铁路牵引供电系统中的无功补偿与谐波治理研究

白雄雄

（中国铁建电气化局集团北方工程有限公司，太原 030000）

0 引言

按照电气化铁路牵引供电系统的要求，牵引变电所一次侧月平均功率因数不应低于0.9[1]。由于电气化铁路牵引供电系统特殊的接线和供电方式，使电气化铁道供电系统三相无法平衡[2]，负荷不连续，随机性大、直流驱动机车也会产生大量的谐波[3]。电气化铁道的供电有如下特点:1）电气化铁道接触网供电电压比较特殊，采用27.5 kV 的电压供电；2）机车采用单相电机驱动，使得供电方式比较特殊，三相难以平衡；3）采用直流电机驱动时，由于是单相整流，会产生包括3 次谐波在内的大量奇次谐波[4-5]；4）由于机车运行的随机性、移动性以及轨道的上坡下坡等特性，使得线路的功率变化很大，随时变化；5）当轨道上没有机车运行时，由于电气化铁道的接线比较复杂，包括了承力索、接触线、轨道等，增大了对地电容，则系统中出现容性电流，无功倒送。

由于以上特点，固定电容器分组补偿的方法很难跟随系统无功的变化，会经常出现无功的过补和欠补的状态，特别是在无机车通过时，由于有功功率很小，系统为容性电流，功率因数很低。电力系统一般严格控制无功倒送[6]，计量方式为反向正计的方式，即不论是吸收无功还是倒送无功，均按吸收无功计算，故功率因数无法达到电力部门的考核要求。对于电气化铁道补偿，宜装设动态无功补偿装置[7]。

1 电气化铁道供电方式

电气化铁路牵引供电系统是一个特殊的供电系统，每个供电点为单相供电，并向两侧延伸，并和轨道形成回路，由于电力系统为三相供电方式，这样牵引变压器也采用了三相变两相的特殊的V-V接线结构，如图1 所示为一标准的AT 接线方式线路图[8]，供电回路中的三相负荷也无法平衡。

图1 牵引供电系统示意图Fig.1 Schematic diagram of traction power supply system

2 补偿方式选择

由于电气化铁道特殊的供电特点，一般需要在接触网进行补偿，由于三相不平衡，需要在接触网上分成两个单相进行补偿，接于接触网和轨道之间，相当于图1 中的A 相与B 相以及C 相与B 相之间，每个设备需单独进行控制。

对于无功补偿方式，应该采用动态补偿的方式。对于电气化铁道来说，系统单相电压为27.5 kV，而总的补偿容量不大，采用晶闸管控制电抗器（thyristor controlled reactor，TCR）方式自动调容动态无功补偿装置成本太高。一般应采用磁控电抗器（MCR）自动调容动态无功补偿装置进行调容，其经济技术性能相对较好，所以一般应该选择MCR 调容方式。

磁控电抗器（magnetically controlled reactors，MCR）型静止型动态无功补偿滤波装置由滤波支路和磁控电抗器（简称MCR）并联支路组成。装置利用直流励磁原理，采用小截面磁饱和技术，通过调节磁控电抗器的磁饱和度，改变其输出的感性无功功率，中和电容器组的容性无功功率，实现无功功率的连续可调[9]。

MCR 型动态无功补偿装置的调容原理见图2。在直流助磁的作用下，通过铁心变径[10-11]，控制局部铁心饱和度。其铁心具有截面积较小的一段（截面段），在整个容量调节范围内只有面积较小的一段磁路饱和（小截面段处于极限饱和状态），其余段均处于未饱和线性状态，通过改变小截面段的磁路饱和程度来改变电抗器的输出容量。

图2 磁阀式可控电抗器铁心结构示意图Fig.2 Structural schematic diagram of magnetic valve controllable reactor core

3 实际应用

3.1 某牵引变电站基本概况

牵引供电系统采用AT 供电方式，主变容量为（25 000+25 000）KVA，V/X 接线，如图1 所示。该线路采用的电力机车的车型为SS4，电力机车采用交流电流制，即单相工频制，传动方式为交-直方式[12-13]，站内目前无补偿装置。根据仿真计算3～11 次谐波含量丰富[14-15]，牵引变电站中各次谐波电流含量见表1。

表1 牵引电流中各次谐波分量含有率Table 1 Each harmonic component contents in the traction current

3.2 改造前电能质量测试数据

由于电气化铁道的负荷很难平衡，负荷波动较大，为了掌握接触网负荷的变化特点，了解电气化铁道运行时的状况，对该电气化铁道的负荷情况进行了24 h 的测量[16]。电压、电流以及功率的波动情况见表2，谐波测量数据见表3。

表2 牵引线电量波动情况Table 2 Power fluctuation of traction wire

表3 牵引线谐波电流Table 3 Harmonic current of traction wire

从测试数据来看，电气化铁道的负荷波动很大，系统电压在25.8～31.4 kV 间波动，机车运行在该供电区间时功率因数不到0.8，3、5 次谐波含量较高，其中谐波电流95% 的概率值分别为46.4、26.57 A。需要说明的是，由于牵引线大部分时间是没有负荷的，这影响了95% 大概率值的统计，使95% 的大概率值偏低。如在测试数据中，谐波电流的最大值为134.8 A，而大概率值只有46.4 A，大概率值远低于最大电流值。在进行滤波器设计时，不应以此值作为滤波器设计的谐波电流值，而应以最大值或最大负荷时的理论估算值作为设计的基准。

功率与功率因数的测量值见图3，就该条线路来说，从图中来看，机车通过时，有功功率基本上在7 500 kW 以内，在机车通过时，功率因数基本上在0.75～0.8 之间，就电气化铁道的无功补偿来说，相关功率及功率因数的最大最小值在实际的设计中很难在设计中应用，应统计机车通过时实际的功率因数及功率进行无功功率的计算。

图3 有功、无功以及功率因数统计图谱Fig.3 Statistic mapping of active power，reactive power and power factor

3.3 无功补偿滤波设计

3.3.1 基波补偿容量

由于电气化铁道负荷的特殊性，通过上节对于相关数据的分析和功率分布图谱综合考虑，补偿前的初始有功功率和功率因数分别按7 500 kW 和0.75 计算，补偿后的功率因数0.92 计算，则基波补偿容量为

考虑到电压波动的问题，机车的运行电压随机车的行进而变化，当机车靠近电源侧时，具有较高的电压，而机车行至接触网末端时，电压较低，但机车所需要的功率不变，这时，机车会产生更大的电流。而电容器则安装于电源侧，为了保证一定的余度，该补偿容量作为25 kV 时有效补偿容量，而在电压为27.5 kV 时有效补偿容量为4 137 kvar。

3.3.2 磁控电抗器容量

根据电容器支路在不同时段输出容量的变化及测试数据，系统无功在线路空载时有一定的容性充电无功，而此时电抗器的调节范围是有限的[17-18]，故磁控电抗器需配置5 600 kvar 的磁控电抗器。

3.3.3 滤波器设计与计算

根据相关的测试数据，采用单调谐滤波器，滤波支路设计为3、5 次支路，根据系统的分析和计算，两个支路装机容量分别为5 344、4 000 kvar。

对于3 次支路，电容器额定电压为10.5 kV，安装容量为5 344 kvar，单台电容额定容量为334 kvar，4 并4 串，电容装置电压为42 kV。采用偏感调谐，电抗率取11.5%。

当电压为27.5 kV 时，基波输出容量为

3 次谐波电流按130 A 计算，电容器上的3 次谐波电压为

与3 次谐波电压叠加后为

对于5 次支路，电容器额定电压为9.8 kV，安装容量为4 008 kvar，单台电容额定容量为334 kvar，3并4 串，电容装置电压为39.2 kV。采用偏感调谐，电抗率取4.2%。

当电压为27.5 kV 时，基波输出容量为

5 次谐波电流按60 A 计算，电容器上的5 次谐波电压为

与5 次谐波电压叠加后为

总的无功输出容量为

通过上述分析计算，总输出容量满足无功输出的要求，3 次支路中电容器的谐波电压叠加后，为30.99 kV，电容器设计电压为42 kV，3 次支路电容器电压满足要求；5 次支路的谐波叠加后的电压为28.55 kV，电容支路的电压为39.2 kV，5 次支路电容器电压满足要求；其他谐波电流也会有少量的流入，所以，电容电压留有一定的裕度，以保证电容器安全运行。

3.4 改造后的数据分析

装置安装后，对相关的数据进行了24 h 的检测，安装前后的电压、电流以及功率等的检测结果见表4。安装前后谐波数据比较结果见表5。

表4 安装前后的数据比较Table 4 Data comparison before and after installation

从表4 比较来看，采用MCR 型动态无功补偿装置后，系统电压的波动有所改善，运行电压在26.9～29.9 kV；有功功率基本不变，但是最小有功功率有所增加，主要原因是磁控电抗器的损耗所致，虽然损耗有所增加，但是有利于空载时的功率因数调整[19-20]。补偿前后的无功功率均大幅度减小，功率因数较高。

从谐波测试数据比较来看，设备安装后，空线运行时，各次谐波电流值大于安装前的电流值，主要的原因是磁控电抗器也会产生一定量的谐波，特别是在无功需求比较小时，磁控电抗器需要提供较大的电流，这样在无机车通过时，磁控电抗器会有较小的谐波电流注入，只有局部铁心饱和，所以总的量值较小[21-27]。而在有机车通过时，由于此时电抗器输出的总功率较小，滤波器起到主要的作用，将机车产生的大部分谐波滤除，使各次谐波电流大幅度减小，如3 次谐波的95%大概率值由46.40 A降低到16.9%。

4 结语

本文通过对于牵引线的功率及谐波特点分析，并结合MCR 型动态无功补偿兼滤波装置的工程实践，认为电气化铁道的负荷具有负荷波动大、三相不平衡等问题，适合于通过动态无功补偿的方式进行补偿和滤波。由于一些机车采用直流驱动，在运行过程中会产生一定量的谐波，磁控电抗器也会产生少量的谐波，对空载有少量的影响，而在机车通过时，滤波器具有较好的滤波效果。通过在牵引变电所安装磁控式动态补偿兼滤波装置后，功率因数得到提高，谐波水平明显改善。