電氣化鐵路的電能質量問題及改進措施

李兵

摘 要：隨著社會的發展，我國鐵路工程的發展也越來越迅速。電氣化鐵路作為交通運輸體系中重要的基礎設施，是國民經濟發展和社會進步的有力保證。然而，由于電力機車負載具有非線性、沖擊性、三相分布不對稱性等特點，給電力系統帶來了諧波、電壓波動、閃變以及負序電流等電能質量問題，降低了牽引供電系統本身和上級電力系統的供電質量，影響了電力系統的安全和經濟運行。因此，必須采取切實有效的措施以盡可能降低電氣化鐵路對電網的影響，確保電網安全、穩定、可靠運行。

關鍵詞：電氣化鐵路；電能質量問題；改進措施

引言

鐵路系統的電氣化提高了火車運行速度、穩定性，滿足了更多的客運和貨運需求，但是由于特殊的火車電力牽引系統導致鐵路電力系統存在電壓穩定性和無功損耗的問題。文中提出一種通過分布式電能集成與管理實現電壓穩定控制和無功優化的模型。所提出模型構建了分布式多區域電能控制網絡，開發了經濟電壓和無功功率靈敏度分析方法和自適應電能儲備方法，并提出一種面向無功優化和保持良好電壓分布的多目標優化問題。仿真結果表明，該模型可以在改善電壓分布的同時降低功率損耗。

1電氣化鐵路的電能質量問題

電氣化鐵路作為電力系統中典型的單相負荷，具有非線性、沖擊性、三相分布不對稱性等特點，我國目前電氣化鐵路中存在的電能質量問題包括三相電壓不平衡超標（負序電流）、諧波電流和諧波電壓超標、供電線路電壓過低（穩態無功問題）和電壓波動嚴重（動態無功問題）。在我國電力系統較為薄弱的地區，由電氣化鐵路負荷引發的電力系統電能質量問題尤為突出，其中三相電壓不平衡和電壓諧波超標最為普遍。據不完全統計，自1984年以來，電氣化鐵路諧波、負序電流帶來的電能質量問題多次造成重大電網故障，導致北京、河北張家口、山西晉東南、貴州遵義、河南駐馬店、信陽等地區先后發生過設備損壞、大面積的停電等惡性事故，帶來了巨大的經濟損失，造成了惡劣的社會影響。

1.1負序分量對電網的影響

（1）負序電壓對電動機的影響。對于異步電動機來說，正序電壓產生正序電流和順時針旋轉的電磁轉矩，負序電壓產生負序電流和逆時針旋轉的電磁轉矩。負序電壓對異步電動機的運行十分不利，較小的負序電壓加到異步電動機上都將會引起較大的負序電流及負序逆時針旋轉的電磁轉矩，直接影響異步電動機的效率，威脅其安全可靠運行，嚴重時甚至會燒毀電動機。對于同步發電機來說，負序分量對發電機的影響最大的是轉子的附加損耗與發熱，其次就是附加振動，這些都將降低其運行效率。（2）負序電流對繼電保護裝置的影響。電氣化鐵路采用單相工頻電力機車，牽引變電站采用YNd11接線方式，因此每列電氣牽引列車對電力系統構成兩相制負荷。雖然各牽引變電站相序互相錯開，整條電氣鐵路的三相負荷仍不能平衡，且不平衡負荷時大時小，使電氣化鐵路產生快速波動并能夠流入電力系統各處的負序電流。負序電流容易使電力系統中以負序分量啟動的繼電保護裝置誤動作，比如當負序電流作用時間較長時，常規的距離保護就要轉入閉鎖狀態，使一段時間內距離保護的快速動作段退出運行；而當電氣化鐵路負序電流作用于解除閉鎖后，此時系統發生振蕩，則距離保護可能誤動作跳閘。所以，在消除負序電流影響的同時，往往會增加繼電保護裝置的復雜性、降低繼電保護裝置的可靠性。（3）負序電流對電力變壓器的影響。由于負序電流造成三相電流不對稱，使得電力變壓器三相電流中有一相電流偏大，不能有效發揮變壓器的額定出力，降低了其使用效率。同時，負序電流還會造成變壓器的附加能量損失，并在變壓器鐵芯磁路中產生附加發熱，嚴重影響設備的運行安全。（4）負序電流對輸電線路的影響。負序電流流過輸電線路時，負序功率實際上并不做功，只會造成電能損失。因此，電氣化鐵路產生的負序電流增加了電網的網損，降低了輸電線路的電能輸送能力。

1.2諧波對電網的影響

（1）對電動機的影響。對異步電動機來說，異步電動機的定子繞組絕緣是諧波發熱的薄弱環節。由于一般用戶母線上都接有多臺電動機，因而宜按其母線上承受的諧波電壓來考慮電動機允許承受的諧波電流。運行經驗表明，若3、5、7次諧波電壓達到額定電壓的10%～20%以上，可導致電動機在短時間內損壞。對同步發電機來說，諧波的主要影響是引起附加損耗和發熱，其次就是附加振動、噪聲和諧波過電壓。（2）對變壓器的影響。變壓器本身既是諧波源，也是傳送其他諧波源產生的諧波的中間環節。變壓器勵磁電流中的諧波含量，在正常情況下并不引起本身鐵損和發熱的增大，但在諧振條件下則會嚴重危害變壓器。（3）對線路的影響。諧波電流加上集膚效應的影響，將在線路中產生附加損耗，使得輸電線路損耗增加。特別是在三相不對稱運行時，對中性點直接接地的線損增加尤為顯著。另外，在低壓配電網絡中，零序諧波電流不僅會引起中性線電流大大增加，造成過負荷發熱、損耗增加，而且會產生壓降，引起零電位漂移，降低供電網絡的電能質量。

2改進措施探討

當前我國鐵路電氣化工程中，為減小電氣化鐵路負荷的負序電流和諧波等對電網的影響，主要采取的改進措施有以下幾點。

2.1采用輪流換相接入方式

由1座系統變電站同時帶3座牽引變電站，3座牽引變電站牽引變壓器的原邊輪換接入電力系統的不同相，3座牽引變電站負荷完全平衡時，可等效為對稱負荷（從系統側看）。實際上，由于電氣化鐵路負荷的波動性和隨機分散性，即使換相接入，三相負荷也不可能完全對稱，因此還會存在一定量的負序電流注入電力系統。但理論分析和實踐證明，采用完整的輪流換相后，注入系統的負序電流可減小到原來的70%。

2.2采用三相/兩相的平衡變壓器

在地區電網較為薄弱的地區，盡可能采取平衡變壓器接法（包括Scott變壓器以及我國自主開發的阻抗匹配平衡變壓器）。當牽引變電所2個供電臂牽引負荷相等的情況下（理想條件），使用平衡牽引變壓器，牽引負荷在高壓三相電網中引起的負序電流可降為零。

2.3提高外部電力系統的短路容量

提高外部電力系統的短路容量，同樣的諧波和負序電流所引起的電壓畸變和三相不平衡水平大大降低，還可以減少牽引供電系統的電壓偏差。法國、西班牙等國的牽引變電站都采用220kV或以上的電壓供電，電力系統短路容量在10000MVA左右。韓國采用154kV電源供電，系統短路容量平均為8000MVA。我國的110kV電網的系統短路容量一般較小，難以滿足其電能質量要求，新建的京津、京滬、滬昆等高速鐵路均己采用220kV供電。但是，電力系統的短路容量不可能無限制地增加，而且增加系統短路容量投資成本也較高。

2.4對交流傳動機車控制策略的改進

采用交-直-交型高速動車組替代傳統的交-直型電力機車，可以提高功率因數。在輪流換相接入電力系統的基礎上，通過合理安排列車運行圖，盡量使電力系統的三相負荷平衡，從而一定程度上減小注入電力系統的負序電流，同時對自動過分相裝置控制方式進行優化，以減少負荷掉電和重新接入電網過程產生的負荷沖擊。

結語：

隨著我國現有鐵路電氣化改造、新建電氣化鐵路及高速鐵路的飛速發展，必須重視研究電氣化鐵路負荷對電網電能質量的影響及具體的治理措施。對于新建牽引變電站的接入，必須進行電能質量評估并提出配套的諧波和負序治理方案，堅持國家電能質量標準，按照“誰污染、誰治理”的原則，對所制定的方案做到與工程同時設計、同時施工、同時投運。對于現有電氣化鐵路，建議在進行電能質量實測的基礎上，根據諧波和負序超標的程度，對引起公共連接點諧波和負序超標的現有牽引變電站，針對不同類型的電能質量問題采取相應措施進行治理。

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