电气化铁路的牵引供电系统谐波含量多，功率因数低下，成为电气化铁路日趋严重并急需解决的问题。本文介绍一种新型动态滤波补偿装置-基于磁控电抗器型的新型动态滤波补偿装置（MSVC）的原理、结构、特点及在电气化铁路牵引变电所的应用效果，提出采用动态功补偿谐波治理装置MSVC彻底解决功率因数低，改善电气化铁路电能质量、节能降耗的办法。

引言

近年来，由于铁路运输列车的提速，车流密度和载重量的增加，使牵引负荷不断增大，使现有的电气化铁路的供电系统难以满足高速发展的需求。主要存在以下几个方面的问题。

1、牵引网电压波动过大  27.5kV牵引网的机车正常供电电压应为25kV，但实际接受的电压甚至低于20kV或高于31kV。电压过低使机车牵引能力下降，并导致能量损耗增大，造成效率降低和设备老化加快。

2、无功补偿措施不完善 电气化铁路的供电特点是：无功功率随时间大幅度的变动。如果只装设固定的并联电容器组，则经常处于过补偿或欠补偿状态。既恶化了牵引网的运行电压，又会因cosφ过低或无功倒送导致罚款增加。

3、牵引网的谐波污染 由于电力机车的调压调速要求，将使谐波电流分量较高，造成电网电压波形的畸变，对电力系统的运行产生不利的影响。离系统较远的变电所27.5kV母线电压非正弦系数可达到8～13%，谐波中以3、5、7次的谐波值最大，同时由于在110kV线路中可能存在谐振现象，通常5次谐波值要超过其余谐波。 

4、由于负荷不平衡引起的负序分量增大 电气化铁路的负荷是大容量的单相变动负荷。

其中，电力机车运行中产生的无功问题即电力机车牵引的自然功率因数偏低,导致接触网功率供电因数也很低，既给国家电力资源造成浪费,又给铁路部门带来不应有的罚款。长期以来, 我国电气化铁路普遍采用在牵引变电所 27.5 kV 母线上装设固定并联电容补偿装置的方法来提高功率因数。由于该方法是按照牵引变电所平均负荷所需的无功容量确定的，所以向供电系统补偿的容性无功基本上是个固定值，而电气化铁路的供电特点是：无功功率随时间大幅度的变动。固定补偿装置补偿的容性无功经常使牵引变电所“过补”或“欠补”，恶化了牵引网的运行电压，使功率因数达不到国家规定而被罚款,不仅如此，还增加了电气化铁路的运营成本。需要无功补偿装置改善电压质量，提高功率因数。

因此，采用电气化铁路无功补偿装置势在必行，提高电气化铁路功率因数有两种方法：一是提高负荷（电力机车）的功率因数，这可通过改造原有电力机车或研制高功率因数的电力机车来实现；二是实时监测及调节牵引系统的无功功率，使功率因数始终保持较高值。前一种方式由于需要大量的资金，短时间内还不能实现。而目前最成熟也是最经济的做法就是在牵引供电系统中设置无功功率补偿装置。以解决无功补偿和电压问题为主，兼顾滤波效果，以做到改善电能质量，提高功率因数。

现在比较常用的无功补偿装置有两种：一是采用电容器组，但是当供电馈线没有电力机车通过时，并联的电容器组向系统倒送无功，特别是运量小、无负荷或轻负荷概率较大的区段，过补偿十分突出。而电力部门对无功补偿装置实行＂反转正计＂（即把用户反送电力系统的无功与取用的无功电量绝对值相累加），使功率因数达远远不到0.9标准；目前，电力部门对大准线牵引供电实行的是大工业用电电价，根据功率因数的高低进行奖罚，功率因数为0.9时不奖不罚。功率因数每低于0.9一个百分点，电费增收0.5%，功率因数每高于一个百分点，电费减收0.15%。开关投切电容器组还产生涌流和电磁暂态，造成过电压，实际运行曾出现过用开关投切电容器组而引发的系统过电压事故；二是使用晶闸管控制电抗器（TCR），但价格贵，占地面积大，谐波含量大,稳定性差，现场维护量大。

采用一种基于磁控电抗器技术的动态滤波补偿装置（MSVC），其由磁控电抗器（MCR）加滤波电容器装置（LC）构成。与TCR型SVC装置相比，MSVC具有成本低、占地面积小、谐波发生量小、基本免维护等优点，能根据电力机车运行方式多变，负荷变化快的特点，作出快速跟踪补偿，实现无功功率平滑连续可调。同时其装置中的滤波电容器部分可以对机车产生的谐波进行治理，达到了无功补偿和谐波涌进的统筹兼顾。是电气化铁路系统中用于改善电能质量，提高功率因数最佳的选择。

电气化铁路工况分析

按国家最新规划，到2012年我国将建成铁路运 营里程1 1万公里，电气化率达到50％。在电气化带来优势的同时，也产生了无功、谐波和负序等严重影响 电能质量的问题。 

作为一种特殊的电力系统，其负载电力机车为波动性很大的大功率单相整流和逆变负荷，会通过牵引供电系统电网注入向较大的谐波电流，同时也会引起母线电压波动和三相电压不平衡等问题。

使用交直型电力机车的电气化铁路产生的谐波与其他非线性负荷的谐波相比具有一些明显特点：
　　1）单相独立性：虽然我国铁路的供电系统都采用两相供电制，但两相负荷相关性很小，通常认为两臂负荷是相互独立的。
　　2）随机波动性：谐波电流随基波负荷剧烈波动，范围很大。
　　3）相位广泛分布：谐波向量可在复平面4个象限上出现。
　　4）高压渗透性：电气化铁路是为数不多的高压用户，其任一次谐波都通过高压系统向全网渗透，不受变压器接线方式的阻碍。
　　5）稳态奇次性：单相整流负荷在稳态运行时只产生奇次谐波，只在涌流中含有偶次谐波。

4）不对称性：在供电系统中产生负序分量。

电气铁道牵引负荷

当前我国电气铁道上使用的电力机车有国产韶山-1（SS-1）、韶山-3（SS-3）、韶山一4（SS-4）型以及进口8G，8K型等。下面主要介绍国产电力机车，并以韶山一1型为例进行分析。

一、韶山-1型电力机车整流回路波形分析

韶山-1 型电力机车整流回路的原理接线如图2-4所示。当略去整流变压器的漏抗时，整流器V1、V2 在换流过程中的重叠角为零，两者互不相关，轮换导通。

图2-4 韶山-1 型电力机车原理图

二、电力机车的谐波特征

电力机车产生的谐波具有以下特征：

（1）当机车在牵引工作状态、整流回路投入工作时，便产生谐波。而在制动状态或靠惯性前进的隋行状态时，整流回路切除，不产生谐波。

（2）电力机车的牵引力正比于取自系统、经整流后的直流电流，该电流不因系统外界条件和运行方式而改变，而由机车的非线性特性产生的谐波电流成分与基波电流具有一定的比例关系。因此，电力机车为谐波电流源。

（3）电力机车采用单相全波不控或半控整流，交流侧的电流波形与横轴成镜对称。整流电路在整流过程中交流电压每一周期内直流侧整流电压的脉动数、即整流设备的脉冲数户P=2，故其产生的特征谐波次数为h=2k±1，k=1,2,3,4 .除h=1 的基波外，特征谐波为全部奇次谐波。

（4）比较各型电力机车的整流、调压方式和整流电压波形，在相同的条件下，韶山-1型的机车电流较接近于正弦波，产生的谐波相对较小，韶山-3型产生的谐波与韶山-4型相近而稍大，韶山-4 型产生的谐波较前两型为大，在控制过程中各次谐波电流含有率的变化也较大。

磁控电抗器型动态滤波补偿装置（MSVC ）原理

图3为磁控电抗器型动态滤波补偿装置接线方式。该装置主要包括磁控电抗器（MCR ）和滤波器 (LC)两部分。其中MCR 由晶闸管柜、全数字控制及保护系统、27.5kV磁控电抗器；LC回路由滤波电容器和滤波电抗器组成。磁控电抗器（MCR ）型动态滤波补偿技术是通过控制铁芯的磁通量来无级调节补偿电抗器的电流从而控制其感性无功的变化，并与电容器组相结合，达到实时自动补偿无功的目的，兼有滤除谐波的作用。当电力机车进入牵引变电所所辖范围时，LC回路充分补偿机车感性无功和谐波治理，磁控电抗器的容量调到最小（空载）；当电力机车驶出所辖电网以外后，电容器向系统倒送无功，此时，迅速调节磁控电抗器的容量到最大值，以吸收容性无功；在电力机车负荷变化的过程中，磁控电抗器快速跟踪补偿剩余容性无功，从而保证了高功率因数。

在牵引供电系统中，机车负荷为感性负荷，并且是变化的，有功为 P V ，无功为Q V 。MCR 和LC并联到27.5  kV供电系统中，根据恒无功功率理论，LC 部分产生恒定的容性无功Q C ；MCR 部分产生连续可变的感性无功QMTCR，则进线变压器提供的无功 Q N为：Q N = Q V - Q C + Q MCR。因此，调节Q MCR 就可达到使Q N ≤某一定值（常数）， 甚至可使Q N =0，即从理论上使功率因数达到1。 

磁可控电抗器原理及特性

　　磁控电抗器采用直流助磁原理，利用附加直流励磁磁化铁心，改变铁心磁导率，实现电抗值的连续可调，其内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高。

工作原理：

    磁控电抗器的主铁心分裂为两半（即铁心1和铁心2），截面积为A,每一半铁心截面积具有减小的一段，四个匝数为N/2的线圈分别对称地绕在两个半铁心柱上（半铁心柱上的线圈总匝数为N），每一半铁心柱的上下两绕组各有一抽头比为的抽头，它们之间接有晶闸管(),不同铁心上的上下两个绕组交叉连接后，并联至电网电源，续流二极管则横跨在交叉端点上。在整个容量调节范围内，大截面段铁芯始终处于磁铁性的未饱和线性区，磁阻相对于小截面段可忽略；小截面段的磁饱和度可设计得接近极限值。所以，磁控电抗器所产生的谐波远远小于TCR所产生的谐波。只有小面积段的磁路饱和，其余段均处于未饱和的线性状态，通过改变小截面段磁路的饱和程度来改变电抗器的容量。磁控电抗器制造工艺简单，成本低廉，对于提高电网的输电能力、调整电网电压、补偿无功功率以及限制过电压都有非常大的应用潜力。磁控电抗器的结构电路如图4所示。

图4 磁阀式可控电抗器的结构电路

    由图41可以看出，若、不导通，根据绕组结构的对称性可知，磁阀式可控电抗器相当于一个空载变压器。假设电源处于正半周，晶闸管承受正向电压，承受反向电压。若被触发导通（即、两点等电位），电源经变比为δ的线圈自耦变压后由匝数为的线圈向电路提供直流控制电压（）和电流、。不难得出导通时的等效电路如图5(a)所示。同理，若在电源的负半周导通（即、两点等电位），则可以得出如图5(b)所示的等效电路。

       (a)  导通                      (b)  导通

图5 晶闸管导通的等值电路图

    由图可见，触发导通所产生的控制电流和的方向与触发导通时所产生的一致，也就是说在电源的一个工频周期内，晶闸管、的轮流导通起了全波整流的作用，二极管起着续流作用。改变、的触发角便可改变控制电流的大小，从而改变电抗器铁心的磁通量，以平滑连续地调节电抗器的容量。

　技术特性：

◆ 可靠性

① 通过控制可控硅的控制角进行自动控制，可实现连续可调，并且从最小容量到最大容量的过渡时间很短，可以真正实现柔性补偿。投运后免维护，无须专人职守。

◆ 安全性

① 自励磁采用低压可控硅控制，不需要串、并联，承受电压只有总电压的0.5％～1％，不容易被击穿，运行稳定可靠。

② 可控硅处于铁芯副边回路，可控硅动作，整流控制产生的谐波不流入外交流系统。

③ 即使可控硅或二极管损坏，磁控电抗器也仅相当于一台空载变压器，不影响系统其他装置的运行。

◆ 经济优势

① 自励磁采用低电压可控硅控制，运行时无需承受高电压、大电流。发热量小，采用自然冷却即可，投运后可实现免维护。

② 磁控电抗器结构简单，占地面积小，基础投资大大压缩。

③ MSVC自身功耗低。

◆ 响应速度快

采用快速励磁技术，光电触发，光纤传输，在行业内率先实现响应时间为30ms

磁控电抗器型动态滤波补偿装置的应用效果

我国电气化铁路现有423 座牵引变电所,其中近一半的变电所因功率因数低而交纳了不同数量的罚款。为解决功率因数导致的罚款问题，在内蒙东乌铁路纳林西里牵引变电所采用磁控电抗器型动态滤波补偿装置，取得了较好的应用效果。

牵引站工况

该站有两路110KV电源进线，主变低压侧为AT供电方式

线路存在大量的容性无功过补现象，最大时可达3200Kvar，其中因为柒活线长76公里，架空线路产生部分线路容性无功，数值约为420Kvar，该站原有的补偿是固定电容组，不能跟据机车的运行及时作出变化，造成了系统容性无功过剩，在供电计量采用倒送正记的计量方式时使容性无功消耗过量，造成功率因数较低。同时机车运行时产生大量的谐波，经系统流入电网。造成电网谐波超标。具体如下：

工程改造实施方案

为综合解决无功过补和谐波超标问题，对本站原有固定补偿装置进行改造，把原有的电容补偿装置改造成5次兼高通滤波支路，新增3次滤波支路及磁控电抗器组合成新型磁控电抗器型动态滤波补偿装置（MSVC）。一次原理图如下：

MSVC装置投运后本系统各项电能指标：

Qmax=769Kvar,Qmin=0Kvar

COSΦmax=1, COSΦmin=0.97，平均为0.99

最大值为0.573 %，最小值为0，远远小于国家标准1.6%。

95%概率最大值为4.169A，最小值为0.462A，远远小于国家标准9.6A。

最大值为0.295%，最小值为0.039%，远远小于国家标准1.6%。

95%概率最大值为4.964A，最小值为0.393A，远远小于国家标准9.6A。

MSVC投运后，彻底解决了系统无功倒送的问题，有效补偿系统的无功功率，提高功率因数，并使功率因数稳定了0.99。有效地滤除掉了系统中的3次、5次谐波。达到了预期的设计目标。

结论

随着电气化铁路技术的进步，如高速铁路、城际轨道交通、重载铁路的工程应用中，对于电气铁道供电系统电能质量要求越来越高。通过上面的使用案例可以看到，新型磁控电抗器型动态滤波补偿装置（MSVC）能满足现场要求，快速、有效的补偿无功功率，有效的解决因系统无功功率波动问题带来的过补偿和欠补偿的问题。从经济角度讲，避免了牵引变电所每个月的巨额电费罚款，同时MSV装置还可以具有滤除谐波的功能，改善了供电电能质量，降低了电网网压波动，提高了接触网网压。 

MSVC装置的运用，不仅提高了牵引变压器等供电设备能力的利用率，而且大大减轻了对电力系统的发电机出力、供电网络电能损失、输变电设备供电能力等方面的影响，达到节约电能资源、降低运营成本的目的。对国民经济的发展具有重要意义。