浅析电气化铁路对电网的影响及对策研究*

张 震，张道国

(1.国核电力规划设计研究院，北京 100032;2.电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)

浅析电气化铁路对电网的影响及对策研究*

张 震1，张道国2

(1.国核电力规划设计研究院，北京 100032;2.电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)

电气化铁路牵引负荷是波动性很大的大功率单相整流负荷，在消耗电能的同时向电力系统注入大量的高次谐波及负序电流。本文结合其对电网造成的危害进行理论分析，并提出相应的治理措施。

电气化铁路;电网;电能质量;谐波;负序

一、引言

众所周知，电气化铁路牵引负荷是大功率整流负荷，其用电会产生大量的谐波和负序影响，对电网的安全运行构成威胁。因此，应提前做好应对措施，将谐波和负序分量限制在可控范围内。

二、电气化铁路简介及现状

电气化铁路一般由电力机车、牵引变电站和接触网三部分组成，所以常称其为电气化铁路的“三大元件”。电气化铁路采用工频交流制牵引，具有速度快、运输能力强、供电距离长、节省能源与造价、牵引性能好、污染小等优点，因而发展前景广阔。目前，我国电气化铁路总里程已达3.2万公里，跃居世界第二。

三、对电网电能质量的影响

电力机车运行时会产生大量谐波电流流向电力系统，尤其以3、5、7、9、11等奇次谐波为主;同时，电铁牵引负荷属工频单项交流供电负荷，运行时引起供电系统三相不平衡，产生负序电流和负序电压;电铁牵引负荷又具有波动性和不确定性，具有短时冲击负荷的特征。可见，电气化铁路的电力机车是移动性的单相整流带冲击的负荷，当其接入电网运行时，将在电力系统中产生较大的谐波和负序分量，对电气设备及电力系统的安全经济运行造成严重威胁。因此，需要探讨电气化铁路对电网尤其是电能质量的影响。

1.电铁牵引负荷的谐波分量对电网的危害

谐波分量产生的危害主要表现在能量损失、保护误动作、计量不准确以及对电力设备造成损害。

谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，从而降低电网电压，浪费电网的容量。供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，它们容易受谐波影响，产生误动或拒动。当谐波较大时将影响电力测量的准确性，特别是使电能表产生计量混乱，测量不准确。谐波使电容器损耗功率增加，电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。谐波使变压器的铜耗和铁耗增大，降低变压器的实际使用容量。谐波导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。

2.电铁牵引负荷的负序分量对电网的危害

负序分量产生的危害主要表现在对发电机、异步电动机、电力变压器、输电线路及继电保护装置等电力系统元件造成损害。

负序电流对发电机影响最大的是转子的附加损耗与发热，其次是附加振动。对于异步电动机来说，较小的负序电压会产生较大的负序电流和逆转的电磁转矩，影响其效率和安全可靠运行。负序电流造成电力系统三相电流不对称，因而有一相电流最大而不能有效发挥变压器的额定出力，降低容量利用率。负序电流流过输电线路时不做功，造成电能损失，降低输送能力。负序电流干扰继电保护和自动装置的负序参量启动元件，造成频繁误动作。

四、危害治理措施

由此可见，电力机车在用电过程中产生大量的谐波与负序，且电力机车沿铁路移动用电，产生的危害性远比其他谐波源更为严重，更为广泛。随着电铁运量的增加和向东部发达地区扩展，如未在牵引变电站得到及时治理，将注入电力系统，尤其当谐波或负序分量较大时，严重影响全网安全及电能质量。

1.具体工程实例

位于山东省境内的220kV仁和－高密工程给电铁供电，其中仁和站为220kV变电站，高密站为电铁牵引站。

对于一条铁轨，它分上行和下行，因此一般都是两相供电，一路处于带电待用状态，通过分区亭断路器(或负荷开关)的操作，实行双边(或单边)供电，一旦发生故障，可以通过开关的投切，实现切除故障和恢复供电。220kV两相导线为铁路牵引站供电，这两相导线形成回路。自高密牵引站至铁路接触网段，为保证电压经长距离传输(25km)后末端电压仍能满足电气化牵引的需要，该段线路为27.5kV(铁路接触网额定电压为25kV)单相工频交流电。该电压等级电流通过铁轨和大地形成回路，为提高运行安全，又增加了架空零线构成整个回路。

可采用数字仿真模拟计算及现场模拟试验等方法，也可利用谐波及负序计算软件，预测电气化铁路谐波、负序分量在电网中的分布及影响。

2.谐波分量的治理建议

谐波既降低电网效率，又污染了整个电网。国外对电网谐波污染非常重视，对电气化铁路牵引负荷等引起电网严重污染的用电负荷制定了严格的用电标准;同时大量使用电力滤波器、静止无功补偿设备以净化供电系统。我国供电系统对谐波造成的危害也十分重视，对用电单位制定了严格的奖惩措施。

根据国内外谐波治理经验，谐波污染问题应从全系统出发、全面规划，采取有力措施加强技术监督与管理，审核尚待投入负荷的谐波水平，已投运的谐波源负载，要求用户加装滤波装置，普遍采用具有法规和经济约束的手段，改变先污染后治理的被动局面。通过完善现行的谐波管理规定，促使各电力部门乃至各电力用户齐心协力，有效地治理谐波污染，保证高质量的电能。

3.负序分量的治理建议

从整个供电网络来看，近年来随着电气化线路的不断增长和电力系统容量的增加，使负序电流对系统的影响得到缓解，但是从单个变电站来看，作为电气化铁路负荷的电力机车是一个时变负荷，其负序电流总是存在的，对铁路沿线的电力设备的影响并未完全消除。

可采取以下措施以降低和限制负序电流:(1)牵引变电站高压侧接入系统采用换相连接;(2)合理安排列车方式，使单相负载均衡分配在电气化铁路沿线;(3)采用同相供电系统与对称补偿技术;(4)合理安排牵引站供电电源，使每一个牵引变保证有可靠的主供电源和备用电源，避免牵引站产生的负序电流过于集中，要由多个电源分担，特别要注意离牵引站的电气距离，容量小的发电机组不能接受较多的负序电流，更不能单独做牵引电源。

五、结束语

电能质量的好坏直接关系到电网的安全、稳定、经济运行，关系到用户的可靠供电，是电网运行水平的一项重要指标。提高电能质量，减少电力污染，共创高质量的洁净电网。

［1］GB 50545－200X，《110kV ～750kV 架空输电线路设计规范》(报批稿)［S］.

［2］马军，杨媛，高勇.电气化铁路对电力系统的影响［J］.西安理工大学学报，2002，(2).

［3］臧宏志，吴成安，赵兵.动车组投运对电网电能质量的影响［J］.山东电力技术，2007，(6).

U22

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1006－5342(2011)10－0166－01

2011－08－12