁饱和电抗器，它通过自身的可调电感或控制绕组中的工作电流完成对无功电流的控制。该装置的缺点是：饱和电抗器造价高，铁芯损耗大，噪声和震动大，调整时间长，动态补偿速度慢等。到目前为止，它的应用较少，一般只在超高压输电线路中才使用。

2.4 静止无功补偿装置（SVC）和静止无功发生器（SVG）

随着晶闸管制造工艺技术的日益完善，以晶闸管为主回路核心器件的静止无功补偿装置（StaticVarCompensator_SVC）因为能满足连续、快速的功率因数补偿，且经济易实现，因而得到前所未有的推广。其补偿过程是动态的，既可根据负载无功功率的需求完成调节或投切功能，又采用模拟式控制器，远比机械设备动作要快，大准铁路有5个牵引变电所采用这种补偿方式。

可控硅投切电容器的动态补偿装置已经在工业现场得到了普遍应用，技术比较成熟，也取得了比较好的补偿效果。但是，这类补偿设备一般采用分组分级投切的方式，电容器分组容量及投切容量很难达到与系统无功完全平衡，为避免电容器投入后出现过补，总会有一部分系统无功得不到补偿，即无法实现无功百分之百的补偿。20世纪80年代以来，出现自换相变流电路的无功补偿装置——静止无功发生器（Static Var Cenersator_SVG，也有人称之为高级静止无功补偿器ACVC火灾静止调相器）。该装置具有体积小、响应速度快等特点。可以在感性到容性的整个范围内进行连续的无极调节，在欠压条件下仍然可以有效地发出无功功率等优点。该装置有效地解决了补偿不连续、容量存在级差的问题，实现了对无功的完全实时补偿，并能够保证补偿后的功率因数全程为1。但该装置尚在研发阶段，且成本较高，推广缓慢。

3 静止无功补偿装置（SVC）的结构及工作原理

目前静止无功补偿装置（SVC）是电力系统中应用最多，并且最为成熟的并联补偿设备。

电容器组C补偿无功的方式可分为固定补偿、分级补偿以及晶闸管投切的分级补偿三种方式。前两种都是传统的无功补偿方式，无法满足现阶段快速的、动态的无功补偿的需求，后一种又称为晶闸管投切电容器组（TSC），即采用晶闸管为快速开关，将分成若干组的电容器并联到主回路，完成动态无功补偿。

电感器组只有一种方式，就是晶闸管控制电抗器组（TCR），通过控制晶闸管的触发角的大小得到所需的流过补偿电抗器的电流，来完成控制QTCR的大小。TCR需要与不同形式的电容器组并联到主回路，才能完成动态无功补偿。

大准铁路采用的是晶闸管控制的电抗器与固定电容器，即TCR型SVC补偿装置，装置如图1接入变电所主变27.5KV侧，滤波器FC1（滤3次谐波）、FC2（滤5次谐波）提供固定的容性无功Qc。由于电容器C为固定值，所以超前的Qc为固定值，当负载滞后而无功功率QF变化时，可以连续控制滞后无功功率QTCR，使QTCR-QC变化。例如当QF增大时，则晶闸管控制的电抗器耗用的无功功率QTCR减小；当QF减小时，则晶闸管控制的电抗器耗用的无功功率QTCR增大。即不管负载的无功功率QF如何变化，总要使系统供给的无功功率QN=QF-QC+QTCR≈常数（或0），就能实现电网功率因数=常数，电网电压几乎不波动。式中：QN为系统无功、QF为负荷无功、QC为电容器组提供的容性无功、QTCR为晶闸管控制的电抗器提供的感性无功。

补偿效果好坏的关键是准确控制晶闸管的触发角，得到所需的流过补偿电抗器的电流。可控硅阀组和控制系统能够实现这个功能。采集电流和电压，求得补偿无功值，计算得触发角大小，通过晶闸管触发装置，使晶闸管流过所需电流。

TCR的控制元件是两个反并联晶闸管组，它们在电源电压的不同半周轮流导通。TCR控制系统完成如下功能：通过检测27.5kV母线电压、27.5kV进线电流和TCR的电流，计算出可控硅的触发角，控制电抗器电流，达到无功补偿的目的。

SVC控制器采集的信号包含系统电压Ua，Ub，系统电网电流Ia，Ib，TCR电流Itcr，通过对这些信号进行变换，得到系统信号的基波分量。综合负载电流IA=Ia-Itcr。通过运算得到综合负载的无功电流IAL，IBL。通过公式Q补=Qa=IAL×Ua，如果是两相补偿则Q补=Qa+IBL×Ub。通过Q补得到系统的等效电纳，从而得到触发角，完成对可控硅的控制。

大准铁路对线上几所牵引变电所实施动态无功补偿装置后，功率因数由原来的0.7提高到0.9以上，黍地沟变电所的功率因数可以达到0.98，补偿效果达到预期目标。

4 SVC系统常见故障分析及处理措施

4.1 断开SVC主断路器时出现过流、过压保护动作有时引起主断路器真空泡烧损故障

该故障主要原因是大准铁路SVC动补属于改造项目，由于没有预留分间，只能采用一台断路器控制TCR、FC1、FC2三条支路，通过测控屏操作开关或远动操作断开SVC主断路器时相当于同时断开三条支路产生操作过电压造成过流、过压保护动作。

解决方法：⑴改操作卡片，停动补装置必须由当地值班员或远动值班员按SVC控制柜紧急停车按钮先关断TCR支路阀组的触发脉冲后自动断开主断路器。⑵更换断开电容电流及灭弧能力强的六氟化硫气体断路器。

4.2 可控硅击穿、绝缘支撑杆烧损故障

日常巡视如发现晶闸管故障红灯点亮，即表示该位置对应可控硅对存在故障，主要由于关断感性电流造成击穿或烧损。停电检修时应予以更换。更换时，首先确认小车处于拉出位，对电容器组充分放电，保证接地线接挂可靠。

用万用表确认可控硅对损坏位，将可控硅并联母排拆除，再用万用表分别测量单只可控硅，确认后，将损坏可控硅拆下，更换备用可控硅。更换后需注意与脉冲盒连接线及BOD板连接线的正确恢复。将阀组完全恢复后，依检修工艺做低压导通试验，试验正常则维修完毕。

4.3 脉冲隔离变压器故障

设备发生事故，如电缆头击穿、丢脉冲，脉冲隔离变有异常响动等，需依检修工艺对脉冲隔离变压器进行绝缘测试，如不符合工艺要求，则更换备用隔离变。备用隔离变更换前进行耐压试验，试验电压为85KV，并依检修工艺进行测试，合格后安装脉冲隔离变压器，试运行正常即可正式投入动补运行。

4.4 温度保护出口跳闸故障

由于阀组室未装空调、阀组散热风机未启动或烧损使阀组温度过高，会引起高温跳闸。首先应为阀组室安装降温空调。阀组室设置进风口和出风口，并安装根据温度自动启动、停止控制的轴流风机，使阀组室温度控制在-5℃至40℃范围内。处理故障时检查空调是否正常运行，阀组散热风机是否正常运行，是否按TCR装置的日常运行监护及时启动风机。检查、更换风机后，待温度降低后，按TCR装置投入操作启动TCR。

4.5 欠压保护出口跳闸故障

此类保护跳闸故障最常见，当发生变电所失压跳闸或PT断线故障后，都由可能欠压保护出口。另外保护板故障也会不停地发欠压保护跳闸。当发生欠压保护跳闸时，应停机检查控制系统三相电源是否正常。当检查电压正常后，对保护装置进行断电从启后投入运行。

4.6 CPU死机故障

重新启动，发脉冲，保持该状态60分钟。如果设备未再显示死机故障，可重新投入运行。如果上电运行仍出现死机现象，则更换该控制板或综合保护板。

4.7 补偿电抗器过流跳闸故障

主要原因过流相晶闸管击穿，如有击穿则更换击穿的晶闸管；检查高压进线电缆是否击穿，如有击穿则更换。在TCR重新投入运行之前必须做低压导通试验和高压柜连锁试验。各项操作严格按运行操作规程进行，注意安全。

4.8 SVC系统运行中各支路27.5KV高压电缆头有放电声

FC1、FC2、TCR各支路27.5KV高压电缆头只容许一端接地，当回路中电流增大时在电缆屏蔽保护层产生感应电势，接地端电压几乎为零，但未接地端产生3.4KV以上高电压后与接地体放电发声。将各未接地端电缆头屏蔽保护层全部安装电缆接地保护器，当达到3.4KV的感应电压时保护器动作将高压电势引入地网，消除了此类故障。

5 结语

通过对无功补偿的作用、发展及原理的分析，确定大准线这种牵引负荷大、无功负荷和轻负荷的概率较大的电气化铁路比较适合采用固定电容补偿+晶闸管控制电抗器可调的补偿方案。从SVC系统补偿原理及运行中存在问题的分析，逐步提高SVC系统在铁路牵引供电系统中的可靠性和实用性，同时也提高了对SVC系统的维护和检修能力。

参考文献：

[1]窑沟牵引变电所动补SVC系统接线图及原理图.湖南株洲南车时代电气股份有限公司.

[2]王向晨.电网无功补偿使用技术.北京：中国水利水电出版社，2009.

[3]褚孟似，赵承荻.电工基础.北京：中国铁道出版社，1988.