電氣化鐵路接入對電能質量評估影響的治理研究

馬以濤

（國網新疆綜合能源服務有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引 言

最近幾年來，隨著我國經濟不斷發展，電氣化鐵路也不斷高速發展，主要干線的列車必須全面提質提速方可滿足物流需求和人們的生活需求。截至2021年底，我國的鐵路營業里程總數已經突破了15萬km（其中高鐵的營業里程總數已經超過了4萬km），實現現有高鐵總里程數占到了約世界高鐵總長度的62%左右，基本形成了國家鐵路運輸的八縱八橫高鐵網絡，《全國國土規劃綱要（2016—2030年）》指出，到2030年我國鐵路營業里程的總數要達到20萬km以上[1-3]。

按照國家電氣化鐵路建設發展規劃和需求，積極推進新規劃，建設電氣化鐵路和現有電氣化鐵路提質改造、擴容擴建，會帶來大量的技術運維、現場施工等問題，因此，電氣化鐵路的相關電能質量問題受到了高度關注[4]。客貨分線逐步實現后，針對交直型電力機車貨運線路部分，在相對的時間段內，較為突出的問題仍然會是電能質量。然而，客運專線的電能質量問題將會出現新特點，也就是由于高速鐵路的牽引功率增大，使負序問題變得更加突出[5]。因此，電氣化鐵路建設發展帶來的電能質量問題和電力系統規劃問題，受到專家學者的廣泛關注。

1 影響電氣化鐵路電能質量的主要問題

當電氣化鐵路接入電網系統后，諧波電流和負序電流將注入電網，嚴重時，電力系統安全和穩定運行將會受到很大的影響，直接影響到發電、輸電、配電和用電等電力系統每一個環節的電力設施設備，更有可能造成設施設備的損毀。

1.1 諧波的產生及危害

電氣化鐵路諧波產生的原因有很多，其主要原因是因為電力機車中的整流裝置與一些非線性元件不平衡負荷產生的畸變波。相比較于一般電力系統的諧波，電氣化鐵路的諧波是從高壓等級方注入到鐵路用電網絡，所產生諧波與一般電力系統所產生諧波不一樣，幅值發生劇烈波動是隨機的，無規律可循，如圖1所示。

圖1 諧波波形畸變圖

電氣化鐵路諧波危害很多，初相角分布廣泛的諧波會給鐵路電網及電力機車設施設備造成的危害有：一是由于電壓不穩定或不平衡，容易增加電力設施設備附加損耗，設施設備的容量利用率以及功率因數會降低，致使設施設備的使用壽命縮短；二是繼電保護裝置的動作發生改變，會造成誤動或拒動、起動頻繁；三是會造成附近的電網以及其他電容器組發生頻繁的并聯諧振，諧波過電壓急劇增加、功率因數會出現長期偏低，長此以往，電容器組受損幾率大大增加；四是由于諧波波形畸變，直接影響到儀表儀器的測量精度；五是由于諧波對頻率的影響，間接影響到通信波，對通信造成雜音干擾[6]。

1.2 較強的波動性和沖擊性影響

參考文獻[7]-[9]表明：一是電氣化鐵路負荷與很多因素有關，比如電力機車的類型、操縱、速度不同而可能造成負荷不同，牽引重量不同或運行圖不同可能導致負荷發生變化，鐵路電網及相關元器件組線路不同也可能影響負荷異常，致使產生很強的波動性，將對電氣化鐵路電能質量的綜合治理提高了很大的難度系數；二是電氣化鐵路的設施設備因沖擊負荷或負荷波動造成電壓波動與閃變形成，當用電系統發生故障極有可能引起電網波動或閃變，系統設施設備因自動投切也有可能造成操作波影響，因供電系統遭受天氣變化雷擊引起電網電壓不穩定造成負荷陡變；三是由于鐵路元器件組的開關操作，產生了足夠大的負荷變動引起電壓波動或閃變，對鐵路機車上靈敏的元器件組造成電壓及電流不穩定，直接沖擊對電壓或電流敏感的電子設施設備及儀器高效運行，或由于配電系統發生變化，電壓通過變壓器高壓一側傳遞到低壓一側的用戶電源端，再加上用電負荷多變或不穩定，迫使兩端電壓不穩定，電壓波動和閃變造成波動性。

1.3 三相失衡負序突出

從異步電動機角度看，負序電壓通常產生的都是負序電流，而正序電壓通常產生的則是正序電流，而負序電流對異步電動機有著極其不好的影響，比如負序電壓限制電機工作效率，嚴重時極有可能造成運轉安全問題，負序電壓同樣會對同步發電機帶來額外損耗，大大降低運行效率[10]。

電氣化鐵路電力機車往往是單相負荷，接入到對稱的三相電網，牽引變壓器一側產生較大幅值負序電流，牽引變壓器系統連接方式不同或牽引負荷大小不同直接影響著負序電流的大小。旋轉電機在工作過程中，過度的負序電流必然會產生很大的負序磁場，則發電機中因此會同步產生負序轉矩，附加震動增強，出力效果受到影響。負序電流同樣還會造成電力變壓器的容量利用成效下降，增加變壓器能耗，磁路鐵芯發熱發燙造成安全隱患。負序電流對繼電保護的負序參量啟動元件及自動裝置的負序參量啟動元件產生干擾，造成電器元器件頻繁出錯。

2 電氣化鐵路接入對電能質量影響治理建議

2.1 三相電源系統接入原理

為了更好地治理電氣化鐵路接入對電能質量影響的問題，降低能量損耗，提升鐵路電網系統運行效率，有效實現節能減排，在電氣化鐵路的牽引變電所內，外部三相電源系統在降壓變壓器降壓后接入三相變流器，并與單相變流器連接，再在單相變流器的輸出端接入升壓變壓器，接入穩定工頻單相電壓的鐵路牽引供電系統，確保鐵路系統供電質量及可靠性。理想條件下的供電系統牽引變電所原理如圖2所示。

圖2 理想條件下的供電系統牽引變電所原理圖

2.2 降低負序電流影響電氣化鐵路的供電體系

為了消除負序電流影響電氣化鐵路的供電體系問題，充分了解各總負序電流與單個變電所所引入相序的關聯性，在電氣化鐵路供電系統中采取相序輪換接入，既可解決供電系統不對稱影響，也可解決線路接入問題。

在區域性電網比較薄弱地區，當內部供電臂負荷相同情況下，最好采用較為平衡的牽引變壓器接入方式，以便于電氣化鐵路穩定，可解決牽引負荷影響高壓三相問題，致使所產生負序電流大大降低甚至可以接近于零，從而保障電氣化鐵路高效運行。

2.3 降低電氣化鐵路諧波影響及措施

為了有效減少電氣化鐵路諧波電流對鐵路供電系統電能質量的影響，在無源濾波器的作用下，充分利用電容支路串聯電抗器或接入特定的濾波器支路對電氣化鐵路諧波電流有效治理。

（1）對機車本身進行科學改造，使其符合電氣化鐵路使用需求，或采用先進的機車設備，可有效降低諧波產生或諧波含量。

（2）對牽引站進行技術性改造，要么加裝可以實現濾波的無功補償裝置進行濾波或引入感應濾波技術將諧波濾除，要么拆換上優質變壓器實現降諧波效果。

（3）采用電流檢測法對每一次電氣化鐵路諧波電流進行快速檢測，利用先進的濾波器針對性地開展限制性措施。

（4）增大電氣化鐵路牽引供電系統短路容量，增強鐵路供電系統耐受能力。

（5）使用FACTS等系列新型的綜合治理裝置，對電氣化鐵路產生的諧波負序進行有效性、綜合性治理。

2.4 強化電氣化鐵路電能質量補償

結合電氣化鐵路的供電模式以及電力機車實際情況，針對性地提出電氣化鐵路電能質量補償方式及控制方式。當前，國內國際使用的補償裝置有FC、PF、SVC、RPC以及STATCOM等，其中RPC相比較而言，既具有無功補償功能也可實現有功功率直接轉移，同樣有有源濾波功能，由于功能強大，成為了當前治理電氣化鐵路的電能質量有效方法之一。

3 結 論

綜上所述，以三相電源系統接入原理作為基礎，針對性地提出了降低負序電流對供電系統的影響、電氣化鐵路諧波抑制的具體措施、電氣化鐵路的有效電能質量補償方法。