鐵路牽引供電系統中無功補償設備標準性能研究

摘 "要：電氣化鐵路的牽引供電常規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，電力機車會產生部分諧波干擾等現象。該文對電氣化鐵道牽引供電系統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）在鐵路電氣系統中的應用，介紹兩者的原理和技術特點。TCR利用晶閘管控制實現電抗器的電流和電壓調節，具備精確控制和快速響應的特性。MCR通過磁控技術調整電抗器的感性水平，具備穩定性和耐高溫的特點。通過2種設備在鐵路應用中的共同特征與區別，其都在鐵路牽引供電系統中發揮關鍵作用，實現對電流和電壓的調節，以適應不同的運行需求。同時，TCR和MCR均具備數字化控制和智能化運行的潛力，可以通過先進的監控系統實現對整個電氣系統的優化。通過對比分析其在性能、安全性、經濟性和可靠性等方面的異同，為后續鐵路電氣系統中選擇適當的電抗器提供參考思路。

關鍵詞：電氣化鐵路；牽引供電系統；無功補償；功率因數；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立了多個牽引變電所，由此組成了電力牽引供電系統。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換的核心，其將電力系統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的保障。但是，由于鐵路機車在牽引變電所所在供電臂范圍內運行時，產生了網壓波動及諧波干擾。網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電能質量進行整治。主要問題為現有的變電所補償方法普遍存在補償效果不到位，具體體現在過補償、欠補償上，無功補償不準確會損害到變電設備和電網系統，電壓補償后欠補，功率因數達不到0.9。針對以上補償無法達到0.9功率因數問題，目前主要采用動態補償裝置，靈活調整補償功率，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，目前主要采用動態補償的方式。牽引變電所單相電壓為27.5 kV，從牽引變電所母線上接補償裝置，動態補償的方式主要采用晶閘管控制電抗器（TCR）和磁控電抗器（MCR）自動調容動態無功補償裝置進行調容。

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節：晶閘管控制電抗器調節原理對可控晶閘管導通時間進行控制，控制角為？琢，電流基波分量調節控制角？琢的增大從而減小，控制角？琢可在0～90°范圍內變化。

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缺點大致表現在以下幾方面：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迅速、靈活性高、可擴容等優點。④晶閘管閥組占用室內空間，其余設備占用室外空間，室內需安裝配套冷卻工業空調。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）技術的靜止型動態無功補償裝置，MCR型SVC的簡稱。磁控電抗器采用直流勵磁原理，采調節其磁飽和度，改變其輸出的感性無功功率，調整電容器組相關容性無功功率，實現無功功率的穩定調節。

在國外，MCR技術得到發達技術國家的重視。美國電力科學研究院于2002年9月宣布推廣MCR技術在其國內的應用。俄羅斯已有110 kV容量達到500 Mvar的MCR在電網中投入使用。隨著MCR技術本身的一些不足得到調整，MCR作為性價比較高的一種動態無功補償裝置，已得到業界的廣泛認可，權威機構論證其大有替代TCR技術的趨勢。

MCR產品受到了美國、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、簡單的冷卻系統等為MCR奠定了堅實的基礎，是當今動態無功補償產品的主流。

對于傳統電抗器，磁控電抗器能夠提供更快的響應速度，降低了系統中的電流涌浪。具有過熱保護和故障檢測功能，可減少設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。

技術特點：①磁控電抗器自動控制可以通過電抗器的內部繞組來完成，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，以此實現連調，其容量大小調節時間較短，結合變電所無功功率調節反應快，達到柔性補償的效果。③采用低壓可控硅控制，發熱量很小，可靠安全，采用自然冷卻即可，無須輔助空調、水冷設備，運行時不需要承受高電流、高電壓影響。④磁控電抗器結構較簡單，戶外布置，磁控電抗器需要配套油池，油池基礎與房屋和變壓器距離需滿足防火規范。⑤MCR有功損耗較低。⑥MCR調節裝置為可控硅，可控硅無須串、并聯，可控硅放置于鐵芯副邊，運行可靠安全，不易發生擊穿。⑦磁控電抗器如果二極管或可控硅停止運行，其設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型動態補償裝置的核心部件，目前磁控電抗器已發展到第三代磁控電抗器——磁路并聯漏磁自屏蔽式可控電抗器，與一代、二代技術相比具有明顯技術優勢。采用自屏蔽電磁技術及多階梯小截面飽和技術，磁控電抗器調節效率得以提升。該設備具有免維護，使用年限長、損耗低、噪音小和響應快等優點。

1.3 "晶閘管控制電抗器和磁控電抗器技術共同點

兩者均用于鐵路牽引供電系統中，通過數字化控制系統實現智能化的運行和監控，均具備較快的響應速度，適用于鐵路牽引供電系統快速調節的場景。通過調整電抗器來優化整個鐵路牽引供電系統的性能，提高能源利用效率。

2 "晶閘管控制電抗器和磁控電抗器經濟性分析

2.1 "成本比較

2.1.1 "晶閘管控制電抗器經濟性

優點：①具有精確的電流和電壓控制，可以實現精細的能量調節，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，因為晶閘管技術要求更先進的電子元件。②對于高功率系統，可能需要更復雜的冷卻系統，增加了初始投資。

2.1.2 "磁控電抗器經濟性

優點：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，不需要過多地調節和控制。

缺點：在高負載條件下，可能出現能耗較高的情況，因為響應速度相對較慢。

2.2 "能效比較

2.2.1 "晶閘管控制電抗器的經濟性

優點：①在廣泛的負載范圍內具有高效率，因為它可以實現更精密的電能調控。②適用于復雜的鐵路電氣系統，對電能質量要求高。

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

2.2.2 "磁控電抗器的經濟性

優點：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，不需要過多地調節和控制。

缺點：在高負載條件下，可能出現能耗較高的情況，因為響應速度相對較慢。

2.3 "經濟性分析總結

通過綜合考慮成本和能效，晶閘管控制電抗器前期建設費用較高，運營費用較低。磁控電抗器前期建設費用較低，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需求。在長期運行和能源效率方面的優劣可以影響系統的總體經濟性。

3 "晶閘管控制電抗器和磁控電抗器未來發展趨勢

晶閘管控制電抗器的發展趨勢：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實現更精細的電能調節。著力于提高晶閘管元件的能效，以降低系統能耗，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不同交通電力系統的需求，包括高速鐵路、城市軌道交通等，拓展其應用領域。

磁控電抗器的發展趨勢：進一步研究和采用先進材料和制造技術，提高磁控電抗器的性能和耐久性。推動磁控電抗器的設計更加符合可持續發展的標準，減少對環境的影響。強調靈活性和模塊化設計，使磁控電抗器更易于集成到不同類型的鐵路系統中，提高其適應性。

共同發展趨勢：智能化和數字化將貫穿整個鐵路電氣系統，晶閘管控制電抗器和磁控電抗器也將更緊密地與網絡連接，實現實時監測和遠程控制。

引入更先進的故障預測技術，通過實時監測數據進行分析，提前發現潛在問題，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控和系統優化，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用中的發展將積極響應新技術的引入和市場需求的變化，致力于提供更可靠、高效、環保的解決方案。

4 "晶閘管控制電抗器和磁控電抗器的優缺點分析

晶閘管控制電抗器和磁控電抗器的優缺點見表1。

5 "結束語

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

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