電氣化鐵路對電網影響分析

[摘要] 鐵路電氣化的發展在帶來巨大經濟和社會效益的同時，也對電網產生了嚴重影響。本文探討了電氣化鐵路負荷在用電過程中產生的諧波和負序對電網的影響，并提出相應的治理措施以減輕電氣化鐵路運行對電網的不良影響。

[關鍵詞] 電氣化鐵路；電網；諧波；負序

[中圖分類號]F407.6 [文獻標識碼]B [文章編號]1005-1074(2008)09-0233-01

1 電氣化鐵路對電網的主要影響

電氣化鐵路牽引負荷是移動、幅值變化大而又頻繁的特殊負荷，它是一個典型的日波動負荷，具有短時沖擊負荷、不平衡負荷特性，同時含有豐富的諧波，是一個諧波電流源。電氣化鐵路對電網的影響主要是負序和諧波電流兩項影響的綜合。

1.1 對發電機的影響①汽輪發電機轉子為敏感部位，因為汽輪發電機轉子的諧波和負序溫升比定子大，存在局部的突出高溫部位，國內曾發生過向電氣化鐵路供電的汽輪發電機轉子部件嵌裝面過熱受損的事故。并且當負序電流流過發電機時，產生負序旋轉磁場，產生負序同步轉矩，使發電機產生附加振動。諧波也會引起電機的振動并發出噪聲，長時間的振動會引起金屬疲勞和機械損壞。②對鄰近牽引變電所而遠離(指電氣距離)電源的異步電動機，其定子繞組為敏感部位。同時還將在電動機中產生一反向旋轉磁場，此反向磁場對電動機轉子起制動作用，影響其出力。在諧波和負序電流的共同影響下，國內曾發生多起定子繞組過熱燒毀事故。

1.2 對電力變壓器的影響諧波電流在變壓器繞組要產生附加損耗，該損耗相當大，除此之外還能引起外殼、外層硅鋼片和某些緊固件發熱，并可能局部過熱，加速變壓器的老化，影響其使用壽命。負序電流造成電網三相電流不對稱，造成變壓器的額定出力不足，即變壓器容量利用率下降。

1.3 對輸電線路的影響諧波使網損增大，在發生系統諧振或諧波放大的情況下，諧波網損可達到相當大的程度。負序電流流過電網時，它并不作功，只是降低了電力線路的輸送能力。

1.4 對繼電保護和自動裝置的影響電力機車的開停次數多。而且行進中每當通過無電區要先跳閘再合閘。從而頻繁引起變壓器涌流，產生較大的暫態諧波與負序，這是引起電網繼電保護和自動裝置負序啟動元件誤啟動的主要原因。諧波致使誤動的情況的多是裝于饋供諧波嚴重超規定的若干電氣化鐵道負荷的110kV供電系統中，尤其以下述3類情況誤動最頻繁，有的最大達每日百次以上。①饋供電氣化鐵路的110kV線路距離保護的相電流突變量或負序啟動元件頻繁啟動。在保護阻抗元件不動作條件下，可把距離保護閉鎖住。在保護閉鎖期間，若保護區域發生故障，則該保護裝置就會拒動，從而引起越級跳閘而擴大事故。②線路距離保護的負序啟動振蕩閉鎖裝置頻繁開啟，會導致在系統振蕩或其他偶然因素的配合下(如TV失壓)構成跳閘條件，引起整套保護誤動，主變或線路跳閘。③負序啟動的自動故障錄波器頻繁誤動將導致錄波器走紙過多。另外，饋供這類110kV電氣化鐵路負荷的樞紐變電所的變壓器負序閉鎖后備過流保護，母線差動保護、220kV線路的負序啟動高頻相差保護、負序啟動方向距離保護、發電機負序電流過負荷保護等，也多次發生由于電氣化鐵道諧波與負序引起啟動，甚至跳閘，但因為諧波含有率相對較低，故因諧波發生啟動或跳閘的頻率比直供牽引變的110kV電網保護少得多。應指出，在諧波與負序影響下發電機負序保護動作切機，以及電容器過流保護跳開電容器，不應視為誤動，而是正確動作，因為保護不動作，發電機電容器有可能損壞。至于線路、變壓器、母差保護與自動裝置在諧波影響下動作或拒動，則屬于不正確動作。

1.5 對電能計量的影響對電氣化鐵路而言，基波功率為其有效功率，諧波功率為其向電網注入的有害功率——諧波網損。目前常用的電能計量表計為：感應式電能表、電子式電能表。感應式電能表的頻率范圍狹窄，所計量的電能值是基波電能與各次諧波電能的“部分”矢量之和。電子式電能表在1kHz以內頻響特性較好，所計量的電能值是基波電能與各次諧波(1kHz以內)電能的矢量之和。電網中常用的計量方式為：電能表準確反映實際電能，即基波與諧波的綜合電能。

2 減輕電氣化鐵路對電網不良影響的措施

2.1 負序的治理措施①牽引變電站高壓側接人系統采用換相連接。②合理安排列車方式，使單相負載均衡分配在電氣化鐵路沿線。③采用同相供電系統與對稱補償技術。④合理安排牽引站供電電源：使每一個保證有可靠的主供電源和備用電源，不至使牽引站產生的負序電流過于集中，要由多個電源分擔，特別要注意離牽引站的電氣距離，容量小的發電機組不能接受較多的負序電流，更不能單獨作牽引電源。⑤改進電網：可在發電廠或樞紐變電站安裝特殊的同期調相機，其允許承受負序電流的能力較大，負序阻抗較低，而且有良好的防震性能。在發電機的出線端加裝限流電抗器，可以有效地減小注入發電機的負序電流。

2.2 諧波防治措施①利用整流變壓器繞組移相，抑制高次諧波。②對牽引變電站應加裝諧波監測儀器，各個供電臂均應裝設濾波器。③單相應用條件下，將兩組工作于不同電磁參數的單相可控電抗器并聯，通過實施協調控制，可使每個并聯單元(可控電抗器)所產生的諧波相互補償，從而使單相并聯電抗器組的諧波水平大大降低。④保持電氣化鐵路牽引變專線用電，其余鐵路生產、生活用電必須與電氣化鐵路供電嚴格分開。

電氣化鐵路負荷產生的負序和諧波電流不僅對電能質量、繼電保護及自動裝置等產生嚴重干擾或影響，直接威脅電網的安全運行，降低供電可靠性；而且影響到電動機、變壓器及輸電線路等的使用效了或壽命，增加了系統投資和運營管理費用。因此，電氣化鐵路的技術發展，必須充分研究和處理這些方面的問題，根據具體情況采取相應的措施，使電氣化鐵路對電網的影響控制在合理范圍內，保證電網的安全運行。