牽引負荷諧波和負序電流對電網運行的影響分析

葉世生

摘 要：在科技發展的帶動下，交通運輸技術不斷發展，電氣化鐵路憑借自身高度、重載、污染小、節約能源等優點，得到了日益廣泛的應用。而在其運行過程中會向電網輸送相應的諧波及負序電流，對電力系統的運行安全有一定的影響。文章主要針對牽引負荷諧波和負序電流對電網運行的影響進行了分析和討論。

關鍵詞：牽引負荷；諧波；負序電流；電網；影響

中圖分類號：TM714 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）20-0132-02

現階段，電氣化鐵路已經逐步成為我國鐵路運輸的重要組成部分，在經濟和社會發展中發揮著不容忽視的作用。不過，電力機車自身的負荷屬于大功率單相整流負荷，運行狀態復雜多變，隨機性較大，在運行過程中，會反向電網中輸送大量的諧波電流和負序電流，對于電網供電質量以及電氣設備有一定的負面影響，要引起相關管理人員的重視。

1 牽引負荷諧波對電網運行的影響

電氣化鐵路運行過程中，由牽引負荷產生的諧波電流，會給電力系統的安全穩定運行造成一定的影響，其影響主要體現在兩個方面：一是可能會導致電氣設備超載運行，產生過熱的情況，在特定條件下，還可能形成諧振；二是會導致以電壓波形控制的各種設備和儀表出現錯誤控制和計量誤差。

這里從多個角度，對其進行詳細分析。

1.1 對線路的影響

諧波電流的存在，會在一定程度上導致線路出現相應的附加損耗，進而引發發熱問題，不僅影響了電力傳輸的安全，還會縮短線路的使用壽命，影響供電效率和供電質量。電流總諧波畸變率為：

假定線路電阻為R，當線路上無諧波電流時，則線路損耗為；當線路上存在諧波電流時，則線路損耗為：

線損增加率為K2。

1.2 對變壓器的影響

牽引負荷諧波電流在進入電力系統中，在變壓器鐵芯中會感應磁通，導致電力變壓器的銅耗和鐵耗增大，尤其是渦流損耗的增加，會在一定程度上加速絕緣設備的老化，影響變壓器的性能和使用壽命。不僅如此，諧波電流的存在，會導致變壓器三相出力不等，從而使得變壓器的利用率下降，在運行過程中，還可能產生較大的噪聲。

另外，電力機車的牽引負荷屬于波動沖擊性負荷，會導致變壓器繞組熱點溫度出現周期性的變化，而且變化幅度較大，這種周期性的熱沖擊同樣會縮短變壓器的絕緣壽命，影響變壓器性能的充分發揮和使用安全。

1.3 對電動機的影響

負荷諧波電流對于電動機的影響，主要體現在損耗方面，受多種參數的約束。在分析過程中，可以將諧波造成的電動機損耗細分為定子繞組損耗、轉子繞組損耗以及雜散損耗三類，這三類損耗均屬于型，Rn的有效值主要受頻率的影響。對于異步電動機，諧波功率損耗Pn主要為銅耗，且與成正比，當數值較大時，則磁飽和會導致Rx和Xn下降，進而使得總諧波損耗增大。

1.4 對發電機的影響

相關調查分析顯示，諧波電流對于發電機組的影響是非常巨大的，會在很大程度上阻礙發電機的運行效率和運行安全。

①當電網中的諧波電流逆流入發電機定子繞組之后，會在繞組中產生相應的附加損耗，同樣會導致發熱問題，影響設備的運行安全。同時，受電流集膚效應的影響，轉子繞組中感應出的諧波電流并不會消失或者轉移，而是會在轉子表面流動，很容易造成阻尼繞組、槽楔等部件的損壞。

②由諧波電流引發的磁場，會對同步發電機的運行產生巨大的影響，使得發電機在運行過程中出現異常振動和噪音，影響設備性能的有效發揮

③若發電機中的諧波電流較大，其影響也會增加，不僅會導致發電機運行中的異常振動和噪音，還可能因諧波電壓過高，產生過電壓問題，導致設備燒毀。

2 負序電流對電網運行的影響

由牽引負荷所產生的負序電流，對于電網整體的運行安全同樣有著嚴重的影響，如占用系統容量、引發附加網損、降低發電機與電動機出力、干擾繼電保護等。因此，做好撫恤電流對電網運行影響的分析，采取合理有效的控制措施，保證電網的安全穩定運行，是非常重要的。

2.1 對變壓器的影響

負序電流的存在，會造成三相電流的不對稱，使得其中一相電流最大，無法有效保證變壓器的額定出力，導致變壓器容量利用率的下降。不僅如此，負序電流還會導致變壓器附加能量的損失，在變壓器鐵芯磁路中，產生附加發熱。一般來講，牽引負荷越大，變壓器中電流的不平衡度也就越大，對于變壓器容量的利用率越低。

2.2 對輸電線路的影響

在流經輸電線路時，實際上負序功率并不會做功，只會造成電能的損失，增加一定的網損，降低輸電線路對于電能的輸送能力。牽引負荷越大，則交流線上存在的負序電流也就越大，對于網側交流線輸電能力的影響也越大。

2.3 對繼電保護的影響

在電網運行中，如果負序電流持續作用，則可能導致一些以負序分量啟動的繼電保護裝置的誤動作，影響繼電保護的有效性和可靠性。在一定區段內，會導致電網出現三相失衡問題，由牽引負荷引發負序電流的超標，進而導致變電站附近存在的小發電機組出現頻繁跳閘問題，影響機車的就近并網。另外，在電網中存在的大量的發電機組，而如果發電機組的容量不同，其所允許通過的負序電流也存在著較大的差異，通常來講，負序電流的最大值不能超出額定電流的8%，否則就可能對繼電保護造成負面影響。

2.4 對電機的影響

負序電流的存在會導致發電機定子中的三相電流不對稱，如果其中的某一相電流達到額定值，而兩位兩相的電流小于額定值，則會影響發電機的出力，影響其容量的利用率。負序電流經過發電機定子繞組時，其所產生的磁場旋轉方向相對于同步速以兩倍速切割轉子繞組，同時會在激磁繞組和阻尼繞組中，產生兩倍工頻的附加電流，進而在轉子的表面產生渦流，引發相應的附加損耗，進而導致電子轉子負荷增大，不僅會消耗更多的電能，還可能會由于溫度過高，影響電子的運行安全。同時，由氣隙合成磁場產生的交變力矩作用在定子機座與轉子轉軸上，會造成兩倍工頻的附加振動。假定電動機機械功率固定，則轉子電流會有所增加，導致各相出力不均，影響電動機的運行效率，引發過熱現象。負序電流所產生的負序磁場，會對轉子產生相應的制動力矩，造成電動機出力下降。通常來講，15%～20%的負序電壓所產生的負序損耗，與電動機依照額定參數運行時產生的銅耗相當，負序損耗與負序電壓分量的二次方成正比。

3 結 語

總而言之，牽引負荷作為一種大功率、不對稱、低功率因數的負荷，雖然具有良好的運輸能力和運輸效率，但是對于電力系統的安全有著不容忽視的影響，需要相關管理人員的重視，結合牽引負荷諧波電流和負序電流的特性，分析其對于電網運行的影響，采取有效措施，對這些負面影響進行控制和消除，以保證電網的安全穩定運行。

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