电气化铁路牵引供电系统无功补偿方案分析

（） １ 固定 并联 电容补 偿装 置
这 种 补偿 方 式 是 在 利 用 真 空 断路 器 分 组 投 切 电容 器 的基 础 上发 展而 来 的，但其 功能 却大 大优 于
利用真空断路器投切电容器 。这种补偿方式的原理
是 ，根 据一 定 的寻优 模 式 ，在 牵 引母线 上设 计 多组 电容 器支 路 ，这些支 路 由晶闸管 来控制 ，分 级 改变
电 力机 车 是 无 功 电流 源 ， 同 时 也 是 谐 波 电流
源 。因此 ，可 以从源 头上 进行 无功 补偿 ，以提 高功
偿方法的优点是结构简单、投资少，可以在一定程 度 上解 决牵 引 负荷过 补偿 和 欠补偿 的 问题 。这 种补
偿 方法 需要 对 补偿 电容进 行 频 繁 切 除 时 就 会 产 生 问题 ，即在 投切 过程 中会 有 一个暂 态 过程 ，产 生过
行 。 目前 这种 补偿 方式 已经 逐渐 被淘 汰 。
图 ２ 真 空 断 路 器 投切 电容 器组
（） 闸管投 切 电容器 Ｔ Ｃ ３晶 Ｓ
是 目前 电气化铁路无功补偿的主流。借鉴电力系统 无 功补 偿 的经 验 ， 目前 国 内外 电气 化铁 路无 功补 偿
方 案 共有 以下 几种 。
Ａｎ ｌ ｓｓｏ ｔ ａ ｅ ｙ ａ ｏ ｔＶａ ｍ ｐ ｎ ａ ｉ ｎ ｆ ｒＴｒ ｃ ｉ ｎ Ｐｏ ｒ ａ ｙ ｉ ｆＳ ｒ ｔ ｇ ｂ ｕ ｒＣｏ ｅ ｓ ｔ ｏ ａ ｔｏ ｗｅ ｏ
Ｓ ｐ ｌ ｙ ｔｍ ｓｏ ｅ ｔｉ ｅ ｉ ｙ ｕ ｐ ｙＳ ｓｅ ｆＥｌｃｒｆ ｄ Ｒａ ｌ ｉ ｗａ
ｄ ｆｅ ｅ ｔ ｓ ｈ ｍｅ ｃ ｎ ｅ ｅ ｗｉ ｅ ｂ ｖ ｗｅ ｅ ｃ ｍｐ ｅ ｔ ｎ ｏ ｅ ．Ａｄ ａ ｔ ｇ ｓ ｎ ｉ ｒ ｎ ｃ ｅ ｓ ｏ ｃ ｒ ｄ ｎ ｈ ｈ ｔ ｔ ａ ｏ ｅ ｒ ｏ ａ ｄ ｗｉ ｏ ｅ ａ ｔ ｒ ｒ ｈ ｎ ｈ ｖ ｎ ａ ｅ ａ ｄ ｄ ｓ ｄ ａ ｔ ｇ ｓｏ ｅ ｗｅ ｅ ｓ ｍｍ ａ ｉｅ ， ｎ ｌ ｄ ｎ ｐ ｌ ａ ｏ ｃ ａ ｉ ｎ ａ ｄ ａ ｐ ｉａ ｉ ｎ ｒ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ． ｉａ ｖ ｎ ａ ｅ ｆｔ ｍ ｒ ｕ ｈ ｒｚ ｄ ｉ ｃ ｕ ｉ ｇ ａ ｐ ｉ ｔ ｎ ｏ ｃ ｓｏ ｐ ｌ ｔ ｅ ｕ ｒ ｃｉ ｎ ｃ ｏ ｅ ｎｓ Ｓ ｖ ｒ ｏ ｓｒ ｃ ｖ ｕ ｇ ｓ ｏ ｓａ ｅｐ ｏ ｏ ｅ ｏ ｉ ｈ ｓ ｅ ｄ ｅｅ ｔ ｆｅ ａｌ ｙ ｃ ｎ ｔｕ ｔ ｎ ｅ ｅ ａ ｃ ｎ ｔ ｔ ｅｓ ｇ ｅ ｔ ｎ ｒ ｒ ｐ ｓ ｄ ｆ ｒ ｇ —ｐ ｅ ｌ ｃ ｒ ｄ ｒ ｗａ ｏ ｓｒ ｃ ｏ ． ｌ ｕｉ ｉ ｈ ｉ ｉ ｉ ｉ
电系统无功补偿 的各种 方案 。总结 出了各种方案优缺点 、适用场合及应用条件 ，为高速 电气化 铁路 建设提供 有意
借鉴 。
关键词 ：牵 引供 电系统 ；无功补偿 ；晶闸管投切滤波器 ；晶闸管控制 电抗器
中图分类号 ：Ｕ ２ ． ２ ３５ 文献标识码 ：Ａ 文章编 号：１７ —２ １ ０ １０ ．１３０ ６ ４３ ６ （ １）３０ ５ ．３ ２
Ｋｅ ｒ ｓ ｒ ｃ ｉ ｗｅ ｕｐ ｌ ｙｓｅ ｓ ｖ ｒｃ ｍｐ ｎ ａ ｏ ＴＳＦ； ｙ ｗｏ ｄ ：ｔａ ｔ ｐｏ ｒｓ ｐ ｙ ｓ ｔｍ ； ａ ｏ ｅ ｓ ｔ ｎ； ｏｎ ｉ ＴＣＲ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｎ ａ ｃ ｒ ａ ｃ ｔ ｔ ｓ ｅ ｉ ｃ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓ ｃ ｆ ｅｅ ｔ ｆ ｄ ｒ ｉ ｙ Ｓ ｔａ ｔ ｎ ｐ ｗｅ ｓｒ ｃ ：Ｉ ｃ ｏ ｄ ｎ ｅ ｗｉ ａ ｐ ｃｆ ｈ ｒ ｃｅ ｔ ｓ ｏ ｌ ｃｒ ｉ ａｌ ｈ ｉ ｉ ｉ ｉｅ ｗａ ’ ｒ ｃ ｉ ｏ ｒ ｏ ｓ ｐ ｌ ｙ ｔ ｍｓ ｕ ｐ ｙ ｓ ｓｅ ，ｗｉ ｅ ｅ ｅ ｃ ｏ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒ ｎ ｅ ｏ ａ ｏ ｅ ｓ ｔ ｎ ｉ ｏ ｒ ｓ ｓ ｍｓ ｅ ｅ ａ ｈ ｔ ｒ ｆ ｒ ｎ ｅ ｔ ｘ ｅ ｅ ｃ ｆ ｖ ｒ ｃ ｍｐ ｎ ａｉ ｎ ｐ ｗｅ ｙ ｔ ｈ ｉ ｏ ｅ ，ｓ ｖ ｒ ｌ
消除谐波 ，不能有效抑制负序 。仅仅考虑无功补偿
时 ，可 以采用 这种 补偿 方案 ，但 需要考 虑 电容 支路 对 谐波 的放 大作 用 。 （） 闸管投 切滤 波器 Ｔ Ｆ ４晶 Ｓ
ＩＩ ｔ
一
， 无功补 偿
牵引负荷
将 Ｔ Ｃ 电容 器 组改成 滤波 支路 ， 构成 了晶 闸 Ｓ 就 管投 切滤 波器 ，如 图 ３所示 。这种 补偿 装 置除继 承
０８ － ．５ ． ０８．由于牵 引 网 阻抗 及 牵 引变压 器 阻抗 的影 ０ 响 ， 牵 引 变 压 器 的 高 压 侧 功 率 因 数 一 般 为
Ｏ ７ ． ８。 ．７ ０ ７ ｔ
．
１ 电气化铁路对电力系统的影响
飞 速 发 展 的 电气 化 铁 路 在 为社 会 做 出 巨大 贡
Ｖｏ ． １ Ｎｏ ３ １ ， ． ３
Ｊ ｎ ２ １ ｕ．０ｌ
电气 化铁路 牵 引供 电系统 无功补偿方 案分析
肖敬 帅 ，魏 玲
（ 辽宁工 业大 学 电气工 程学 院 ，辽 宁 锦 州 １１０ ） ２０ １
摘
要 ：针对 电气化铁路牵 引供 电系统 的特 点，借鉴 电力系统无功补偿经验 ，比较分析 了电气化铁 路牵 引供
制了电气化铁路 自身的发展。电气化铁路对电力系
统 的影 响主 要体 现在 以下 几个 方面 。 （） 引负 荷功 率 因数低 １牵 我 国 电力 机 车大 多数 是交一 直整 流型 ， 由于交 流 侧 电流 波 形 畸 变 及 整 流 换 相 过 程 中 重 叠 导通 角 的
影 响 ，造 成 电力 机车 的功率 因数 很低 ，一 般 为
１４ ５
辽宁工业 大学学报 （ 自然科 学版 ）
第 ３ 卷 １
波 ，是 一个 谐波 电流 源 。 电力机 车采 用脉 动数 为 ２ 的单相 整流 桥 ，其特 征谐 波 为奇次 谐波 。机 车在 启
稳 定性 较 差 。轻 载 正 计 ”的无 功 电能计 量方 式下 ，反 而会 造 反
动及过分区时，将产生大大高于额定电流的励磁涌
流， 励磁 涌流 不仅 含有 奇 次谐波 ， 含 有偶 次谐 波 。 还
（） ３ 负序 电流
成功率 因数 降低 。 目前 大 部分牵 引变 电所均 采用 这 种补 偿方 式 ， 通过 对其 进行 优化 ， 以提 高其 性 能 。 可 （） ２ 利用 真空 断路 器分 组投 切 电容器 这种 补偿 方式 将 电容器 进 行分组 ，根据 牵 引负 荷情 况依 次 投入 或切 除补偿 电容 ，以便于 一定 程度 上 解决 过补 偿和 欠补 偿 问题 ，如 图 ２所 示 。这 种补
ＸＩ ＡＯ ｉ ｇ ｓ ａ， ＥＩＬｉ ｇ Ｊ ｎ —ｈｕ ｉ Ｗ ｎ
（ ｅ ｔ ｃ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｌ ｇ ， ｉ ｏ ｉ ｇ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｆ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｊｎ ｈ ｕ １ １ ０１ Ｃｈ ｎ ） Ｅｌｃ ｒ ￣ ｉ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ Ｃｏｌ ｅ Ｌ ａ ｎ ｎ ｉ ｅ ｓ ｙｏ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ， ｉ ｚ ｏ ２ ０ ， ｉ ａ ｅ ｔ
由于 牵 引负荷 是 单相运 动 负荷 ，将 造 成 电力系 统 的三相 不对 称 ，在 电力 网 中产生 负序 电流 。 为 了使 电气 化铁 路更 好 的服 务社会 ，必须 就 电 气化 铁 路对 电力 系统 的严 重 影响进 行深 入研 究 。
２ 牵弓供 电系统无功补偿方案分析 ｌ
牵引变压器
｛
速 度 快 ，其动 态 响应 时间约 为 ０ １００ ，可 以 ． ～ ．２ｓ］ ０ 快速 跟踪 冲击 负荷 的 突变 ； 电流 冲击 小 ，不产 生过 电压 ； 噪 声 。其缺 点是 投资 过大 ；只 能分 组投 切 ， 无
不 能连 续调 节无 功功 率 ；只 能进 行无 功补 偿 ，不 能
补偿 装 置的无 功补 偿 。这 种补 偿装 置 的优 点是 响应
这 种 补 偿 方 式 在 牵 引变 电 所 牵 引 侧 安 装 并 联
电容 补偿 装 置【，如 图 １所示 ，其 中 ， 为 并联 电容 ６ 】 ｃ
无 功 补偿 电流 ，，为 牵 引负荷 电流 。这 种补 偿装 置 ｆ 的优 点是 结构 简单 、投 资少 、容 量大 ，在 提高牵 引 负荷 功率 因 数 的同时 ，可 以滤 除特 定次 谐波 。其缺 点 是不 能对牵 引负荷 进行 动态 补偿 、易产 生谐振 、
电压和 过 电流 ，影 响 电容器 和 串联 电抗 器 的稳 定 运
率 因数 ，同 时进 行谐 波 消 除 。具 体 方 式是 ， 机 车 在 牵 引绕组 中 ，设 置 晶 闸管投切 的 ３次 谐振 电容 补偿 装置 （Ｓ ） Ｔ Ｆ 。３ 次 谐振 补偿 装 置 可 以根据 负 荷变 化 对其 进行 动态 补偿 ，同时兼 具 消除部 分谐 波 。这种 补偿 方 式可 以就地 进 行动 态补 偿 。缺 点 是投 资费用 大 、 安装 补偿 容量 不 能满足 要求 、 行 环境 恶劣 。 所 运 我 国 仅 有 少 部 分 机 车 装 有 这 种 补 偿 装 置 ， 例 如 Ｓ４ Ｓ Ｇ、Ｓ ６ Ｓ Ｂ、Ｓ ７ Ｓ Ｃ、８ Ｓ 、Ｓ ７ Ｋ、６ Ｋ等 Ｌ。 目前 投 ５ ｊ 入 运营 的 Ｃ ２型 ２０ｋ ｈ动车 组采 用交一 ． 传 ＲＨ ０ ｍ／ 直 交 动 系统 ，这种 系 统具 有功 率 因数 高 ，谐 波含 量少 的 优 点 ，可 以从 源 头消 除 对 电力 系 统 的 “ 染 ” 污 ，是 将 来机 车发 展 的方 向。 另 一种 补偿 是在 牵 引变 电所 低压 侧进 行补 偿 ，
ｍｅ ｓ ｒ ｓ ａ ｕ ｒ ｏ ｅ ｓ ｔｏ ａ ｕ ｅ ｂｏ ｔＶａ ｃ ｍｐ ｎ ａ ｎ ｗｈｉｈ ｃ ｕ ｄ ｂ ｐｐ ｉ ｄ ｔ ｌｃ ｒｆｅ ａｌ ｙ ｉ ｃ ｏ ｌ ｅ ａ ｌｅ ｏ ｅｅ ｔｉ ｄ ｒ ｉｗａ ，ｗｅ ｅ ｓ ｉ ｒ ｕｍｍａ ｉ ｅ ｒｚ ｄ．Ａｌ ｌ
我 国第一 条 电气化 铁路 于 １５ ９ ８年 开工 建 设 ， １６ 年 宝凤 段 （ ９１ 宝鸡一 凤 州） 路 开始投 入运 营…。 铁 至此 ，我 国 电气 化铁 路开 始 了大规 模建 设 。相对 于 内燃 机 车和 蒸汽 机车 来说 ，电力机 车可 满足 高速 、 重载 、大 运量 的铁 路干 线及 大坡 度 、长隧 道 的 山区 运输 需 要 。
第 ３ 卷第 ３期 １ ２ ０１ １年 ６ 月
辽宁工业大学学报 （ 自然科学版）
Ｊ ｕｎｌ ｆ ｉｏ ｉｇＵｎｖ ｒ ｔ ｆ ｅｈ ｏｏ ｙＮａ ｒ ｃｅ ｃ ｄｔ ｎ ｏ ｒａ ｏ ａ ｎｎ ｉｅｓｙｏ ｃ ｎ ｌｇ （ ｔ ａ Ｓ ｉｎ ｅ ｉｏ ） Ｌ ｉ Ｔ ｕｌ Ｅ ｉ
献 的同时，也给 电力系统及其他 电力用户带来了严
重 的问题 ，这些 问题 不仅 影 响 了电 网的质 量 ，也 限
（） ２ 谐波 电流
由 于 电 力机 车 是 整 流 型 机 车 ，含 有 丰 富 的谐
收稿 日期 ：２ １— ４ ０ ０ １０ — １ 作者简 介： 肖敬 帅 （９ ２ ） １ ８ － ，男 ，湖北十堰人 ，硕士生 。 魏 玲 （９ ２ ） １７ － ，女 ，辽宁葫芦 岛人 ，教授 ，博士 。