于琳琳 劉巍 王貴堂

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

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)；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(tǒng)提供。牽引供電系統(tǒng)與一般工業(yè)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(tǒng)三相負荷的不平衡，由于電力機車自身的特點又會產(chǎn)生大量的無功功率和諧波污染對周圍的電力系統(tǒng)和本身的電能質(zhì)量都造成了極大地影響。因此，牽引供電的電能質(zhì)量問題成為現(xiàn)在電氣化鐵路建設(shè)待解決的問題之一。

2 牽引網(wǎng)中關(guān)于電能質(zhì)量主要存在的幾點問題

2.1 功率因數(shù)過低的問題

直流傳動電力機車無功功率大，功率因數(shù)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(lián)電容器的靜態(tài)無功補償，采用這一措施的目的是提高功率因數(shù)，降低諧波。但是現(xiàn)在的計量方式已經(jīng)改變，采用反轉(zhuǎn)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(shù)越低，過補償十分突出。原有固定并聯(lián)電容補償裝置和固定補償模式已無法達到提高功率因數(shù)的目的。

2.2 電壓跌落的問題

電力機車通過供電區(qū)域時，由于無功功率的作用導(dǎo)致供電區(qū)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(wǎng)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(cè)電流以及電壓發(fā)生畸變，所產(chǎn)生的大量高次諧波分量通過牽引變壓器的高壓側(cè)注入電力系統(tǒng)，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(wǎng)的基波電壓電流的質(zhì)量，致使電機電器溫升增加和產(chǎn)生振動。影響電機的機械壽命，還會對周圍的電力系統(tǒng)造成破壞。

3 牽引網(wǎng)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(nèi)的無功補償廠家采用晶閘管交流開關(guān)來改變補償裝置的無功，同時濾出一定量的諧波。

最優(yōu)化的補償模式就是采用小容量的固定補償，根據(jù)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(tài)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(shè)備的帶載率，實現(xiàn)實時補償，并濾除部分諧波。

4 TSC補償設(shè)備的性能特點（表1）

5 牽引網(wǎng)最佳的補償方案

通過分析TSC補償設(shè)備的特點，不難看出在快速調(diào)節(jié)無功變化的場合，TSC補償設(shè)備有不可替代的優(yōu)越性，晶閘管電子無觸點開關(guān)既具有過零投切涌流小，無過電壓的優(yōu)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(xiàn)無過渡過程的平穩(wěn)投入和切除（動態(tài)響應(yīng)時間0.01～0.02s）。

而針對于牽引網(wǎng)供電的特點，牽引網(wǎng)根據(jù)各個區(qū)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(wǎng)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(shù)，就會增加投資。而對于大容量的補償負荷又起不到應(yīng)有的補償效果。

同時，由于現(xiàn)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(qū)段過補嚴重，也會影響到補償效果。

針對牽引網(wǎng)供電的特點，提出靜止補償模式FC與TSC動態(tài)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(wǎng)變壓器的空載損耗以及基礎(chǔ)負荷進行補償，確保在沒有其他動態(tài)負荷存在的情況下，保證牽引網(wǎng)供電變壓器的公共連接點的功率因數(shù)計量達到0.90以上。（2）TSC動態(tài)補償電容器組針對于牽引網(wǎng)負荷變化做出快速補償，確保能夠跟蹤牽引網(wǎng)中動態(tài)負荷的無功變化，確保在有動態(tài)負荷存在的情況下，保證牽引網(wǎng)供電變壓器的公共連接點的功率因數(shù)計量達到0.90以上。（3）通過FC+TSC的配合補償?shù)淖饔?，使牽引網(wǎng)該區(qū)段的月平均功率因數(shù)達到0.9以上滿足供電局對用戶的要求。

圖1為牽引網(wǎng)FC+TSC的補償一次系統(tǒng)圖，左側(cè)為TSC快速補償模式、右側(cè)為FC固定補償模式。

圖1 FC+TSC補償系統(tǒng)圖

6 結(jié)束語

在電氣化鐵路飛速發(fā)展的現(xiàn)在，隨著電能質(zhì)量問題在電氣化鐵路中凸顯，嚴重制約了電氣化鐵路的發(fā)展，因此采用更加科學(xué)可靠的電能治理方案是現(xiàn)在亟待解決的問題，特別是在鐵路電氣化還不發(fā)達的地區(qū)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(shù)的發(fā)展應(yīng)運而生，為電氣化鐵路的發(fā)展提供新的電能治理方案。

參考文獻

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