交流電氣化鐵道的負序電流對電力系統的影響及整改措施

李松楠

（吉林鐵道職業技術學院，吉林 吉林132200）

目前，我國電氣化鐵路的供電是沿線路建立若干個牽引變電所，一般由110 kV雙電源進行供電，再經牽引變降為電力機車用的27.5kV或55kV，電力機車采用的是25kV單相工頻交流電壓，經整流后驅動直流牽引電動機，在架空接觸導線和鋼軌之間行駛。由于工頻單相交流電氣化鐵道負荷是單相的，當三相電力系統向它供電時，三相不均衡的負荷將在電力系統中引起負序電流，同時，整流型電力機車使牽引網的電流畸變，產生的諧波電流進入電力系統，這對電力系統的運行會產生不良的影響。所以，深入研究這些不良影響和改善措施是十分必要的。

1 負序電流對電力系統的影響

據電工知識，任意一個不平衡負荷都可用對稱分量法分為正序、負序和零序三組對稱分量。對牽引供電系統來說，因為牽引變壓器二次側都采用三角形或不完全三角形結線，所以零序電流無法流通。即牽引供電系統二次側不會產生零序分量。所以牽引供電系統的不平衡負荷對電力系統的影響問題，實質上就是負序電流對電力系統的影響。研究負序電流對電力系統的影響，可以從電源和負載兩方面進行討論。

（1）電源方面。電源方面主要是對同步發電機的影響。制造廠生產的同步發電機，都是按三相平衡負荷運行來考慮的。此時設備可達到額定出力。同步發電機在正常的三相平衡負荷下，發電機定子繞組中產生與轉子同向同速的旋轉磁場，這個旋轉磁場與轉子間沒有相對運動，所以轉子中不會產生感應現象。

當同步發電機向不平衡負荷供電時，其電流除了正序電流分量外，還有負序電流分量。

當負序電流通過發電機定子繞組時，將在定子繞組中產生負序旋轉電場，該磁場的轉速和轉子的轉速相同，而方向卻與轉子轉向相反。所以負序旋轉磁場與轉子間的相對速度為同步轉速的兩倍，它必將在轉子的激磁繞組、阻尼繞組中感應產生兩倍工頻的附加電流，在轉子表面感應產生渦流。這些附加電流和渦流形成附加損耗，引起額外溫升。由于集膚效應，轉子的表面升溫較為明顯。當負序電流達一定值時，此額外溫升將影響發電機的動力，甚至使絕緣受到損害。因此，從發電機的安全運行考慮，其每相電流均不應超過額定值。否則，電流最大的一相將超過額定的溫升。當最大一相電流達到額定值時，較小的兩相卻小于額定值，所以就限制了發電機的動力。同時，轉子繞組中感應產生的兩倍同步頻率的電流，會在轉子中造成脈動轉距，引起兩倍同步頻率的振動，在電機中造成額外的機械應力。當負序電流超過一定值時，可使電機的振動達到不充許的程度。

（2）用戶方面。①對感應電動機的影響。電力牽引的單相負荷使三相系統中的各相線路產生不同的電壓降，對接在該線路上的其他動力負荷供給一個不對稱的三相電壓。這個不對稱的電壓同樣也分為正序、負序、零序三組對稱分量。由于感應電動機一般沒有中線連接，所以零序不能流通。其正序分量將產生正序轉距，這是使電動機轉動的主轉距。負序分量將產生負序轉距，在電動機中產生制動的反力距，直接影響了電動機的動力，而降低運行效率。②對電力變壓器的影響。由于負序電流流入電力系統而使三相電流不對稱，從電力變壓器的安全運行考慮，其每相電流均不應超過額定值或允許過載值，當最大一相電流達到額定值時或允許過載值時，較小的兩相卻小于額定值，從而使變壓器的容量利用率下降。另外負序電流還造成變壓器附加能量損失并在變壓器鐵心磁路中造成附加發熱。③對輸電線路的影響。負序電流流過電力網時，負序功率實際上并不作功，而只造成電能損失，從而降低了電力網的輸送能力。④對繼電保護的影響。負序電流容量使系統中由負序分量起動的繼電保護及自動裝置誤動作，從而增加保護的復雜性。

2 減少負序影響的措施

為了盡量減輕單相牽引負荷給電力系統造成的影響，必要時可在電力系統、牽引供電系統采取改善措施。

（1）電力系統采取的措施。①可在發電廠或樞紐變電所安裝特殊的同期調相機。這種同期調相機，允許承受負序電流能力較大，負序阻抗較小，吸收負序電流時不存在相位選擇問題，而且有良好的防震功能。而且可以吸收部分高次諧波電流，而不會引起共振，因此采取調相機是比較有效的措施，但調相機投資較大，占地較多，一般不采用。②臨時性的過渡措施。如果負序電流的增大是臨時性和過渡性的，則電力系統可采取一些臨時運行方式。如將某些線路、變壓器、電抗器投入或退出，以此來改變系統中負序電流的分配，達到減少負序電流流入那些承受負序影響能力較弱的設備的目的。

（2）牽引供電系統采取的措施。①采取牽引變電所換相連接的供電方式。②牽引變電所采用Scott結線、平衡牽引變壓器。

3 結語

電氣化鐵道負荷對電力系統的影響不僅與系統結構、容量大小有較大的聯系，而且還與鐵路運輸的增長、牽引變壓器的接線方式有一定的關系。因此，電氣化鐵道技術的發展，必須充分研究和解決這些問題，才能保證電力系統安全運行，并有利于電氣化鐵道的發展，給社會也會帶來一定的經濟效益。

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