牵引负荷谐波和负序电流对电网运行的影响分析

叶世生

摘 要：在科技发展的带动下，交通运输技术不断发展，电气化铁路凭借自身高度、重载、污染小、节约能源等优点，得到了日益广泛的应用。而在其运行过程中会向电网输送相应的谐波及负序电流，对电力系统的运行安全有一定的影响。文章主要针对牵引负荷谐波和负序电流对电网运行的影响进行了分析和讨论。

关键词：牵引负荷；谐波；负序电流；电网；影响

中图分类号：TM714 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）20-0132-02

现阶段，电气化铁路已经逐步成为我国铁路运输的重要组成部分，在经济和社会发展中发挥着不容忽视的作用。不过，电力机车自身的负荷属于大功率单相整流负荷，运行状态复杂多变，随机性较大，在运行过程中，会反向电网中输送大量的谐波电流和负序电流，对于电网供电质量以及电气设备有一定的负面影响，要引起相关管理人员的重视。

1 牵引负荷谐波对电网运行的影响

电气化铁路运行过程中，由牵引负荷产生的谐波电流，会给电力系统的安全稳定运行造成一定的影响，其影响主要体现在两个方面：一是可能会导致电气设备超载运行，产生过热的情况，在特定条件下，还可能形成谐振；二是会导致以电压波形控制的各种设备和仪表出现错误控制和计量误差。

这里从多个角度，对其进行详细分析。

1.1 对线路的影响

谐波电流的存在，会在一定程度上导致线路出现相应的附加损耗，进而引发发热问题，不仅影响了电力传输的安全，还会缩短线路的使用寿命，影响供电效率和供电质量。电流总谐波畸变率为：

假定线路电阻为R，当线路上无谐波电流时，则线路损耗为；当线路上存在谐波电流时，则线路损耗为：

线损增加率为K2。

1.2 对变压器的影响

牵引负荷谐波电流在进入电力系统中，在变压器铁芯中会感应磁通，导致电力变压器的铜耗和铁耗增大，尤其是涡流损耗的增加，会在一定程度上加速绝缘设备的老化，影响变压器的性能和使用寿命。不仅如此，谐波电流的存在，会导致变压器三相出力不等，从而使得变压器的利用率下降，在运行过程中，还可能产生较大的噪声。

另外，电力机车的牵引负荷属于波动冲击性负荷，会导致变压器绕组热点温度出现周期性的变化，而且变化幅度较大，这种周期性的热冲击同样会缩短变压器的绝缘寿命，影响变压器性能的充分发挥和使用安全。

1.3 对电动机的影响

负荷谐波电流对于电动机的影响，主要体现在损耗方面，受多种参数的约束。在分析过程中，可以将谐波造成的电动机损耗细分为定子绕组损耗、转子绕组损耗以及杂散损耗三类，这三类损耗均属于型，Rn的有效值主要受频率的影响。对于异步电动机，谐波功率损耗Pn主要为铜耗，且与成正比，当数值较大时，则磁饱和会导致Rx和Xn下降，进而使得总谐波损耗增大。

1.4 对发电机的影响

相关调查分析显示，谐波电流对于发电机组的影响是非常巨大的，会在很大程度上阻碍发电机的运行效率和运行安全。

①当电网中的谐波电流逆流入发电机定子绕组之后，会在绕组中产生相应的附加损耗，同样会导致发热问题，影响设备的运行安全。同时，受电流集肤效应的影响，转子绕组中感应出的谐波电流并不会消失或者转移，而是会在转子表面流动，很容易造成阻尼绕组、槽楔等部件的损坏。

②由谐波电流引发的磁场，会对同步发电机的运行产生巨大的影响，使得发电机在运行过程中出现异常振动和噪音，影响设备性能的有效发挥

③若发电机中的谐波电流较大，其影响也会增加，不仅会导致发电机运行中的异常振动和噪音，还可能因谐波电压过高，产生过电压问题，导致设备烧毁。

2 负序电流对电网运行的影响

由牵引负荷所产生的负序电流，对于电网整体的运行安全同样有着严重的影响，如占用系统容量、引发附加网损、降低发电机与电动机出力、干扰继电保护等。因此，做好抚恤电流对电网运行影响的分析，采取合理有效的控制措施，保证电网的安全稳定运行，是非常重要的。

2.1 对变压器的影响

负序电流的存在，会造成三相电流的不对称，使得其中一相电流最大，无法有效保证变压器的额定出力，导致变压器容量利用率的下降。不仅如此，负序电流还会导致变压器附加能量的损失，在变压器铁芯磁路中，产生附加发热。一般来讲，牵引负荷越大，变压器中电流的不平衡度也就越大，对于变压器容量的利用率越低。

2.2 对输电线路的影响

在流经输电线路时，实际上负序功率并不会做功，只会造成电能的损失，增加一定的网损，降低输电线路对于电能的输送能力。牵引负荷越大，则交流线上存在的负序电流也就越大，对于网侧交流线输电能力的影响也越大。

2.3 对继电保护的影响

在电网运行中，如果负序电流持续作用，则可能导致一些以负序分量启动的继电保护装置的误动作，影响继电保护的有效性和可靠性。在一定区段内，会导致电网出现三相失衡问题，由牵引负荷引发负序电流的超标，进而导致变电站附近存在的小发电机组出现频繁跳闸问题，影响机车的就近并网。另外，在电网中存在的大量的发电机组，而如果发电机组的容量不同，其所允许通过的负序电流也存在着较大的差异，通常来讲，负序电流的最大值不能超出额定电流的8%，否则就可能对继电保护造成负面影响。

2.4 对电机的影响

负序电流的存在会导致发电机定子中的三相电流不对称，如果其中的某一相电流达到额定值，而两位两相的电流小于额定值，则会影响发电机的出力，影响其容量的利用率。负序电流经过发电机定子绕组时，其所产生的磁场旋转方向相对于同步速以两倍速切割转子绕组，同时会在激磁绕组和阻尼绕组中，产生两倍工频的附加电流，进而在转子的表面产生涡流，引发相应的附加损耗，进而导致电子转子负荷增大，不仅会消耗更多的电能，还可能会由于温度过高，影响电子的运行安全。同时，由气隙合成磁场产生的交变力矩作用在定子机座与转子转轴上，会造成两倍工频的附加振动。假定电动机机械功率固定，则转子电流会有所增加，导致各相出力不均，影响电动机的运行效率，引发过热现象。负序电流所产生的负序磁场，会对转子产生相应的制动力矩，造成电动机出力下降。通常来讲，15%～20%的负序电压所产生的负序损耗，与电动机依照额定参数运行时产生的铜耗相当，负序损耗与负序电压分量的二次方成正比。

3 结 语

总而言之，牵引负荷作为一种大功率、不对称、低功率因数的负荷，虽然具有良好的运输能力和运输效率，但是对于电力系统的安全有着不容忽视的影响，需要相关管理人员的重视，结合牵引负荷谐波电流和负序电流的特性，分析其对于电网运行的影响，采取有效措施，对这些负面影响进行控制和消除，以保证电网的安全稳定运行。

参考文献：

[1] 刘乾勇，李欣然，肖聪，等.牵引负荷负序电流对电网运行状况影响研究[J].电工电能新技术，2013，（4）.

[2] 姚金雄，张涛，林榕.牵引供电系统负序电流和谐波对电力系统的影响及其补偿措施[J].电网技术，2008，（9）.

[3] 刘乾勇.牵引负荷谐波和负序电流对电网运行影响研究[D].长沙：湖南大学，2012.