铁路牵引供电系统中的无功补偿与谐波治理研究

铁路牵引供电系统中的无功补偿与谐波治理研究

黄巾伦

中车大连电力牵引研发中心有限公司  辽宁省大连市 116000

摘要：随着我国当前交通事业的不断发展，铁路建设范围和数量在不断的增加，不过由于周边环境和内部条件有一定的局限，导致铁路牵引供电系统无法正常运行，给后续工作带来诸多影响。因此，在实际工作中应加强对铁路牵引供电系统的全面管理以及维护，明确系统的构成特点和运行管理模式，确定针对性较强的维护管理模式，以预防为主加强周期性检测和定期保养的力度，贯彻落实精细化的管理原则，进而使系统更加安全、稳定地运行，促进行业的全面发展和进步。

关键词：铁路；牵引供电系统；无功补偿；谐波治理

1牵引系统的供电方式

牵引供电系统供电方式要根据当前的负荷大小和线路条件而进行精准性的确定，为保证供电电压水平的平稳性，在实施过程中要保证供电系统设计非常合理，确定带回流线的直接供电方式，要满足铁路运行的要求，还要掌握供电方式本身的优越性，如供电能力较大和末端电压较高等，全面提高铁路当前的运输能力。同时，还需要考虑外部电源点等需求加强工程费用的科学配置以及投入，避免出现资源浪费的问题，降低对接触悬挂在流量的要求，减小电流的密度。在实施工作中需要具体问题具体分析，选择合适的供电方式，并且考虑技术和经济方面的要素。枢纽地区的联络线和行走路线，要采取更高效率的供电方式，避免对后续的运行产生影响。

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27.5kV，而总的补偿容量不大，采用晶闸管控制电抗器（thyristorcontrolledreactor,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（magneticallycontrolledreactors,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。

在直流助磁的作用下，通过铁心变径，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。

3供电无功补偿方法

3.1SVC无功补偿工作原理

SVC无功补偿装置工作,U1为电源电压,r1及X1为牵引变压器每相的电阻和电抗,U2为牵引变电所母线电压,Xc为SVC电容器组的容抗,XL为电抗器的感抗,I1为牵引负荷,Ic为电容器回路容性电流。安装无功补偿装置后,牵引变电所的功率因数则由cosφ1仍提高到cosφ2。

3.2SVC无功补偿装置对压损的改进

电流将在线路等阻抗上产生电压损耗U,假如始端电压为U1,末端电压为U2,则电压损耗U为:

U=U1-U2=(PR+QX)/Un（1）

其中,P有功功率(kW);Q为无功功率(kvar);Un为额定电压(kV);R、X为电阻、电抗(Ω)。

当线路安装容量为Qc的SVC补偿装置后,线路电压损耗U'为:

U'=[PR+(Q-Qc)X]/Un（2）

由上式可得:无功功率Q变小,限制了无功功率在电网中的传输,减少了线路的电压损耗,提高了接触网的电压质量。

4电气化铁路的谐波抑制策略与方法

4.1通过技术的提升与改进主动抑制谐波

根据谐波的特性主动去将谐波按照科学合理的方法降低或者消除掉。主动抑制这种处理方式理论上是要改变影响谐波产生或者放大的装置或者设备的参数,更改变流装置本身的相位数,或者针对上面探讨过的谐波分量进行治理,如果要避免或者降低设备谐波分量的产生,具体的做法需要从谐波发生设备本身入手。可以采用的具体措施有研发新型整流设备,使其谐波分量为零,并且运行功率因数为1,这种整流设备即是单位功率因数整流器。这种设备通过调整脉宽校正功率因数的整流电路,已经在开关电源等中小功率整流设备中推广应用。此外,多脉冲整流电路也已经广泛应用在电解电源等大功率整流设备中。还可以通过改进产生谐波源的设备治理谐波问题。

4.2加装滤波装置对谐波进行抑制或者消除

(1)无源电力滤波器。无源电力滤波器(PPF)的主要作用就是消除掉谐波在供电网络或者用电设备中产生的电流。无源滤波器造价低并且稳定性比较高,另一方面这种滤波器在具有高可靠性的同时结构相对简便。无源电力滤波器是一种过滤消除电流的电子器件,与普通的电子器件不同的是无源滤波器的结构很特殊并且在起作用的时候是与谐波的发生源并联的,因为这样的结构特性可以将部分谐波产生的多余电流有效吸收消除从而降低谐波对电网的作用达到抑制的效果。但是无源滤波器的工作性能与电路的阻抗比有关,因此无源滤波器在实际的谐波治理应用中也存在一定的缺点,那就是无源滤波器容易受系统参数影响导致出现工作不稳定的情况,并且无法有效地进行无功补偿导致调压无法达到实际的需求,此外就是当谐波分量过大产生的电流会使得无源滤波器的寿命在一定程度上降低。

（2）有源电力滤波器。有源电力滤波器（APF）需要比无源滤波器更复杂的电子技术支持，才能在制造业中广泛应用。有源滤波器装置设计的工作方式是检测受谐波影响的设备中产生的谐波电流值，然后由有源滤波器中的装置产生相应的补偿电流进行补偿，以达到准确有效地消除或控制谐波的目的。有源滤波器与无源滤波器的不同之处在于，有源滤波器作为一种电子集成器件，在抑制谐波的同时进行动态补偿。有源电力滤波器的优点是，它们在滤除其他谐波的同时进行动态补偿，而不会引起有害的谐振。

在电力机车上添加有源电力滤波器通常需要更多的设备和成本，并且很难实现。然而，电力机车系统中电气设备上的绕组是谐波产生的来源之一。如果在其上安装特定的有源滤波装置，可以有效地抑制谐波。安装在源头的过滤设备是有针对性的，但它也可以降低一定的成本。然而，这种方法通常需要科学的设计和安装才能达到显著的谐波控制效果。总之，有源滤波器比无源滤波器具有更好的性能、更高的效率，并且不太容易受到阻抗等不稳定因素的影响，并且它们的响应速度和控制性能优异。然而，有源滤波器也有其自身的局限性，主要是由于其成本高，容量不足，无法完全满足需求，其自身性能仍需通过科学技术的应用进一步提高。

（3）混合动力滤波器设备。混合动力滤波设备结合了静态无源滤波设备和有源滤波设备的特点，可以根据系统实际运行情况进行合理集成和使用。也就是说，一部分容量通过无源滤波进行补偿，另一部分则依靠有源滤波设备来补充补偿不足的容量。优点在于，一方面，部分容量采用静态滤波无功补偿，与有源滤波相比，大大降低了设备的整体投资。同时，动态滤波用于剩余容量，与静态滤波补偿设备相比，最终增加了补偿设备的应变能力。从而集中了这两种过滤方法的优点。由于其优越的性价比，这种方法正受到越来越多的关注。

结论

在当前铁路牵引供电系统维护工作中，需要按照不同组成部分提出有效的运营和维护方案，同时还需要考虑负荷的特点，做好零部件的更换以及维修，并通过定时保养快速发现在设备的干扰因素，通过集约化的维修方式使系统运行更加安全，提高铁路行业的发展水平。

参考文献：

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