鐵路牽引供電系統(tǒng)中的無(wú)功補(bǔ)償與諧波治理研究

白雄雄

（中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)北方工程有限公司，太原 030000）

0 引言

按照電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的要求，牽引變電所一次側(cè)月平均功率因數(shù)不應(yīng)低于0.9[1]。由于電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)特殊的接線和供電方式，使電氣化鐵道供電系統(tǒng)三相無(wú)法平衡[2]，負(fù)荷不連續(xù)，隨機(jī)性大、直流驅(qū)動(dòng)機(jī)車也會(huì)產(chǎn)生大量的諧波[3]。電氣化鐵道的供電有如下特點(diǎn):1）電氣化鐵道接觸網(wǎng)供電電壓比較特殊，采用27.5 kV 的電壓供電；2）機(jī)車采用單相電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得供電方式比較特殊，三相難以平衡；3）采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于是單相整流，會(huì)產(chǎn)生包括3 次諧波在內(nèi)的大量奇次諧波[4-5]；4）由于機(jī)車運(yùn)行的隨機(jī)性、移動(dòng)性以及軌道的上坡下坡等特性，使得線路的功率變化很大，隨時(shí)變化；5）當(dāng)軌道上沒(méi)有機(jī)車運(yùn)行時(shí)，由于電氣化鐵道的接線比較復(fù)雜，包括了承力索、接觸線、軌道等，增大了對(duì)地電容，則系統(tǒng)中出現(xiàn)容性電流，無(wú)功倒送。

由于以上特點(diǎn)，固定電容器分組補(bǔ)償?shù)姆椒ê茈y跟隨系統(tǒng)無(wú)功的變化，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)無(wú)功的過(guò)補(bǔ)和欠補(bǔ)的狀態(tài)，特別是在無(wú)機(jī)車通過(guò)時(shí)，由于有功功率很小，系統(tǒng)為容性電流，功率因數(shù)很低。電力系統(tǒng)一般嚴(yán)格控制無(wú)功倒送[6]，計(jì)量方式為反向正計(jì)的方式，即不論是吸收無(wú)功還是倒送無(wú)功，均按吸收無(wú)功計(jì)算，故功率因數(shù)無(wú)法達(dá)到電力部門的考核要求。對(duì)于電氣化鐵道補(bǔ)償，宜裝設(shè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置[7]。

1 電氣化鐵道供電方式

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)是一個(gè)特殊的供電系統(tǒng)，每個(gè)供電點(diǎn)為單相供電，并向兩側(cè)延伸，并和軌道形成回路，由于電力系統(tǒng)為三相供電方式，這樣牽引變壓器也采用了三相變兩相的特殊的V-V接線結(jié)構(gòu)，如圖1 所示為一標(biāo)準(zhǔn)的AT 接線方式線路圖[8]，供電回路中的三相負(fù)荷也無(wú)法平衡。

圖1 牽引供電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of traction power supply system

2 補(bǔ)償方式選擇

由于電氣化鐵道特殊的供電特點(diǎn)，一般需要在接觸網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，由于三相不平衡，需要在接觸網(wǎng)上分成兩個(gè)單相進(jìn)行補(bǔ)償，接于接觸網(wǎng)和軌道之間，相當(dāng)于圖1 中的A 相與B 相以及C 相與B 相之間，每個(gè)設(shè)備需單獨(dú)進(jìn)行控制。

對(duì)于無(wú)功補(bǔ)償方式，應(yīng)該采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆绞?。?duì)于電氣化鐵道來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)單相電壓為27.5 kV，而總的補(bǔ)償容量不大，采用晶閘管控制電抗器（thyristor controlled reactor，TCR）方式自動(dòng)調(diào)容動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置成本太高。一般應(yīng)采用磁控電抗器（MCR）自動(dòng)調(diào)容動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行調(diào)容，其經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能相對(duì)較好，所以一般應(yīng)該選擇MCR 調(diào)容方式。

磁控電抗器（magnetically controlled reactors，MCR）型靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償濾波裝置由濾波支路和磁控電抗器（簡(jiǎn)稱MCR）并聯(lián)支路組成。裝置利用直流勵(lì)磁原理，采用小截面磁飽和技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)磁控電抗器的磁飽和度，改變其輸出的感性無(wú)功功率，中和電容器組的容性無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的連續(xù)可調(diào)[9]。

MCR 型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的調(diào)容原理見(jiàn)圖2。在直流助磁的作用下，通過(guò)鐵心變徑[10-11]，控制局部鐵心飽和度。其鐵心具有截面積較小的一段（截面段），在整個(gè)容量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)只有面積較小的一段磁路飽和（小截面段處于極限飽和狀態(tài)），其余段均處于未飽和線性狀態(tài)，通過(guò)改變小截面段的磁路飽和程度來(lái)改變電抗器的輸出容量。

圖2 磁閥式可控電抗器鐵心結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural schematic diagram of magnetic valve controllable reactor core

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 某牽引變電站基本概況

牽引供電系統(tǒng)采用AT 供電方式，主變?nèi)萘繛椋?5 000+25 000）KVA，V/X 接線，如圖1 所示。該線路采用的電力機(jī)車的車型為SS4，電力機(jī)車采用交流電流制，即單相工頻制，傳動(dòng)方式為交-直方式[12-13]，站內(nèi)目前無(wú)補(bǔ)償裝置。根據(jù)仿真計(jì)算3～11 次諧波含量豐富[14-15]，牽引變電站中各次諧波電流含量見(jiàn)表1。

表1 牽引電流中各次諧波分量含有率Table 1 Each harmonic component contents in the traction current

3.2 改造前電能質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)

由于電氣化鐵道的負(fù)荷很難平衡，負(fù)荷波動(dòng)較大，為了掌握接觸網(wǎng)負(fù)荷的變化特點(diǎn)，了解電氣化鐵道運(yùn)行時(shí)的狀況，對(duì)該電氣化鐵道的負(fù)荷情況進(jìn)行了24 h 的測(cè)量[16]。電壓、電流以及功率的波動(dòng)情況見(jiàn)表2，諧波測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表2 牽引線電量波動(dòng)情況Table 2 Power fluctuation of traction wire

表3 牽引線諧波電流Table 3 Harmonic current of traction wire

從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，電氣化鐵道的負(fù)荷波動(dòng)很大，系統(tǒng)電壓在25.8～31.4 kV 間波動(dòng)，機(jī)車運(yùn)行在該供電區(qū)間時(shí)功率因數(shù)不到0.8，3、5 次諧波含量較高，其中諧波電流95% 的概率值分別為46.4、26.57 A。需要說(shuō)明的是，由于牽引線大部分時(shí)間是沒(méi)有負(fù)荷的，這影響了95% 大概率值的統(tǒng)計(jì)，使95% 的大概率值偏低。如在測(cè)試數(shù)據(jù)中，諧波電流的最大值為134.8 A，而大概率值只有46.4 A，大概率值遠(yuǎn)低于最大電流值。在進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)以此值作為濾波器設(shè)計(jì)的諧波電流值，而應(yīng)以最大值或最大負(fù)荷時(shí)的理論估算值作為設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)。

功率與功率因數(shù)的測(cè)量值見(jiàn)圖3，就該條線路來(lái)說(shuō)，從圖中來(lái)看，機(jī)車通過(guò)時(shí)，有功功率基本上在7 500 kW 以內(nèi)，在機(jī)車通過(guò)時(shí)，功率因數(shù)基本上在0.75～0.8 之間，就電氣化鐵道的無(wú)功補(bǔ)償來(lái)說(shuō)，相關(guān)功率及功率因數(shù)的最大最小值在實(shí)際的設(shè)計(jì)中很難在設(shè)計(jì)中應(yīng)用，應(yīng)統(tǒng)計(jì)機(jī)車通過(guò)時(shí)實(shí)際的功率因數(shù)及功率進(jìn)行無(wú)功功率的計(jì)算。

圖3 有功、無(wú)功以及功率因數(shù)統(tǒng)計(jì)圖譜Fig.3 Statistic mapping of active power，reactive power and power factor

3.3 無(wú)功補(bǔ)償濾波設(shè)計(jì)

3.3.1 基波補(bǔ)償容量

由于電氣化鐵道負(fù)荷的特殊性，通過(guò)上節(jié)對(duì)于相關(guān)數(shù)據(jù)的分析和功率分布圖譜綜合考慮，補(bǔ)償前的初始有功功率和功率因數(shù)分別按7 500 kW 和0.75 計(jì)算，補(bǔ)償后的功率因數(shù)0.92 計(jì)算，則基波補(bǔ)償容量為

考慮到電壓波動(dòng)的問(wèn)題，機(jī)車的運(yùn)行電壓隨機(jī)車的行進(jìn)而變化，當(dāng)機(jī)車靠近電源側(cè)時(shí)，具有較高的電壓，而機(jī)車行至接觸網(wǎng)末端時(shí)，電壓較低，但機(jī)車所需要的功率不變，這時(shí)，機(jī)車會(huì)產(chǎn)生更大的電流。而電容器則安裝于電源側(cè)，為了保證一定的余度，該補(bǔ)償容量作為25 kV 時(shí)有效補(bǔ)償容量，而在電壓為27.5 kV 時(shí)有效補(bǔ)償容量為4 137 kvar。

3.3.2 磁控電抗器容量

根據(jù)電容器支路在不同時(shí)段輸出容量的變化及測(cè)試數(shù)據(jù)，系統(tǒng)無(wú)功在線路空載時(shí)有一定的容性充電無(wú)功，而此時(shí)電抗器的調(diào)節(jié)范圍是有限的[17-18]，故磁控電抗器需配置5 600 kvar 的磁控電抗器。

3.3.3 濾波器設(shè)計(jì)與計(jì)算

根據(jù)相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)，采用單調(diào)諧濾波器，濾波支路設(shè)計(jì)為3、5 次支路，根據(jù)系統(tǒng)的分析和計(jì)算，兩個(gè)支路裝機(jī)容量分別為5 344、4 000 kvar。

對(duì)于3 次支路，電容器額定電壓為10.5 kV，安裝容量為5 344 kvar，單臺(tái)電容額定容量為334 kvar，4 并4 串，電容裝置電壓為42 kV。采用偏感調(diào)諧，電抗率取11.5%。

當(dāng)電壓為27.5 kV 時(shí)，基波輸出容量為

3 次諧波電流按130 A 計(jì)算，電容器上的3 次諧波電壓為

與3 次諧波電壓疊加后為

對(duì)于5 次支路，電容器額定電壓為9.8 kV，安裝容量為4 008 kvar，單臺(tái)電容額定容量為334 kvar，3并4 串，電容裝置電壓為39.2 kV。采用偏感調(diào)諧，電抗率取4.2%。

當(dāng)電壓為27.5 kV 時(shí)，基波輸出容量為

5 次諧波電流按60 A 計(jì)算，電容器上的5 次諧波電壓為

與5 次諧波電壓疊加后為

總的無(wú)功輸出容量為

通過(guò)上述分析計(jì)算，總輸出容量滿足無(wú)功輸出的要求，3 次支路中電容器的諧波電壓疊加后，為30.99 kV，電容器設(shè)計(jì)電壓為42 kV，3 次支路電容器電壓滿足要求；5 次支路的諧波疊加后的電壓為28.55 kV，電容支路的電壓為39.2 kV，5 次支路電容器電壓滿足要求；其他諧波電流也會(huì)有少量的流入，所以，電容電壓留有一定的裕度，以保證電容器安全運(yùn)行。

3.4 改造后的數(shù)據(jù)分析

裝置安裝后，對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了24 h 的檢測(cè)，安裝前后的電壓、電流以及功率等的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。安裝前后諧波數(shù)據(jù)比較結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 安裝前后的數(shù)據(jù)比較Table 4 Data comparison before and after installation

從表4 比較來(lái)看，采用MCR 型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置后，系統(tǒng)電壓的波動(dòng)有所改善，運(yùn)行電壓在26.9～29.9 kV；有功功率基本不變，但是最小有功功率有所增加，主要原因是磁控電抗器的損耗所致，雖然損耗有所增加，但是有利于空載時(shí)的功率因數(shù)調(diào)整[19-20]。補(bǔ)償前后的無(wú)功功率均大幅度減小，功率因數(shù)較高。

從諧波測(cè)試數(shù)據(jù)比較來(lái)看，設(shè)備安裝后，空線運(yùn)行時(shí)，各次諧波電流值大于安裝前的電流值，主要的原因是磁控電抗器也會(huì)產(chǎn)生一定量的諧波，特別是在無(wú)功需求比較小時(shí)，磁控電抗器需要提供較大的電流，這樣在無(wú)機(jī)車通過(guò)時(shí)，磁控電抗器會(huì)有較小的諧波電流注入，只有局部鐵心飽和，所以總的量值較小[21-27]。而在有機(jī)車通過(guò)時(shí)，由于此時(shí)電抗器輸出的總功率較小，濾波器起到主要的作用，將機(jī)車產(chǎn)生的大部分諧波濾除，使各次諧波電流大幅度減小，如3 次諧波的95%大概率值由46.40 A降低到16.9%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)于牽引線的功率及諧波特點(diǎn)分析，并結(jié)合MCR 型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償兼濾波裝置的工程實(shí)踐，認(rèn)為電氣化鐵道的負(fù)荷具有負(fù)荷波動(dòng)大、三相不平衡等問(wèn)題，適合于通過(guò)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行補(bǔ)償和濾波。由于一些機(jī)車采用直流驅(qū)動(dòng)，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定量的諧波，磁控電抗器也會(huì)產(chǎn)生少量的諧波，對(duì)空載有少量的影響，而在機(jī)車通過(guò)時(shí)，濾波器具有較好的濾波效果。通過(guò)在牽引變電所安裝磁控式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償兼濾波裝置后，功率因數(shù)得到提高，諧波水平明顯改善。