电气化铁路的电能质量问题及改进措施

李兵

摘 要：随着社会的发展，我国铁路工程的发展也越来越迅速。电气化铁路作为交通运输体系中重要的基础设施，是国民经济发展和社会进步的有力保证。然而，由于电力机车负载具有非线性、冲击性、三相分布不对称性等特点，给电力系统带来了谐波、电压波动、闪变以及负序电流等电能质量问题，降低了牵引供电系统本身和上级电力系统的供电质量，影响了电力系统的安全和经济运行。因此，必须采取切实有效的措施以尽可能降低电气化铁路对电网的影响，确保电网安全、稳定、可靠运行。

关键词：电气化铁路；电能质量问题；改进措施

引言

铁路系统的电气化提高了火车运行速度、稳定性，满足了更多的客运和货运需求，但是由于特殊的火车电力牵引系统导致铁路电力系统存在电压稳定性和无功损耗的问题。文中提出一种通过分布式电能集成与管理实现电压稳定控制和无功优化的模型。所提出模型构建了分布式多区域电能控制网络，开发了经济电压和无功功率灵敏度分析方法和自适应电能储备方法，并提出一种面向无功优化和保持良好电压分布的多目标优化问题。仿真结果表明，该模型可以在改善电压分布的同时降低功率损耗。

1电气化铁路的电能质量问题

电气化铁路作为电力系统中典型的单相负荷，具有非线性、冲击性、三相分布不对称性等特点，我国目前电气化铁路中存在的电能质量问题包括三相电压不平衡超标（负序电流）、谐波电流和谐波电压超标、供电线路电压过低（稳态无功问题）和电压波动严重（动态无功问题）。在我国电力系统较为薄弱的地区，由电气化铁路负荷引发的电力系统电能质量问题尤为突出，其中三相电压不平衡和电压谐波超标最为普遍。据不完全统计，自1984年以来，电气化铁路谐波、负序电流带来的电能质量问题多次造成重大电网故障，导致北京、河北张家口、山西晋东南、贵州遵义、河南驻马店、信阳等地区先后发生过设备损坏、大面积的停电等恶性事故，带来了巨大的经济损失，造成了恶劣的社会影响。

1.1负序分量对电网的影响

（1）负序电压对电动机的影响。对于异步电动机来说，正序电压产生正序电流和顺时针旋转的电磁转矩，负序电压产生负序电流和逆时针旋转的电磁转矩。负序电压对异步电动机的运行十分不利，较小的负序电压加到异步电动机上都将会引起较大的负序电流及负序逆时针旋转的电磁转矩，直接影响异步电动机的效率，威胁其安全可靠运行，严重时甚至会烧毁电动机。对于同步发电机来说，负序分量对发电机的影响最大的是转子的附加损耗与发热，其次就是附加振动，这些都将降低其运行效率。（2）负序电流对继电保护装置的影响。电气化铁路采用单相工频电力机车，牵引变电站采用YNd11接线方式，因此每列电气牵引列车对电力系统构成两相制负荷。虽然各牵引变电站相序互相错开，整条电气铁路的三相负荷仍不能平衡，且不平衡负荷时大时小，使电气化铁路产生快速波动并能够流入电力系统各处的负序电流。负序电流容易使电力系统中以负序分量启动的继电保护装置误动作，比如当负序电流作用时间较长时，常规的距离保护就要转入闭锁状态，使一段时间内距离保护的快速动作段退出运行；而当电气化铁路负序电流作用于解除闭锁后，此时系统发生振荡，则距离保护可能误动作跳闸。所以，在消除负序电流影响的同时，往往会增加继电保护装置的复杂性、降低继电保护装置的可靠性。（3）负序电流对电力变压器的影响。由于负序电流造成三相电流不对称，使得电力变压器三相电流中有一相电流偏大，不能有效发挥变压器的额定出力，降低了其使用效率。同时，负序电流还会造成变压器的附加能量损失，并在变压器铁芯磁路中产生附加发热，严重影响设备的运行安全。（4）负序电流对输电线路的影响。负序电流流过输电线路时，负序功率实际上并不做功，只会造成电能损失。因此，电气化铁路产生的负序电流增加了电网的网损，降低了输电线路的电能输送能力。

1.2谐波对电网的影响

（1）对电动机的影响。对异步电动机来说，异步电动机的定子绕组绝缘是谐波发热的薄弱环节。由于一般用户母线上都接有多台电动机，因而宜按其母线上承受的谐波电压来考虑电动机允许承受的谐波电流。运行经验表明，若3、5、7次谐波电压达到额定电压的10%～20%以上，可导致电动机在短时间内损坏。对同步发电机来说，谐波的主要影响是引起附加损耗和发热，其次就是附加振动、噪声和谐波过电压。（2）对变压器的影响。变压器本身既是谐波源，也是传送其他谐波源产生的谐波的中间环节。变压器励磁电流中的谐波含量，在正常情况下并不引起本身铁损和发热的增大，但在谐振条件下则会严重危害变压器。（3）对线路的影响。谐波电流加上集肤效应的影响，将在线路中产生附加损耗，使得输电线路损耗增加。特别是在三相不对称运行时，对中性点直接接地的线损增加尤为显著。另外，在低压配电网络中，零序谐波电流不仅会引起中性线电流大大增加，造成过负荷发热、损耗增加，而且会产生压降，引起零电位漂移，降低供电网络的电能质量。

2改进措施探讨

当前我国铁路电气化工程中，为减小电气化铁路负荷的负序电流和谐波等对电网的影响，主要采取的改进措施有以下几点。

2.1采用轮流换相接入方式

由1座系统变电站同时带3座牵引变电站，3座牵引变电站牵引变压器的原边轮换接入电力系统的不同相，3座牵引变电站负荷完全平衡时，可等效为对称负荷（从系统侧看）。实际上，由于电气化铁路负荷的波动性和随机分散性，即使换相接入，三相负荷也不可能完全对称，因此还会存在一定量的负序电流注入电力系统。但理论分析和实践证明，采用完整的轮流换相后，注入系统的负序电流可减小到原来的70%。

2.2采用三相/两相的平衡变压器

在地区电网较为薄弱的地区，尽可能采取平衡变压器接法（包括Scott变压器以及我国自主开发的阻抗匹配平衡变压器）。当牵引变电所2个供电臂牵引负荷相等的情况下（理想条件），使用平衡牵引变压器，牵引负荷在高压三相电网中引起的负序电流可降为零。

2.3提高外部电力系统的短路容量

提高外部电力系统的短路容量，同样的谐波和负序电流所引起的电压畸变和三相不平衡水平大大降低，还可以减少牵引供电系统的电压偏差。法国、西班牙等国的牵引变电站都采用220kV或以上的电压供电，电力系统短路容量在10000MVA左右。韩国采用154kV电源供电，系统短路容量平均为8000MVA。我国的110kV电网的系统短路容量一般较小，难以满足其电能质量要求，新建的京津、京沪、沪昆等高速铁路均己采用220kV供电。但是，电力系统的短路容量不可能无限制地增加，而且增加系统短路容量投资成本也较高。

2.4对交流传动机车控制策略的改进

采用交-直-交型高速动车组替代传统的交-直型电力机车，可以提高功率因数。在轮流换相接入电力系统的基础上，通过合理安排列车运行图，尽量使电力系统的三相负荷平衡，从而一定程度上减小注入电力系统的负序电流，同时对自动过分相装置控制方式进行优化，以减少負荷掉电和重新接入电网过程产生的负荷冲击。

结语：

随着我国现有铁路电气化改造、新建电气化铁路及高速铁路的飞速发展，必须重视研究电气化铁路负荷对电网电能质量的影响及具体的治理措施。对于新建牵引变电站的接入，必须进行电能质量评估并提出配套的谐波和负序治理方案，坚持国家电能质量标准，按照“谁污染、谁治理”的原则，对所制定的方案做到与工程同时设计、同时施工、同时投运。对于现有电气化铁路，建议在进行电能质量实测的基础上，根据谐波和负序超标的程度，对引起公共连接点谐波和负序超标的现有牵引变电站，针对不同类型的电能质量问题采取相应措施进行治理。

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