电力电容器在8K型电力机车上的功补和滤波作用

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1、 铁道部命名的8K型电力机车是铁道部选定由法国阿尔斯通公司牵头的 欧洲 五十赫兹集团推荐的8轴交——直流传动大功率电力机车，机车额定功率 6400kW，在牵引及再生发挥50%及以上的额定功率时，要求机车功率因数不 小于0.9,在额定工况下，距牵引变 电所10km处要求原边电流中三次谐波含量 不超过3.4%，五次谐波含量不超过2.6%，7次谐波 含量不超过2.6%。 为了达到上述二项要求,8K型电力机车上装设了 3次和5次谐波谐振电路, 这种兼有提高功率 因数和抑制3次、5次谐波电流的装置称为功率因数补偿装 置，简称 AFP(法文 Ame'lioration du Facrur de Pui

2、ssanee)。 1 AFP作用的原理 8K型电力机车的传动方式是交直系统即电网交流电通过可控硅整流，为直流牵引电动 机供电，由于主回路大量采用晶闸管，其缺点是功率因数低，产生大量谐波，尤其在采用 再生制动技术后，情况更为严重，为了改善8K型电力机车的功率因数和电网波形，除了 在牵引变电站 安装滤波和功率因数补偿装置之外，又在电力机车上装有L-C组成的AFP 无源滤波电路，该滤波支路设计在3次和5次低次谐波的准谐振点处，吸收主整流器非线 负载所产生的谐波电流，使机车主变压器绕组内电流波形得以改善，如图1所示。与此同 时，AFP滤波电路在基波网压 的作用下产生基波容性电流，可对相控整流机车滞

3、后的负载 电流起到补偿作用，从而改善了机车的相位移点数，这两方面的共同作用，可使机车功率 因数有明显提咼。 图1加装L-C功率因数补偿装置主电路 图1中整流电路采用半控桥，它与机车主变压器次边一段绕组联结，次边绕 组电压为u=umsinwt, L|为换算到变压器次边绕组接触网一侧的等效电感，包括 变电站变压 器和线路的电感，因此它是个随机车离牵引变电站距离而变化的变 量，电阻忽略不计，Lt为机车主变压器换算到次边绕组的漏电感，L和C为谐 波支路的谐振电感和电容，Ld为直流回路的平波电抗器电感，i为主变压器次边 绕组电流，ic为谐波支路电容电流，ld和Ud为直流回路平均输出电流和电压

4、， 直流输出功率Pd =ud.id。 图2表示变压器次边绕组电流i波形，曲线1表示不装L-C功率因数补偿装 置时的电流波形，而曲线2表示装有功率因数补偿装置时的波形，后者比较接 近于正弦波，而且电流峰值明显增力口，且向前移动，与变压器次边电压在相位 上基本一致，其结果是使机车功率因数有明显提 高。 图2电流波形是相应于控制角a较小，接近满开放的工况，图3则表示控 制角a=90°时变压器绕组内电流i的波形。从图可见，不装功率因数补偿装置 时，在3ts9O。期间，由于图1中晶闸管T1和T2关断，直流负载电流Id经二 级管续流，变压器绕组电流i=0，只有在wt>90°时，晶闸管触发导通，才有

5、负 载电流Id流经 变压器次边绕组，加装功率因数补偿装置后，即使在3tV90。期 间，变压器次边绕组 流过滤波支路的电容电流i「。两者比较可见，加装功率因 数补偿装置后，电网电流在一个周期内比较接近正弦波，功率传输P=u.i比较 均匀，虽然是脉动的，但无间歇时刻，滤波器起着储能和供能的调节作用。由 此可见，在电力机车上装有L-C组成AFP的无源 滤波电路，不但降低主变压器 绕组内的谐波电流，而且提高电力机车的功率因数。 2 AFP的构成 AFP装置主要抑制3次、5次谐波电流，8K型电力机车牵引变压器牵引绕 组有4个，每个绕组上 并联有1个AFP装置，其电路如图4。

6、 图4 一组AFP电路原理图 8K型电力机车的AFP装置在设计时，近似认为畸变系数Y=1，则功率因数 可用相移因数cos%来代替，此时无功补偿容量Q和相移因数cos申2的关系可 用下式决定： 式中P——机车持续功率(P=6400kW); cos% 功率因数补偿前相移因数(cos%=0.82)； cos屮2 功率因数补偿后相移因数(cos屮2=0.99)。 计算得到Q=3600kvar,相当于机车持续功率的56.25%。补偿电容分为8 组，每组为450k var。现以其中1组(图4)为例说明如下： 根据3次和5次谐振电路中电容器承受电压相等原则，将450kvar所需电

7、容量分为900pF(CAP11H3)和300pF(CAP11H5)两种，各自串联电抗器的电感 量分别为1.25mH(SF1 1H3)和1.35mH(SF11H5)。相当的谐振频率分别为 150Hz和250Hz。AFP的投入和 切除用晶闸管交流开关(TYR11)来实现。交流 接触器(C11)作故障隔离用。电容器两 端 并联了放电电阻R(DC)CAP11H3和 R(DC)CAP11H5，保证AFP断电后电容器两端电压在1s内降到低于100V， 当AFP再次投入时电容器上不会发生大的电压冲击。打开中央柜时，安全 联锁 开关BVR11可将电容器一一电抗器两端通过电阻R(DC)CAP11放电，以保证 人

8、身 安全。谐波电流的测量用电流互感器TFI1Q(I)的信号，作过电流保护用。 8K型电力机车的AFP参数选择条件是： (1) 电网电压最咼不超过29kV ； (2) 牵引电动机起动电流为1.5倍持续电流； (3) 功率因数提高到0.99。 因此，与合同规定的技术要求相比，8K型电力机车AFP设计裕量很大，各 元件是安全的。 主要元件参数 主电容器： 型号 4RH7 240-2EZ20-ZA14 额定电压 1970V 额定容量 244kvar 标称电容 150》F±5% 重量 50pF±5%。 成组时电容值允差为士 23% 52kg 调整电容器： 型号

9、 4RH7 120-2EZ20-ZA14 额定电压 1970V 额定容量 116kvar 标称电容 35+30+15+15》F±5% 重量 53kg 电抗器： 型式 有铁心、油冷式、与机车牵引变压器同箱体 3次谐振电感 1.25mH±2% 5次谐振电感 1.35mH±2% 晶闸管： 型号 T9G03408 正向阻断重复峰值电压 3400V 额定正向平均电流 900A 电阻： 电容器放电电阻 1.35kQ±10% 安全放电电阻 56Q±10% 晶闸管过电压保护RC： 电容 2|jF±5%, 2500V 电阻 12Q±10% 为了使3次

10、和5次谐振滤波电路的谐振频率控制在规定范围内，对电容器 和电抗器单件制造时 作了允差规定，但装车后必须将L-C乘积限制在±3%范围 内，即3次谐振滤波器的名义谐振频率是150Hz，实际允差最大谐振频率 152.30Hz,最小谐振频率147.80Hz； 5次谐振滤波 器的名义谐振频率为250Hz， 实际允差最大谐振频率253.83Hz最小谐振频率246.33Hz。因此，根据电抗器 测试值，配以适当的电容量，使谐振频率在上述允差范围内，这种调节由调整 电 容器上4组电容抽头中选取。每个AFP有6个主电容器和1个调整电容器。 3 AFP的投切原则 根据要求，机车在额定电流和50%额定电压时功率因

11、数不低于0.9,贝U经过 SACSO程序计算，8 K型电力机车在牵引工况时AFP的投切分三个阶段，见图 5。图中区域A为低于50%额定电 压区，此时AFP不投入工作。区域B为全控 桥所接的4组AFP投入，此时无功补偿容量为18 00kvar，区域C为全控桥上 的AFP和半控桥上的AFP均投入工作，此时补偿无功容量为360 0kvar。 再生制动工况时，由于只有全控桥在工作，AFP的投切上分为两个区域， 区域D为AFP不 投入工作，区域E为全控桥上的AFP投入工作。 图5 8K型电力机车AFP投切分区图 图6 8K型电力机车功率因数曲线 无论牵引工况或再生制动工况，AFP

12、的投切其区域的边界是一个带状区域, 同样由SACSO程序计算而作出，以免AFP频繁投切。 AFP的投切采用晶闸管反并联构成的交流开关，为避免电流冲击，在交流 电压为零时投入AFP，此时电容器上的电压由于两端并联放电电阻，在上次 AFP切除时电容器已经放电到低于100 V。由于AFP的投入，在机车电路中引 起下列变化： （1） 换向角的变小； （2） 提咼了父流电压； 其结果引起直流输出电压的增加。在牵引工况下，整流电压提高可由改变控 制角或调节牵引电动机励磁电流来补偿。在再生制动时，整流电压增加引起电 流的下降，下降后的电流如果 达到AFP切除时的电流门槛值时，导致AFP切 除。切除后

13、电流上升（甚至电流冲击引起过电流 继电器动作），再次达到AFP投 入电流门槛值时，AFP再投入。为避免这样频繁投切，在再生制动时，控制电 路作了适当处理。 表1牵引工况 项 目 无AFP 有AFP v (km/h) 0 3 12 18 34 50 60 70 80 90 li(A) 4 60 80 65 120 150 150 146 146 140 I3（A） 2 27.8 11.5 1.2 19.6 1.4 4.2 2.2 2.2 3.4 I5(A) 0.4 1.5 14 0.6 0.6 1.7 1.

14、2 1 1 1 I") 0.2 9.3 4.4 4 10 5 2.8 4.2 3.2 2.8 Ip(A) 0.4 7.2 7.2 4.5 7.8 3.8 3.4 4.6 4.6 4.2 IM(A) 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1000 1000 1000 1000 1/1(%) 50 46.3 14.3 1.8 16.3 0.9 2.8 1.5 1.5 2.4 I/』％） 10 2.5 17.5 0.9 0.5 1.1 0.8 0.6 0.6 0.

15、 7 |儿(％) 5 15.5 5.5 6.1 8.3 3.3 1.8 2.8 2.1 2.0 注：1[ 基波电流；I3 3次谐波电流；I5 5次谐波电流; 17——7次谐波电流； Ip——等效干扰电流；lM—牵引电动机电流。 表 2 牵引工况，有列车交会时 AFP 投入 v(km/h) 22.7 32.2 40 50.2 60 70 80 90 100 k(A) 78 120 118 152 151 147 146 141 123 I3(A) 6.6 17.7 7 8 5.4 5 4.8 5.4

16、 4.6 I5(A) 1 1 2 1.6 1.6 0.8 0.8 1.4 0.4 I") 3.4 8.6 4 4.4 2.4 2.8 2.8 2.4 2.6 Ip(A) 3.2 7.8 4.4 4 3.6 4.4 4.4 4.4 3.8 Im(a) 1100 1100 1100 1100 1000 1000 1000 1000 900 1/1(%) 8.4 14.7 5.9 5.2 3.5 3.4 3.2 3.8 3.7 1/1(%) 1.2 0.8 1.6 1.0 1.0 0.5

17、 0.5 0.9 0.3 ^1(%) 4.3 7.1 3.3 2.8 1.5 1.9 1.9 1.7 2.1 4 AFP使用后的效果 第一批机车部件制成和第一台机车落成后，机车在法国国营铁路线上 (BELFORT-MULHOUS E区段)进行了型式试验，试验结果所有技术指标均满足 了技术参数的要求。机车的型式试验中，各测量点的数据通过传感器用电子计 算机采集、整理和计算，具有较高的同步性和准确 度。 AFP装置全部投入时达3600kvar，不论在牵引或再生工况，当机车发挥功 率超过额定功率的一半时，机车功率因数曲线如图6。机车上有AFP与无AFP 装置，其功

18、率因数的差别是明显 的，图7是8K型电力机车再生时的，有AFP 与无AFP装置的两级功率因数曲线。 8K型电力机车的AFP装置也起到过滤高次谐波和抑制干扰电流作用，8K 型电力 机车发挥最大 功率时的原边基波电流曲线如图8。其3、5、7次谐波含 量曲线如图9〜11，相对应数据见表1〜4, 8K型电力机车型式试验结果主要 数据见表5。 右5 1.& D： D5 10C0A 7：CA ―5ECA . ■■II y_ io皿 卄 吒u匸卞 和so iX 7C3 IX- m ■dkr^h'l 1迩涯赵宛I认AJ ］咸 y P I J 犁別芍一邓更申由編 朮哗捷挥丄

19、时矗即 ！ ： 亜章鼠看缸站ICkmfibW ;也閘］1 1C 2'） U i fO V ?i 90 ltJ lit 3 交电姑10km业M! 图8 8K型电力机车基波电流速度曲线 图9 8K型电力机车3 图7 8K型电力机车再生时功率因数曲线 表3再生工况，无AFP v(km/h) 100 90 80 70 60 50 30 20 15 10 5 0 li(A) 70 82 82 82 82 82 81 69 55 66 75 3 於） 17.6 21.2 21.6 21.6 21.6 21.6 11.8 1

20、1.6 23.2 26.6 21.6 3.8 I5（A） 8.8 11 11 11.4 10.4 10.0 3.4 11.6 3.4 4 11.6 12.2 17(A) 5 6.2 6.2 6.2 6.2 5.4 5 0.8 8 8.6 4 7.8 Ip(A) 5.6 6.4 6.4 6.4 6.4 6.4 7.8 8.2 8 6.8 6.6 7 WA) 900 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 l“(％)

21、 25.1 25.8 26.3 26.3 26.3 26.3 14.5 16.8 42.1 40.3 28.8 5 1/1(%) 12.5 13.4 13.4 13.9 12.6 12.7 4.1 16.8 6.1 6.0 1 5.4 15 1儿（％） 7.1 7.5 7.5 7.5 7.5 6.5 6.1 1.1 14.5 13.0 5.3 9 JitDk^r 次谐 波含量曲线 表 4 再生工况， AFP 投入 v(km/h) 100 90 80 70 60 48 40 30 34.5

22、 34 34 34 34 li(A) 60 62 60 60 59 59 57 60.5 44.5 38. 5 34.5 31 27.5 l』A) 10.4 12.4 6.2 8.6 12 6.8 9.4 6.8 8.8 7.7 10.8 6.8 7 I5(A) 2 3.4 1.6 1.6 3.5 2 2.3 2.5 2.4 1.6 2.5 2 1.8 17(A) 4.8 4.5 4.2 8.6 4.3 4.4 1.5 3.5 3.3 2 1.2 1.2 1.2 Ip(A)

23、 4.1 4.2 4 4.2 4.2 4 4.3 4.5 4.2 3.6 3.2 2.8 2.6 Im(a) 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 900 800 700 650 600 1/1(%) 17.3 20.0 10.3 14.3 20.3 11.5 16.4 1 1.2 19.7 20.2 31.3 21.9 25.4 1/1(%) 4.0 5.4 2.6 2.6 5.9 3.3 4.0 4.1 5.3 4.1 7.2 6.4 6.5

24、 1儿(％) 8.0 7.2 7.0 14.3 7.2 7.4 2.6 5.7 7. 4 5.1 3.4 3.8 4.3 表5 8K型电力机车型式试验结果主要数据表 工 况 条件 轮周牵引(制动)力 (kN) 速度 (km/h) 功率因数 (%) 效率 (% ) 电流脉动系数 (%) 实测 合同 实测 合同 实测 合同 实测 合同 实测 合同 起动 轮径1234mm 682 0 1 轮径1200mm 673 628 0 0

25、 轮径1234mm 1200A 750V 475 49.4 95 82.6 <26.5 1015A 865V 386 61.7 97 85.6 持续 <31.7 轮径1200mm 1200A 750V 488 471 48 48 95 90 82.6 81 <26.5 24 1015A

26、865V 397 376.8 60 60 97 90 85.6 83 <31.7 33 轮径1200mm 半功率 1200 A 375V 488 471 25 25 87 90 72.8 1015A 433V 397 376.8 30 30 86.5 90 79.3 静止 轮径1234mm 430 制动力 轮径1200mm 442 431.5 恒功 轮径1234mm 385.8 49.7 98 制动力 轮

27、径1200mm 383.5 382.5 50 50 98 图10 8K型电力机车5次谐波含量曲线 图11 8K型电力机车7 次谐波含量曲线 5结论 AFP装置是8K型电力机车上的大容量功率因数补偿及滤波装置，从型式试验和实际运 行的大 量数据表示，计算和试验的结果基本吻合。8K型电力机车由于有AFP装置，因此 整机有较高的功率因数和较低的谐波含量和等效干扰电流。 作者单位： 宁波机车电容器研制中心（宁波315020） 参考文献 1•郑树选主编《8K型电力机车》 2•连级三《交-直型电力机车无源功率因数补偿装置补偿效果分析》 3•欧阳润《新一代电力机车交流滤波全膜电容器》