電氣化鐵路電能質量問題及其治理對策分析

摘 要：電力鐵路運輸的規模不斷擴大是交通運輸業向前發展的趨勢，但是在發展過程中鐵路電能質量技術問題制約著它的前進步伐。本文主要探討了電氣化鐵路電能質量的常見問題，并針對相關問題的治理對策進行了研究。

關鍵詞：電氣化鐵路；電能質量；問題；

中圖分類號：U224 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-08-00-01

高效的鐵路運輸能力能促進我國國民經濟的快速發展，隨著現代化腳步不斷加快，提高電氣化鐵路的技術水平勢在必行。綜合治理鐵路電能質量問題不僅利于電氣化機車的安全快速運行，同時也能降低對資源的燃耗，實現資源的合理化配置。目前我國鐵路電氣化率已達到32%，并且他們承擔著全路50%的貨運量，我國電氣化鐵路總路程也已達25000公里以上，位居世界第二。據國家規劃局統計，到2020年，我國的電氣化鐵路路程將會突破5萬公里，屆時電力鐵路的路程會占據總路程的一半以上，并且承擔的運輸量達到85%以上[1]。

一、電氣化鐵路電能質量問題

電力機車的運行加大了電網的負荷，因此會造成很多的質量問題，同時對電網系統的穩定也有損害，這些都給電網系統供電用戶造成了嚴重的危害。根據電氣化鐵路的特點分析可以得出影響電能質量的原因主要有電力機車的波動性和沖擊性強、三相不平衡、以及諧波電流過高[2]。

（一）電力機車的波動性比較大的相關因素主要有鐵路的符合狀況、線路的情況、電力機車的類型以及機車行駛的速度，另外還會與機車的牽引重量和運行圖。上述因素運行狀態的時間和空間分布不均勻都會使得牽引負荷力量的不平衡，這樣的電力負荷的不平衡會給電力系統造成很大的破壞，同樣在質量綜合治理中難度也很大。

在我國，因為電力機車數量比較龐大，因此我國電氣化鐵路牽引變電站的容量也比較大，在設計時容量達到90M VA。另外根據長遠發展計劃，針對高速專線的牽引變電站電容量規劃達到140M VA，并且在很多電氣化鐵路的牽引變電站容量設計，都是根據完全超容量的情況制定的，所以在電力牽引變電站最高負荷值可以達到180—240M VA。這樣的情況下，在電網設備比較低或者電網供電能力不足的部分地區是不可能承受如此大且集中的負荷的，所以會造成部分地區的供電系統的極大破壞，從而引起電壓不穩定或閃變的問題。

（二）電力機車是單相負荷的，因此將電力機車接入三相對稱電網時會造成牽引變壓系統產生幅值很高的負序電流。負序電流的大小和牽引變電器的連接方式有關，牽引負荷的大小也會影響到負序電流的情況。當牽引變電器采用的是單相接線變壓器時，它的牽引負荷在電力系統中引起的負序會與正序相抵；牽引變電站采用單項V/V接線變壓器的前提下，在兩個方向的牽引負荷相等的情況中電力系統引起的負序和正序電流各為一半，相反情況下負序電流與兩側產生的負荷電流差的絕對值是成正比的；牽引變電站使用三相接線變壓器時，它的負荷在電力系統中會引起的負序電流是正序的二分之一。

負序電流過高會引起旋轉電機中產生負磁場，這種負序磁場會導致電力機車產生負序同步轉矩，致使車身震動，因此會產生一定的制動力影響到電機的出力，不對稱的負荷會導致變壓器的利用率下降和加快變電器的損耗。

（三）電氣化鐵路一般會采用交—直—交和交—直型機車類型，其采取相控整流技術，它會導致往供電網注入大量的諧波電流。諧波電流會加快電氣元件的損耗，影響各項設備的正常運行。造成諧波過流還會影響繼電保護裝置的工作，因此會到此設備被嚴重地損壞以及電網停止供電的事故發生。

二、解決電氣化鐵路電能質量問題的方案

牽引供電系統的特性情況會影響到電氣化鐵路中存在的電能質量問題，因此從牽引供電系統進行治理具有很強的可行性。大容量電力系統裝置的研究和開發在理論上具有一定的優越性，在解決鐵路電能質量問題受到廣泛重視。

電氣化鐵路牽引供電網主要分成三個方面分別是電力供電系統；牽引變壓器和接觸網；電力機車。因此在提高鐵路電能質量方面的治理方案可以分別從上述三方面入手。

（一）提高牽引變電站接入的供電系統短路容量，可以通過縮短接入點和電源兩者之前的距離[3]。這樣的工作方式能夠提高電力系統抵御問題的能力，控制牽引負荷注入電力系統的負序電流以及諧波電流對其造成的損害。這個方案在理論上是提高鐵路電能質量的有效措施。但是改變電力系統原有的接線方式是一項規模很浩大的工程，因此會耗費許多成本，并且這項方案具體操作起來也很困難。另外長期發展看來，短路容量不可能無限量的增長，因此治理效果還是會受到限制。

（二）另外有些牽引變電站采用的是抗匹配平衡變壓器以及斯科特變壓器。這些特種變壓器能夠根據自身接線方式和變比設計，在達到一定的負荷量的情況下可以對系統三相電流轉變并且完全對稱，因此可以達到控制負序電流對系統造成損害的目的。雖然該方案可以解決三相電不平衡造成的質量問題，但是由于牽引變壓器系統的側繞組換相接入，會引起供電臂的電壓相位不同，如果在不同區段間加分段絕緣器的話，會使得牽引網的無電區域面積擴大好幾倍，電力機車在運行時安全存在著較大的隱患。

（三）而SVC以及STATCOM作為動態裝置在國外的鐵路電力使用方面很廣泛并且效果很好，SVA裝置利用晶匣管對波動性的負荷進行可調節性并且連續補償，另外利用無源濾波器剔除系統中的高次諧波、減少了諧波對電子元件的損害。在我國電氣化鐵路中使用中，其并聯了牽引器的系統側并且采用三相電，使得該裝置更加優化。STATCOM裝置是通過將變流器與電抗器與電網并聯，可以適當的調節交流側輸出的電壓相位以及幅值。它的性能十分良好，工作效率很高并且響應迅速，運行控制范圍面很廣。它還能夠進行雙向無功補償和有功轉移，因此可以對負序電流進行無功補償，更加適用于電氣化鐵路電能治理中。

三、結語

隨著電氣化鐵路規模不斷擴大，以及其運載量不斷上升，不斷電力鐵路電能的質量是當前面臨的比較大的技術問題。電路質量問題不僅制約著電力鐵路的發展，同時還可能造成鐵路運輸安全事故，因此務必要加快對保證其高質量運行的技術設備研發，并且要借鑒國外優秀經驗對其進行綜合治理。

參考文獻：

[1]周方圓，王衛安.高速鐵路對供電質量的影響及治理措施[J].大功率變流技術.2010（06）

[2]李群湛.我國高速鐵路牽引供電發展的若干關鍵技術問題[J].鐵道學報.2010（04）

[3]林焱，黃佳珍.高速電氣化鐵路溫福線供電電能質量的測試分析[J].電力與電工.2010（01）