淺談牽引網的無功補償和諧波治理

于琳琳 劉巍 王貴堂

摘 要：文章介紹了電氣化鐵路牽引網供電系統對電力系統的影響，電壓跌落、功率因數過低、諧波污染等問題。并針對這些問題提出相應的解決方案。

關鍵詞：功率因數；諧波污染；TSC無功補償

1 概述

電氣化鐵路的牽引動力是電力機車，機車本身不帶能源，所需能源由電力牽引供電系統提供。牽引供電系統與一般工業用戶不同，它是一個不對稱的單相牽引負荷，會造成電力系統三相負荷的不平衡，由于電力機車自身的特點又會產生大量的無功功率和諧波污染對周圍的電力系統和本身的電能質量都造成了極大地影響。因此，牽引供電的電能質量問題成為現在電氣化鐵路建設待解決的問題之一。

2 牽引網中關于電能質量主要存在的幾點問題

2.1 功率因數過低的問題

直流傳動電力機車無功功率大，功率因數低也是比較嚴重的問題，雖然采用過諸多措施，如變電所并聯電容器的靜態無功補償，采用這一措施的目的是提高功率因數，降低諧波。但是現在的計量方式已經改變，采用反轉正計的無功計量方法后，增加補償容量卻取得相反的效果，即補得越多，反送無功越多，功率因數越低，過補償十分突出。原有固定并聯電容補償裝置和固定補償模式已無法達到提高功率因數的目的。

2.2 電壓跌落的問題

電力機車通過供電區域時，由于無功功率的作用導致供電區域的電壓跌落嚴重，嚴重的甚至影響電力機車的正常運行，以及周邊電網的電壓等級。

2.3 諧波污染的問題

電氣化鐵路的電力牽引單相整流機車使牽引變壓器高壓側電流以及電壓發生畸變，所產生的大量高次諧波分量通過牽引變壓器的高壓側注入電力系統，電力機車是一個很大的諧波源，主要含有3、7次諧波。這些諧波電流的存在嚴重破壞供電網的基波電壓電流的質量，致使電機電器溫升增加和產生振動。影響電機的機械壽命，還會對周圍的電力系統造成破壞。

3 牽引網的無功補償和諧波治理方案

電氣化鐵道負荷變化劇烈，無功功率和電流隨機波動。國內的無功補償廠家采用晶閘管交流開關來改變補償裝置的無功，同時濾出一定量的諧波。

最優化的補償模式就是采用小容量的固定補償，根據每個牽引變壓器的供電容量固定補償變壓器的空載損耗，采取分級投切的動態無功補償裝置TSC（Thyristor Switched Capacitor）+FC（Fixed Capacitor）+TSF（Thyristor Switched Filter bank）的補償及濾波方式，它能采集進線裝置的工作電壓和電流，并能計算出設備的帶載率，實現實時補償，并濾除部分諧波。

4 TSC補償設備的性能特點（表1）

5 牽引網最佳的補償方案

通過分析TSC補償設備的特點，不難看出在快速調節無功變化的場合，TSC補償設備有不可替代的優越性，晶閘管電子無觸點開關既具有過零投切涌流小，無過電壓的優點，又解決了工作時散熱的問題。在實際工作中，其操作壽命幾乎是無限的，可以頻繁投切，投切時刻是可以精確控制，實現無過渡過程的平穩投入和切除（動態響應時間0.01～0.02s）。

而針對于牽引網供電的特點，牽引網根據各個區段不同，其供電的負載率各不相同，因此不能采用單純TSC補償模式，因為牽引網的供電容量較大，而且無功波動也非常大，而TSC每組的投切容量有限，而如果增加TSC的投切組數，就會增加投資。而對于大容量的補償負荷又起不到應有的補償效果。

同時，由于現在采用的“反送正計”的計量手段，因此，單純的采用大容量的固定補償電容器組又會造成低負荷時該區段過補嚴重，也會影響到補償效果。

針對牽引網供電的特點，提出靜止補償模式FC與TSC動態補償模式配合使用的方法，配合原則是：（1）FC固定補償電容器組針對于牽引網變壓器的空載損耗以及基礎負荷進行補償，確保在沒有其他動態負荷存在的情況下，保證牽引網供電變壓器的公共連接點的功率因數計量達到0.90以上。（2）TSC動態補償電容器組針對于牽引網負荷變化做出快速補償，確保能夠跟蹤牽引網中動態負荷的無功變化，確保在有動態負荷存在的情況下，保證牽引網供電變壓器的公共連接點的功率因數計量達到0.90以上。（3）通過FC+TSC的配合補償的作用，使牽引網該區段的月平均功率因數達到0.9以上滿足供電局對用戶的要求。

圖1為牽引網FC+TSC的補償一次系統圖，左側為TSC快速補償模式、右側為FC固定補償模式。

圖1 FC+TSC補償系統圖

6 結束語

在電氣化鐵路飛速發展的現在，隨著電能質量問題在電氣化鐵路中凸顯，嚴重制約了電氣化鐵路的發展，因此采用更加科學可靠的電能治理方案是現在亟待解決的問題，特別是在鐵路電氣化還不發達的地區尤為重要，相信在不遠的將來，更加安全高效的補償方案會隨著電力電子技術的發展應運而生，為電氣化鐵路的發展提供新的電能治理方案。

參考文獻

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