鐵路牽引供電系統(tǒng)中無功補償設(shè)備標準性能研究

摘 "要：電氣化鐵路的牽引供電常規(guī)采用帶回流線直接供電或AT供電，主要問題為由于電氣化鐵道供電的三相電無法平衡，電力機車會產(chǎn)生部分諧波干擾等現(xiàn)象。該文對電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)主要的無功補償裝置功能進行分析，并對電氣化牽引供電系統(tǒng)電壓、功率及諧波含量等進行分析，對比分析通用無功補償裝置在電氣化鐵路牽引變電所應(yīng)用的性能。該文還探討晶閘管控制電抗器（TCR）和磁控電抗器（MCR）在鐵路電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹兩者的原理和技術(shù)特點。TCR利用晶閘管控制實現(xiàn)電抗器的電流和電壓調(diào)節(jié)，具備精確控制和快速響應(yīng)的特性。MCR通過磁控技術(shù)調(diào)整電抗器的感性水平，具備穩(wěn)定性和耐高溫的特點。通過2種設(shè)備在鐵路應(yīng)用中的共同特征與區(qū)別，其都在鐵路牽引供電系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，實現(xiàn)對電流和電壓的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的運行需求。同時，TCR和MCR均具備數(shù)字化控制和智能化運行的潛力，可以通過先進的監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對整個電氣系統(tǒng)的優(yōu)化。通過對比分析其在性能、安全性、經(jīng)濟性和可靠性等方面的異同，為后續(xù)鐵路電氣系統(tǒng)中選擇適當?shù)碾娍蛊魈峁﹨⒖妓悸贰?/p>

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；牽引供電系統(tǒng)；無功補償；功率因數(shù)；運營成本

中圖分類號：U223 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2024）20-0123-04

Abstract： The traction power supply of electrified railway usually adopts direct power supply with return line or AT power supply. The main problem is that the three-phase power supply of electrified railway can not be balanced and some harmonic interference will be produced by electric locomotives. This paper analyzes the functions of the main reactive power compensation devices in the electrified railway traction power supply system， and analyzes the voltage， power and harmonic content of the electrified traction power supply system. The application performance of general reactive power compensation device in electrified railway traction substation is compared and analyzed. This paper discusses the application of thyristor controlled reactor （TCR） and magnetically controlled reactor （MCR） in railway electrical system. The principle and technical characteristics of both are introduced. TCR uses thyristor control to adjust the current and voltage of the reactor and has the characteristics of accurate control and fast response. MCR adjusts the inductive level of the reactor through magnetic control technology， which has the characteristics of stability and high temperature resistance. Through the common characteristics and differences of the two kinds of equipment in railway application. They all play a key role in the railway traction power supply system， realizing the regulation of current and voltage to meet different operation needs. At the same time， both TCR and MCR have the potential of digital control and intelligent operation， and the whole electrical system can be optimized through advanced monitoring system. By comparing and analyzing their similarities and differences in performance， safety， economy and reliability， this study provides a reference idea for selecting appropriate reactors in the follow-up railway electrical system.

Keywords： electrified railway; traction power supply system; reactive power compensation; power factor; operating cost

電氣化鐵路作為鐵路運行的重要負荷，給鐵路列車的正常運行提供重要保障。在電氣化鐵路上，電力機車運行從接觸網(wǎng)上取電，為保證鐵路上的機車具備充足的動力在鐵路沿線上設(shè)立了多個牽引變電所，由此組成了電力牽引供電系統(tǒng)。目前普速類電氣化鐵路主要使用的牽引供電方式為帶回流線的直接供電方式和AT供電方式。電氣化鐵路由牽引變電所供電。

牽引變電所是電氣化鐵路能量轉(zhuǎn)換的核心，其將電力系統(tǒng)的電能變換為合適的電壓等級后為電力機車供電。牽引變電所的安全可靠運行是鐵路運輸?shù)谋Ｕ?。但是，由于鐵路機車在牽引變電所所在供電臂范圍內(nèi)運行時，產(chǎn)生了網(wǎng)壓波動及諧波干擾。網(wǎng)壓波動導致的明顯問題就是電壓可能低于要求為19 kV，影響電氣化鐵道上的機車停機。為了解決以上問題，需要在不同的工況下對牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量進行整治。主要問題為現(xiàn)有的變電所補償方法普遍存在補償效果不到位，具體體現(xiàn)在過補償、欠補償上，無功補償不準確會損害到變電設(shè)備和電網(wǎng)系統(tǒng)，電壓補償后欠補，功率因數(shù)達不到0.9。針對以上補償無法達到0.9功率因數(shù)問題，目前主要采用動態(tài)補償裝置，靈活調(diào)整補償功率，以達到補償效果。

1 "電氣化鐵路無功補償方式分析

由于電氣化鐵道三相不平衡特點，需要在接觸網(wǎng)上分成2個單相進行補償，一般在牽引變電所母線上接無功補償設(shè)備。

對于電氣化鐵路牽引變電所無功補償方案，目前主要采用動態(tài)補償?shù)姆绞?。牽引變電所單相電壓?7.5 kV，從牽引變電所母線上接補償裝置，動態(tài)補償?shù)姆绞街饕捎镁чl管控制電抗器（TCR）和磁控電抗器（MCR）自動調(diào)容動態(tài)無功補償裝置進行調(diào)容。

1.1 "晶閘管控制電抗器（TCR）補償功能分析

晶閘管控制電抗器（TCR）主要原理采用相控電抗器的調(diào)節(jié)：晶閘管控制電抗器調(diào)節(jié)原理對可控晶閘管導通時間進行控制，控制角為？琢，電流基波分量調(diào)節(jié)控制角？琢的增大從而減小，控制角？琢可在0～90°范圍內(nèi)變化。

TCR型SVC晶閘管閥組實際情況如圖1所示，TCR支路的SVC主接線圖如圖2所示。

晶閘管控制電抗器其優(yōu)缺點大致表現(xiàn)在以下幾方面：①晶閘管控制電抗器投切速度快，投切操作時對系統(tǒng)的沖擊電流小。②晶閘管控制電抗器有功損耗小。③晶閘管控制電抗器具有反應(yīng)迅速、靈活性高、可擴容等優(yōu)點。④晶閘管閥組占用室內(nèi)空間，其余設(shè)備占用室外空間，室內(nèi)需安裝配套冷卻工業(yè)空調(diào)。⑤后期維護費用高，若某個晶閘管損壞，需更換晶閘管閥組中的配套相關(guān)晶閘管。⑥TCR電抗采用空心電抗器，電磁輻射大。

1.2 "磁控電抗器（MCR）補償功能分析

MSVC是基于磁閥式可控電抗器（MCR）技術(shù)的靜止型動態(tài)無功補償裝置，MCR型SVC的簡稱。磁控電抗器采用直流勵磁原理，采調(diào)節(jié)其磁飽和度，改變其輸出的感性無功功率，調(diào)整電容器組相關(guān)容性無功功率，實現(xiàn)無功功率的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

在國外，MCR技術(shù)得到發(fā)達技術(shù)國家的重視。美國電力科學研究院于2002年9月宣布推廣MCR技術(shù)在其國內(nèi)的應(yīng)用。俄羅斯已有110 kV容量達到500 Mvar的MCR在電網(wǎng)中投入使用。隨著MCR技術(shù)本身的一些不足得到調(diào)整，MCR作為性價比較高的一種動態(tài)無功補償裝置，已得到業(yè)界的廣泛認可，權(quán)威機構(gòu)論證其大有替代TCR技術(shù)的趨勢。

MCR產(chǎn)品受到了美國、俄羅斯等國家的高度認可和推薦，美國電力科學研究院（EPRI）認為MCR新型SVC裝置避免了晶閘管的串聯(lián)使用。其安裝與維護的便利性、較小的占地面積、簡單的冷卻系統(tǒng)等為MCR奠定了堅實的基礎(chǔ)，是當今動態(tài)無功補償產(chǎn)品的主流。

對于傳統(tǒng)電抗器，磁控電抗器能夠提供更快的響應(yīng)速度，降低了系統(tǒng)中的電流涌浪。具有過熱保護和故障檢測功能，可減少設(shè)備故障引起的潛在風險。

磁控電抗器實際情況如圖3所示，磁控電抗器原理接線如圖4所示。

技術(shù)特點：①磁控電抗器自動控制可以通過電抗器的內(nèi)部繞組來完成，不需要勵磁電源支持。②投運后免維護，無須專人值守。磁控電抗器自動控制通過可控制硅角，以此實現(xiàn)連調(diào)，其容量大小調(diào)節(jié)時間較短，結(jié)合變電所無功功率調(diào)節(jié)反應(yīng)快，達到柔性補償?shù)男Ч＂鄄捎玫蛪嚎煽毓杩刂?，發(fā)熱量很小，可靠安全，采用自然冷卻即可，無須輔助空調(diào)、水冷設(shè)備，運行時不需要承受高電流、高電壓影響。④磁控電抗器結(jié)構(gòu)較簡單，戶外布置，磁控電抗器需要配套油池，油池基礎(chǔ)與房屋和變壓器距離需滿足防火規(guī)范。⑤MCR有功損耗較低。⑥MCR調(diào)節(jié)裝置為可控硅，可控硅無須串、并聯(lián)，可控硅放置于鐵芯副邊，運行可靠安全，不易發(fā)生擊穿。⑦磁控電抗器如果二極管或可控硅停止運行，其設(shè)備可以當作空載變壓器，不影響牽引變電所正常運行。⑧磁控電抗器為MSVC型動態(tài)補償裝置的核心部件，目前磁控電抗器已發(fā)展到第三代磁控電抗器——磁路并聯(lián)漏磁自屏蔽式可控電抗器，與一代、二代技術(shù)相比具有明顯技術(shù)優(yōu)勢。采用自屏蔽電磁技術(shù)及多階梯小截面飽和技術(shù)，磁控電抗器調(diào)節(jié)效率得以提升。該設(shè)備具有免維護，使用年限長、損耗低、噪音小和響應(yīng)快等優(yōu)點。

1.3 "晶閘管控制電抗器和磁控電抗器技術(shù)共同點

兩者均用于鐵路牽引供電系統(tǒng)中，通過數(shù)字化控制系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的運行和監(jiān)控，均具備較快的響應(yīng)速度，適用于鐵路牽引供電系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)的場景。通過調(diào)整電抗器來優(yōu)化整個鐵路牽引供電系統(tǒng)的性能，提高能源利用效率。

2 "晶閘管控制電抗器和磁控電抗器經(jīng)濟性分析

2.1 "成本比較

2.1.1 "晶閘管控制電抗器經(jīng)濟性

優(yōu)點：①具有精確的電流和電壓控制，可以實現(xiàn)精細的能量調(diào)節(jié)，提高了能源利用效率。②長壽命的晶閘管元件減少了替換和維護成本。

缺點：①制造和安裝成本相對較高，因為晶閘管技術(shù)要求更先進的電子元件。②對于高功率系統(tǒng)，可能需要更復雜的冷卻系統(tǒng)，增加了初始投資。

2.1.2 "磁控電抗器經(jīng)濟性

優(yōu)點：①在低到中等負載條件下，磁控電抗器可能更為高效。②適用于一些簡單的鐵路電氣系統(tǒng)，不需要過多地調(diào)節(jié)和控制。

缺點：在高負載條件下，可能出現(xiàn)能耗較高的情況，因為響應(yīng)速度相對較慢。

2.2 "能效比較

2.2.1 "晶閘管控制電抗器的經(jīng)濟性

優(yōu)點：①在廣泛的負載范圍內(nèi)具有高效率，因為它可以實現(xiàn)更精密的電能調(diào)控。②適用于復雜的鐵路電氣系統(tǒng)，對電能質(zhì)量要求高。

缺點：①初始投資較高，可能需要長期運行才能實現(xiàn)投資回報。②對于一些簡單系統(tǒng)，過度地控制可能帶來不必要的成本。

2.2.2 "磁控電抗器的經(jīng)濟性

優(yōu)點：①在低到中等負載條件下，磁控電抗器可能更為高效。②適用于一些簡單的鐵路電氣系統(tǒng)，不需要過多地調(diào)節(jié)和控制。

缺點：在高負載條件下，可能出現(xiàn)能耗較高的情況，因為響應(yīng)速度相對較慢。

2.3 "經(jīng)濟性分析總結(jié)

通過綜合考慮成本和能效，晶閘管控制電抗器前期建設(shè)費用較高，運營費用較低。磁控電抗器前期建設(shè)費用較低，運營費用較高。選擇磁控電抗器還是晶閘管控制電抗器取決于具體的鐵路電氣系統(tǒng)需求。在長期運行和能源效率方面的優(yōu)劣可以影響系統(tǒng)的總體經(jīng)濟性。

3 "晶閘管控制電抗器和磁控電抗器未來發(fā)展趨勢

晶閘管控制電抗器的發(fā)展趨勢：未來晶閘管控制電抗器有望更加集成和智能化，通過先進的控制系統(tǒng)實現(xiàn)更精細的電能調(diào)節(jié)。著力于提高晶閘管元件的能效，以降低系統(tǒng)能耗，滿足對能源利用效率日益提高的要求。晶閘管控制電抗器將逐步適應(yīng)不同交通電力系統(tǒng)的需求，包括高速鐵路、城市軌道交通等，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。

磁控電抗器的發(fā)展趨勢：進一步研究和采用先進材料和制造技術(shù)，提高磁控電抗器的性能和耐久性。推動磁控電抗器的設(shè)計更加符合可持續(xù)發(fā)展的標準，減少對環(huán)境的影響。強調(diào)靈活性和模塊化設(shè)計，使磁控電抗器更易于集成到不同類型的鐵路系統(tǒng)中，提高其適應(yīng)性。

共同發(fā)展趨勢：智能化和數(shù)字化將貫穿整個鐵路電氣系統(tǒng)，晶閘管控制電抗器和磁控電抗器也將更緊密地與網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)實時監(jiān)測和遠程控制。

引入更先進的故障預測技術(shù)，通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，降低維護成本。

針對能源管理的需求，將更加注重電抗器的能量調(diào)控和系統(tǒng)優(yōu)化，以提高整體能源效率。

未來，晶閘管控制電抗器和磁控電抗器在鐵路應(yīng)用中的發(fā)展將積極響應(yīng)新技術(shù)的引入和市場需求的變化，致力于提供更可靠、高效、環(huán)保的解決方案。

4 "晶閘管控制電抗器和磁控電抗器的優(yōu)缺點分析

晶閘管控制電抗器和磁控電抗器的優(yōu)缺點見表1。

5 "結(jié)束語

本文通過對電氣化鐵路牽引變電所功率因數(shù)提升，并結(jié)合 TCR和MCR 型動態(tài)無功補償方式進行論證、對比分析，比較2種常用的動態(tài)無功補償方式優(yōu)缺點。目前，電氣化鐵路通過在牽引變電所安裝TCR和MCR 型動態(tài)補償兼濾波裝置后，平均功率因數(shù)得到提高，諧波水平明顯改善。

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