电气化铁路电能质量分析

电气化铁路电能质量分析

李永强 ,李娟 ,卢文科 ,张进宝 ,王兴梅

国网博尔塔拉供电公司  新疆  博乐市  833400

摘要：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。

关键词：电气化；铁路；电能质量

1电气化铁路的电能质量问题

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。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

（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）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。（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。（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，以减少负荷掉电和重新接入电网过程产生的负荷冲击。（5）使用可靠的滤波和补偿装置。在抑制谐波、降低电压波动和闪变以及解决三相不平衡方面，目前国内已有几种装置可供选择，例如，技术已相当成熟的无源滤波器、静止无功补偿装置（SVC）等。这些装置可使所需无功功率作随机调整，从而保持非线性、冲击性负荷连接点系统电压水平的恒定。同时，由电容器、电抗器、电阻器等无源元件组成的无源滤波装置，可以对某次谐波或多次以上谐波形成低阻抗通路，从而达到抑制高次谐波的作用。这样的滤波器与动态控制的电抗器一起并联使用，既能达到无功补偿、改善功率因数的目的，又能消除高次谐波带来的影响。

3电铁电能质量监测系统架构探讨

目前中国铁路总公司在电铁运营及维护管理分三级，即铁总级、铁路局级和站段级，与电力系统的运营维护管理类似，即国网（南网）级、省级和地市级。考虑到管理方式、建设成本以及通信网络架构等实际情况，结合电力系统电能质量监测架构方案，电铁电能质量监测系统可采用三层架构方案或两层架构方案。三层架构方案由铁总级监测主站、铁路局级监测子站、监测终端、通信网等构成。

三层式监测系统架构中铁路局级监测主站属于铁总级主站的子站系统，负责各自管辖范围内牵引所亭的电能质量数据采集、数据存储、数据分析和应用，同时负责将本铁路局内的各种监测数据、分析结果和台账信息上送至铁总级主站。两层式监测系统架构中不再设置铁路局级监测子站系统，全路所有的牵引所亭等电能质量数据均直接上传至铁总级主站系统，所有的数据存储、数据分析和应用均在铁总级主站完成，仅把结果复视给负责牵引变电所、分区所日常运营维护的供电段或供电车间。

上述两种电铁电能质量监测架构方案各有优缺点，三层式架构方案优点是监测系统监测结果存储、分析、统计和应用和监测终端的运营维护主体是各铁路局，有利于提高各铁路局电气化人员的参与度和保证整个监测系统的有效运行，其缺点是监测系统有两级监测主站，建设和运营维护成本高。两层架构方案优点是少一级监测主站，建设和运营成本少，但其缺点是监测系统监测结果存储、分析、统计均在铁总级监测主站完成，分析结果仅在站段级复视，且监测终端的运营维护主体是各铁路局，不利于各铁路局电气化人员的参与度和保证整个监测系统的有效运行。

4结语

随着我国电铁快速发展，电铁电能质量监测系统的需求也就会越来越迫切，考虑到中国铁路总公司运营维护体制和电铁牵引所亭等分布范围，三层式电能质量监测系统架构更适合中国铁路实际情况，更有利于电铁牵引供电系统的安全、可靠运行。

参考文献：

[1]宋新江.高次谐波对京津城际铁路的影响及治理措施[J].铁道技术监督，2021（2）：34-36.

[2]王玲.实时电能质量监测系统的构建及应用[J].电力系统保护与控制，2019（2）：108-111.