電氣化鐵路對電力系統(tǒng)的負(fù)序影響和治理措施的分析

李 冬 程翠微 萬 里

（1、西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；2、成都電業(yè)局，四川 成都 610061）

當(dāng)牽引負(fù)荷在電力系統(tǒng)中造成負(fù)序時，由于兩供電臂的牽引負(fù)荷都是隨機(jī)的，而且具有獨(dú)立性，所以就算采用三相—兩相平衡接線，仍然會有剩余的隨機(jī)波動的負(fù)序電流，沒有被平衡掉，從而進(jìn)入電力系統(tǒng)，在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生一些不良的影響。隨著電力系統(tǒng)容量不斷增大，負(fù)序?qū)Πl(fā)電機(jī)和電網(wǎng)安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅的可能性越來越小，不過在電力系統(tǒng)容量相對薄弱的區(qū)段，或者在既有電氣化線路上開行重載列車時，或者電力系統(tǒng)按照最小運(yùn)行方式供電時，負(fù)序問題仍然存在，應(yīng)該受到足夠的重視。另外，盡最大可能降低負(fù)序，也有利于電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和電能質(zhì)量的提高。

1、電氣化鐵路負(fù)序?qū)﹄娏ο到y(tǒng)的影響

(1)對同步發(fā)電機(jī)的影響：考慮到發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，其每相電流都不應(yīng)該超過額定值，而牽引負(fù)荷引起了發(fā)電機(jī)不對稱運(yùn)行，所以限制了發(fā)電機(jī)的出力；當(dāng)負(fù)序電流流過發(fā)電機(jī)時，會產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場，同時產(chǎn)生負(fù)序同步轉(zhuǎn)矩，從而使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生附加的振動，長時間的振動將會引起發(fā)電機(jī)的金屬疲勞和機(jī)械損壞；由于漏磁通和定子槽內(nèi)導(dǎo)線電流的肌膚效應(yīng)，會引起定子繞組的銅附加損耗；負(fù)序電流會引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫升，而且比定子的溫升大，局部會產(chǎn)生高溫，使轉(zhuǎn)子受損。

(2)對異步發(fā)電機(jī)的影響：負(fù)序電流會在電動機(jī)中產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，逆轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩較大時，會降低其運(yùn)行效率。

(3)對繼電保護(hù)的影響：導(dǎo)致母線差動保護(hù)負(fù)序電壓閉鎖元件發(fā)生誤動；變電站主變壓器的復(fù)合電壓啟動過電流保護(hù)裝置的負(fù)序電壓啟動元件誤動；發(fā)電機(jī)的負(fù)序電流保護(hù)誤動；線路相差高頻保護(hù)誤動[1]。

(4)對電力變壓器的影響：負(fù)序電流會導(dǎo)致變壓器的額定出力不足。

(5)對輸電線路的影響：負(fù)序電流會降低電力線路的輸送電能的能力。

2、電氣化鐵路負(fù)序的治理措施

(1)牽引變電所輪流換相聯(lián)接牽引變電所輪流換相連接的示意圖，如圖1所

圖1 單相牽引變電所換相連接示意圖示[2]。

牽引變電所SS1、SS2、SS3分別接入三相電力系統(tǒng)中的CA相、AB相和BC相，接觸網(wǎng)對地的電壓分別為 Uca、Uab、Ubc。三個牽引變電所的輪流換相連接構(gòu)成一個循環(huán)，從牽引變電所SS4處，開始下一個循環(huán)。由于牽引負(fù)荷的不對稱性，即使換相接入，三相的負(fù)荷也不可能達(dá)到完全的對稱，所有還會有一定量的負(fù)序電流注入電力系統(tǒng)。如果牽引變電所，采用完整的輪流換相接入電力系統(tǒng)，則注入電力系統(tǒng)的負(fù)序電流可減少70%左右。

(2)增加電力系統(tǒng)短路容量

由于負(fù)序?qū)ο到y(tǒng)電壓不對稱的影響和系統(tǒng)短路容量的關(guān)系，為反比關(guān)系。所以，將供電電壓等級由110kV改為220kV，這樣電網(wǎng)的供電能力就會提高，負(fù)序電流問題就能夠得到緩解，能夠達(dá)到國標(biāo)的要求[3]。

(3)采用SVC補(bǔ)償

當(dāng)采用分相控制SVC時，不僅能夠解決電氣化鐵路負(fù)序的補(bǔ)償問題，而且能濾除高次諧波。靜止補(bǔ)償器優(yōu)點(diǎn)在于它能保持結(jié)點(diǎn)電壓不發(fā)生變化，通過連續(xù)地調(diào)節(jié)向負(fù)荷提供無功功率，維持系統(tǒng)無功平衡[4]。

(4)采用STATCOM補(bǔ)償

相對于SVC，STATCOM具有以下優(yōu)點(diǎn)：速度更快、負(fù)荷率適應(yīng)性較好、工作效率高、輸出的諧波含量小[5]。當(dāng)STATCOM是兩相結(jié)構(gòu)時，它可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的四象限控制，在對牽引變電所兩供電臂無功動態(tài)補(bǔ)償?shù)耐瑫r，可調(diào)節(jié)其兩供電臂的有功潮流，實(shí)現(xiàn)牽引負(fù)荷的動態(tài)平衡。采用STATCOM補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)在于價格較為昂貴。

[1]盧志海，厲吉文，周劍.電氣化鐵路對電力系統(tǒng)的影響[J]繼電器，2004,32(11)：33-36.

[2]譚秀炳.交流電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，2007.

[3]萬慶祝.牽引供電系統(tǒng)負(fù)序問題研究[D]清華大學(xué)博士論文，2008.

[4]田旭東，宋志剛，劉雙全.高速鐵路供電負(fù)序問題的分析和治理對策[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2008,36（5）:36-39.

[5]電気學(xué)會.靜止形無効電力補(bǔ)償裝置の省エネルギー技術(shù)調(diào)査専門委員會.靜止形無効電力補(bǔ)償裝置の省エネルギー技術(shù).日本東京:電気學(xué)會技術(shù)報(bào)告第973號.2006.