電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)存在問題及對策

【摘 要】當(dāng)前的牽引供電系統(tǒng)有著許多問題，它們降低了供電的效率和質(zhì)量，威脅著電氣化鐵道運(yùn)行的可靠性和安全性。本文將列舉當(dāng)前供電系統(tǒng)中存在的諧波、無功、負(fù)序等問題，并提出相應(yīng)的解決對策。

【關(guān)鍵詞】電氣化；牽引供電系統(tǒng)；存在問題；對策

日臻完善的電氣化鐵路網(wǎng)，必將成為促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展的有力保障，具有積極重要的意義。隨著鐵路電力牽引供電方式和電力機(jī)車性能的不斷改善，我們迫切地需要加強(qiáng)對電氣化鐵道技術(shù)方面的研究，特別是通過對現(xiàn)有問題的挖掘與分析，找出解決方案，以保證行車的安全以及高效。

1.前言

鐵路牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所和接觸網(wǎng)構(gòu)成。基本的運(yùn)作方式是通過牽引變電所將電力系統(tǒng)經(jīng)過高壓輸電線輸來的電能進(jìn)行降壓和變流后再輸送給接觸網(wǎng)，以此供給沿線路行駛的電力機(jī)車。[2]牽引變電所的作用是把一次供電系統(tǒng)送來的三相交流高壓電能轉(zhuǎn)換成較低電壓的能夠滿足電力機(jī)車使用要求的電能。接觸網(wǎng)則是沿電氣化鐵道線路架空敷設(shè)的輸電網(wǎng)，它和電力機(jī)車受電弓的滑動接觸把牽引變電所送來的電流輸送給電力機(jī)車。

2.牽引供電問題分析

2.1 無功功率

電力機(jī)車是一個具有隨機(jī)變化特點(diǎn)的感性負(fù)載，它的基波電流會滯后電壓一定角度，由于變壓器、牽引電機(jī)這些設(shè)備的非線性，加上電力電子器件非線性的調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致機(jī)車的電流中包含大量在三相供電系統(tǒng)中的不對稱分布的諧波成分。牽引負(fù)載功率大、時間和空間分布隨機(jī)性強(qiáng)以及三相不對稱的特點(diǎn)導(dǎo)致牽引供電系統(tǒng)成為電力系統(tǒng)中主要的無功源。供電系統(tǒng)無功功率產(chǎn)生的危害主要表現(xiàn)在以下四個方面：（1）使供電線路中無功功率的有功損耗增加，供電線路、變送電設(shè)備以及其他用電設(shè)備發(fā)熱程度增加。（2）增加無功功率會使電流增大，從而使得發(fā)電機(jī)、變壓器以及其他電氣設(shè)備和導(dǎo)線的容量增加。（3）由于變送電設(shè)備負(fù)荷容量中，增加了無功容量。導(dǎo)致變送電設(shè)備有功輸出的容量降低。

2.2 負(fù)序電流

我國的電氣化鐵路是通過三相電力系統(tǒng)經(jīng)牽引變壓器將110kV（或者220kV）電壓降壓為27.5kV（或者55kV）后向牽引網(wǎng)和電力機(jī)車進(jìn)行單相供電。因?yàn)闋恳儔浩鞑粚ΨQ的供電方式，必然會在電力系統(tǒng)中造成負(fù)序電流，從而對供用電設(shè)備產(chǎn)生一系列危害，例如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子升溫幅度增大，引起附加振動；變壓器能量損失增多，在鐵心磁路中會產(chǎn)生附加發(fā)熱；輸電線中能量損失增多，降低線路的輸送能力；繼電保護(hù)與自動裝置負(fù)序參量啟動元件誤動作增多等。

2.3 諧波電流

電力系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧波和其它整流負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波一樣，給電力系統(tǒng)及用戶帶來巨大的危害。特別是在牽引負(fù)荷與波動性方面，具有負(fù)荷功率大、波動性強(qiáng)的特點(diǎn)，這些危害表現(xiàn)得尤為突出。主要體現(xiàn)在以下四個方面:

（1）諧波會增加公共電網(wǎng)中各元件的諧波耗損，從而降低用電、輸電、發(fā)電設(shè)備的效率，過量三次諧波還會導(dǎo)致線路過熱從而引發(fā)火災(zāi)。

（2）諧波會影響各種電氣設(shè)備進(jìn)行正常工作，對電機(jī)造成的影響除了產(chǎn)生附加耗損外，還會引起機(jī)械振動、噪聲及過電壓，從而導(dǎo)致變壓器局部過熱。另外，諧波會對電容器、電纜等電力設(shè)備產(chǎn)生過熱、絕緣老化、壽命縮短的影響。

（3）諧波會使得公共電網(wǎng)中產(chǎn)生局部并聯(lián)諧振與串聯(lián)諧振，使諧波放大，從而使（1）、（2）兩點(diǎn)的危害更加突出，甚至引起嚴(yán)重的安全事故。

3.牽引供電系統(tǒng)問題的對策

3.1 針對無功功率的解決方案

（1）為提高機(jī)車的功率因數(shù)，可以在機(jī)車上配備校正功率因數(shù)的裝置，這樣就能得到很好的效果。

（2）在“交-直-交”機(jī)車與“交-直”機(jī)車上，若整流環(huán)節(jié)采用的是四象限PWM 整流器，則可以令機(jī)車輸入電流的基波和電壓同相位，這樣可以從根本上消除功率因數(shù)的問題。

（3）對于機(jī)車產(chǎn)生的無功功率，采用就近補(bǔ)償?shù)姆绞剑ǔＴ跔恳冸娝鶎o源、有源以及兩者結(jié)合的混合補(bǔ)償方式進(jìn)行相互補(bǔ)償。

3.2 針對負(fù)序電流的解決方案

（1）采用STATCOM補(bǔ)償?shù)姆绞健Ｏ鄬τ赟VC，STATCOM 具有速度快、工作效率高、諧波輸出含量小、負(fù)荷率適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。特別是兩相結(jié)構(gòu)的STATCOM，它不僅可以實(shí)現(xiàn)有功功率、無功功率的四象限控制，還可以在對變電所的兩供電臂進(jìn)行無功動態(tài)補(bǔ)償時，調(diào)節(jié)兩供電臂有功潮流，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的動態(tài)平衡。

（2）牽引變電所的電源等級統(tǒng)一采用220kV。采用220kV的系統(tǒng)，由于電網(wǎng)的供電能力較高，負(fù)序電流的問題能夠得以緩解。

（3）牽引變電所進(jìn)行換相聯(lián)接。為了減輕進(jìn)入電力系統(tǒng)整體的負(fù)序分量，不同接線的牽引變電所可以實(shí)行換相聯(lián)接。

（4）在變電站安裝同期調(diào)相機(jī)，其功能可以允許承受較大的負(fù)序電流，從而負(fù)序阻抗較低，并且具有良好的防震性。

3.3 針對諧波電流的解決方案

（1）避免電容器放大諧波?？梢愿淖冸娙萜髦械拇?lián)電抗器，或者把電容器組的一些支路改成濾波器，或者對電容器組的投入容量進(jìn)行限定，這樣可以有效地防止電容器對諧波進(jìn)行放大，同時也保證了電容器組的運(yùn)行安全。

（2）調(diào)整諧波源的配置或者工作方式。若某些裝置對諧波具有互補(bǔ)性，可將它們集中。否則應(yīng)當(dāng)適當(dāng)分散或者對其交替使用，對于會產(chǎn)生大量諧波的工作方式應(yīng)適當(dāng)限制。

（3）運(yùn)用多重化技術(shù)。幾個交流器聯(lián)合使用，運(yùn)用多重化技術(shù)把多個方波進(jìn)行疊加，用以消除較低頻率的諧波。

（4）諧波疊加注入。可以利用具有三次倍數(shù)的諧波與外部的具有三次倍數(shù)的諧波源，將諧波電流疊加到生成的矩形波形上，這樣可以有效降低給定運(yùn)行點(diǎn)處的一些諧波。

3.4 實(shí)現(xiàn)三相平衡

從以上的分析中我們可以看到，很多問題是由牽引供電系統(tǒng)中三相不平衡導(dǎo)致的。要緩解這一問題，可以利用相序輪換技術(shù)，使得牽引供電系統(tǒng)的公共接入點(diǎn)能夠三相平衡。這個方案的基本思路是沿著鐵道線路把接觸網(wǎng)分成若干個供電區(qū)，各部分各自由電力系統(tǒng)的三相供電。如果各相所接供電區(qū)的負(fù)載和相等，同時功率因數(shù)相等，那么電力系統(tǒng)的三相電流就可以達(dá)到平衡的狀態(tài)

本文對電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)相關(guān)問題進(jìn)行了淺顯的分析，并且提出了一些解決方案。但是治理鐵路牽引供電的問題需要在實(shí)踐中不斷的摸索，相信隨著我國鐵路的高速發(fā)展，從業(yè)者會積累更多的經(jīng)驗(yàn)，找到更為有效的解決問題的途徑。