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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 Amelioration du Facrur de Puissanee)。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， 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wt90时，晶闸管触发导通，才有负 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。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 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150F5%重量50pF5%。成组时电容值允差为士 23%52kg调整电容器：型号4RH7 120-2EZ20-ZA14额定电压1970V额定容量116kvar标称电容35+30+15+15F5%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1.25mH2%5次谐振电感1.35mH2%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1.35kQ10%安全放电电阻 56Q10%晶闸管过电压保护RC：电容2|jF5%, 2500V电阻 12Q10%为了使3次和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AFPv (km/h)031218345060708090li(A)4608065120150150146146140I3（A）227.811.51.219.61.44.22.22.23.4I5(A)0.41.5140.60.61.71.2111I)0.29.34.441052.84.23.22.8Ip(A)0.47.27.24.57.83.83.44.64.64.2IM(A)11001100110011001100110010001000100010001/1(%)5046.314.31.816.30.92.81.51.52.4I/）102.517.50.90.51.10.80.60.60. 7|儿()515.55.56.18.33.31.82.82.12.0注：1基波电流；I3 3次谐波电流；I55次谐波电流;177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)22.732.24050.260708090100k(A)78120118152151147146141123I3(A)6.617.7785.454.85.44.6I5(A)1121.61.60.80.81.40.4I)3.48.644.42.42.82.82.42.6Ip(A)3.27.84.443.64.44.44.43.8Im(a)110011001100110010001000100010009001/1(%)8.414.75.95.23.53.43.23.83.71/1(%)1.20.81.61.01.00.50.50.90.31(%)4.37.13.32.81.51.91.91.72.14 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911，相对应数据见表14, 8K型电力机车型式试验结果主要 数据见表5。右51.&D：D510C0A7：CA5ECA .II y_io皿 卄 吒u匸卞 和so iX7C3IX-mdkrhl1迩涯赵宛I认AJ 咸 yPI J犁別芍一邓更申由編 朮哗捷挥丄时矗即！：亜章鼠看缸站ICkmfibW ;也閘1 1C 2） U i fO V ?i 90 ltJ lit3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AFPv(km/h)10090807060503020151050li(A)70828282828281695566753於）17.621.221.621.621.621.611.811.623.226.621.63.8I5（A）8.8111111.410.410.03.411.63.4411.612.217(A)56.26.26.26.25.450.888.647.8Ip(A)5.66.46.46.46.46.47.88.286.86.67WA)90010001000100010001000100010001000100010001000l“()25.125.826.326.326.326.314.516.842.140.328.851/1(%)12.513.413.413.912.612.74.116.86.16.01 5.4151儿（）7.17.57.57.57.56.56.11.114.513.05.39JitDkr次谐 波含量曲线表 4 再生工况， AFP 投入v(km/h)1009080706048403034.534343434li(A)6062606059595760.544.538. 534.53127.5lA)10.412.46.28.6126.89.46.88.87.710.86.87I5(A)23.41.61.63.522.32.52.41.62.521.817(A)4.84.54.28.64.34.41.53.53.321.21.21.2Ip(A)4.14.244.24.244.34.54.23.63.22.82.6Im(a)100010001000100010001000100010009008007006506001/1(%)17.320.010.314.320.311.516.41 1.219.720.231.321.925.41/1(%)4.05.42.62.65.93.34.04.15.34.17.26.46.51儿()8.07.27.014.37.27.42.65.77. 45.13.43.84.3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1234mm68201轮径1200mm67362800轮径1234mm1200A 750V47549.49582.626.51015A 865V38661.79785.6持续31.7轮径1200mm1200A 750V4884714848959082.68126.5241015A 865V397376.86060979085.68331.733轮径1200mm半功率1200 A 375V4884712525879072.81015A 433V397376.8303086.59079.3静止轮径1234mm430制动力轮径1200mm442431.5恒功轮径1234mm385.849.798制动力轮径1200mm383.5382.5505098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
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