電氣化鐵路對電力系統的影響與分析

摘 要：電氣化鐵路建設的迅速發展，將大大提高高速電氣化鐵路牽引負荷，在運行標準等方面的問題需要鐵路和電力系統共同解決，供電系統面臨更大的挑戰，為適應高速鐵路快速發展的現狀，需配合和協調好關于牽引供電系統運行和建設等方面的工作。文章總結了電氣化鐵路的供電方式，電氣化鐵路的快速發展給電力系統帶來很多不利影響，這種供電方式對電力系統安全運行產生了一定的影響，文章對影響電能質量的原因進行了分析，并對其補償方式進行了深入的探討。

關鍵詞：電氣化鐵路；電能質量；供電方式；補償方式

1 概述

近年來，我國鐵路事業發展迅速。隨著科學技術的不斷發展和進步，全世界電氣化鐵路也在飛速的發展，營業里程每年都在增加。電氣化鐵路的電力機車特點是具有極大的波動性和移動性，其負荷特點是大功率單相整流帶沖擊，在接入大電網后運行，大量的負序分量和諧波在電力系統中產生，影響電網接入點的穩定性和可靠性，如不采取措施加以治理，將嚴重威脅電力系統的安全和經濟運行。文章將針對電氣化鐵路的供電方式進行介紹，以及其接入大電網后，如何影響電力系統的運行，并對此提出建議和改進措施[1]。

2 電氣化鐵路及供電方式

2.1 電氣化鐵路的基本概念

電氣化鐵路由電力機車和供電系統構成。供電電源和牽引供電系統兩個部分構成整個供電系統。供電電源包括為牽引供電系統供電的高壓輸電線和電力系統變電站，牽引網和牽引變電所構成牽引供電系統。電力機車是鐵路運輸的牽引動力，其自身不攜帶能源，接受牽引網輸送的電流，由牽引電動機通過車載變流器驅動車輪。

2.2 牽引變壓器的接線方式

我國牽引變電所的牽引變壓器的接線方式一般包括V-V接線、三相/兩相平衡接線、YNdll接線和單相接線等。

2.3 電氣化鐵路對電力系統的影響

單相供電是電氣化鐵路牽引網的供電方式，這種整流方式和供電方式直接影響了電力系統的正常運行。其原因為單相供電可以導致牽引變電站三相側電流不平衡，因此負序電流注入上級電力系統；由于牽引負荷變化過快，影響了電力系統的電流值；由于整流給電力系統注入了諧波。

2.3.1 負序電流對電力系統的影響

電力系統中以負序分量啟動的繼電保護裝置誤動作可由負序電流引起。當負序電流作用一段時間后，常規的距離保護就要轉換狀態，轉為閉鎖，使一段距離保護的快速動作段退出系統運行；而當電氣化鐵路負序退出閉鎖后，如果系統此時出現振蕩，則距離保護誤動作跳閘的可能性增大。只有降低繼電保護裝置可靠性，增加復雜性，才能消除負序電流對電力系統的干擾[2]。

2.3.2 諧波對電力系統的影響

諧波電流對電力系統影響較大，可能使無功補償電容器組發生諧振，破壞電容器。電牽引系統中最主要的諧波源是電力機車，電力機車的一個相當主要的電氣性能指標就是諧波含量，產生的諧波導致電力系統電壓的畸變而且附近通訊線路也受高次諧波的影響。電力機車具有很低的基波功率，是電牽引系統的感性負載，而諧波的存在更降低了總功率因數[3]。

3 綜合補償措施

可以將電氣化鐵路負序、無功綜合補償方法和諧波分為被動和主動治理兩種措施。

3.1 主動治理措施

在進行設計時，將牽引網容量增加，從而根據電力系統的電能質量的標準，使其對用戶和系統的影響盡量減小；換相接入牽引變電所的進線，可使因牽引網單相供電產生的負序顯著減少；牽引變壓器應盡量選擇平衡接線變壓器，因為其對三相不平衡影響最小；采用交直交型電力機車，可使功率因數接近1，而且機車諧波含量明顯減少，但負序的影響不能消除；為減少負序，采用平衡牽引變壓器。

3.2 被動治理措施

3.2.1 靜止無功補償器（SVC）

SVC組成結構包括固定電容器和晶閘管控制電抗器或無源濾波器[4]。基于理論，將SVC安裝在三相側能把三相不平衡負荷補償為純阻性的三相平衡負荷。

3.2.2 有源電力濾波器（APF）

有源電力濾波器相比于無源濾波器，動態響應快、對各次諧波能很好的治理。電氣化鐵路有較高的牽引網電壓等級，直接接入有源電力濾波器較難，因此選擇接入降壓變壓器，其選用單相接入混合型結構應用于主電路拓撲，從而使有源逆變器的容量減小。負序問題由靜止無功補償器完成對其的補償，一系列的諧波和無功問題，也能在有源電力濾波器的應用上體現出來。電氣化鐵路諧波、無功和負序的綜合治理，可以由注入式混合有源電力濾波器與靜止無功補償器構成的補償裝置完成。

3.2.3 靜止無功同步補償器（STATCOM）

響應速度快、功率密度高、效率高是基于電壓源變流器的STATCOM裝置的特點，大量應用在改善電氣化鐵路供電系統電能質量方面。電氣化鐵路的STATCOM裝置安裝于牽引變壓器的原邊[5]。

3.3 我國電氣化鐵路改善電能質量應用現狀

在無功補償與諧波治理方面，為使負荷側功率因數增加，電氣化鐵路無功損耗減少，諧波電流對電力系統的影響降低，我國采用并聯固定電容器支路，和晶閘管投切濾波器或基于真空開關管投切的接觸器投切濾波器達到濾除3次、5次諧波和提高功率因數的目的[6]。對TCR串聯晶閘管導通相角進行控制，能夠不間斷的對電抗器等效電抗值進行跟蹤控制，從而輸出無功可以很好的得到控制。

考慮到負序對電力系統電能質量的損害之大，我國提出了一些治理措施：（1）供電系統中接入牽引變輪換相序；（2）合理調度電氣化鐵路運行和合理配置區段相位（3）采用三相/兩相的平衡變壓器；（4）變電所利用SVC補償裝置來抑制負序。

4 結束語

文章對電氣化鐵路的供電方式進行了介紹，這一供電方式對電力系統安全運行產生了一定的影響。對影響電能質量的原因進行了分析，并對其補償方式進行了深入的探討。補償方式存在一些不足：（1）接入三相側的SVC。a.補償容量大b.SVC中的晶閘管控制電抗器支撐的電壓高達110kV或220kV，需串聯多個晶閘管器件，很難實現系統的運行c.電力牽引牽引負荷包含的工況形式很多，不易設置SVC各相參數。（2）需增配容量大的三相降壓變壓器，因為與STATCOM連接的三相系統電壓等級高，因此成本明顯增加。（3）有源電力濾波器要實現電氣化鐵路負序補償要依靠靜止無功補償器完成。

在上述的補償方式中，都存在一些缺點。進一步可以考慮將鐵路功率調節器和混合型有源電力濾波器與靜止無功補償器聯合起來，做成混合控制系統，引進一種新型補償方式，以改善單個補償方式的不足。

參考文獻

[1]姚金雄，張濤，林格，等.牽引供電系統負序電流和諧波對電力系統的影響及補償措施[J].電網技術，2008，32（9）：61-64.

[2]熊曄華.哈爾濱至大連電氣化鐵路供電系統[J].東北電力技術，2002，23（2）：5-8.

[3]熊麗霞.浙贛電氣化鐵路牽引負荷特性分析[J].江西電力，2009，33（2）：27-29.

[4]聶靜靜，吳文宣.高速電氣化鐵路諧波的仿真計算與分析.福建電力與電工，2008，28（1）：8-11.

[5]林海雪，周勝軍.電氣化鐵路的諧波標準問題[J].中國電力，1999.

[6]李群湛.牽引變電所供電分析及綜合補償技術[M].北京：中國鐵道出版社，2006：1-50.

作者簡介：谷月（1987-），女，河北省唐山市人，工作單位：北京鐵路局北京供電段，職務：助理工程師。