電氣化鐵路對(duì)電力系統(tǒng)的影響

隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，單機(jī)功率較小的內(nèi)燃機(jī)車已不能滿足市場(chǎng)的需求，而電力機(jī)車運(yùn)營(yíng)成本可以降低30%-40% ，因此電氣化鐵路越來(lái)越成為發(fā)展的方向。但是由于電氣化鐵路電力機(jī)車是波動(dòng)性很大的大功率單相整流負(fù)荷，對(duì)于三相對(duì)稱的電力系統(tǒng)供電來(lái)說(shuō)，電氣化鐵路牽引負(fù)荷具有非線形、不對(duì)稱和波動(dòng)性的特點(diǎn)，將產(chǎn)生三相不平衡的諧波電流注入系統(tǒng)，使電力系統(tǒng)的電壓波動(dòng)，因此必須對(duì)電氣化鐵路機(jī)車對(duì)電力系統(tǒng)的影響有足夠的重視并且采取應(yīng)對(duì)措施。

一、電氣化鐵路經(jīng)牽引變壓器注入系統(tǒng)的不平衡諧波電流

電氣化鐵路的供電是在鐵道沿線建立若干個(gè)牽引變電站，一般由電力系統(tǒng)110 kV雙電源供電，經(jīng)牽引變壓器降壓為27.5kV或25kV后通過(guò)牽引網(wǎng)向電力機(jī)車供電，電力機(jī)車采用25 kV單相工頻交流電壓，經(jīng)經(jīng)變壓器變壓后全波整流后驅(qū)動(dòng)直流牽引電動(dòng)機(jī)，在架空接觸導(dǎo)線和鋼軌之間行駛。電氣化鐵路為兩相或單相不對(duì)稱的諧波電流，經(jīng)牽引變壓器的變換后，高壓側(cè)注人電力系統(tǒng)的諧波電流為三相不平衡諧波，且有基波負(fù)序電流注人系統(tǒng)。下面以牽引變壓器斯考特（T）接線為例分析（這里把基波作為諧波的特例h=1統(tǒng)一分析）。

T接線的斯考特變壓器為一次側(cè)三相系統(tǒng)和二次側(cè)兩相系統(tǒng)之間的變壓器，其原理接線及電壓相量如圖1所示。一次三相側(cè)繞組不對(duì)稱，匝數(shù)關(guān)系為Wbd=Wdc，Wad=Wbc /2，中性點(diǎn)N位于繞組AD的1/3（Wdn =Wad/3），二次側(cè)兩相繞組的匝數(shù)相等W =Wbc。高壓側(cè)接110 kV系統(tǒng)三相對(duì)稱的正弦電壓，低壓側(cè)兩相電壓 Ubc滯后于Uac 90度，組成了a、β兩相系統(tǒng)，分別向兩側(cè)的牽引網(wǎng)及電力機(jī)車供電。

（a）原理接線圖

（b）電壓相量圖

圖1 斯考特變壓器的供電系統(tǒng)

兩供電臂輸人牽引變壓器的各次諧波電流以超前相電壓為參考，則h次諧波電流的復(fù)數(shù)形式為：

（1）

設(shè)變壓器T的繞組的變比為KT=Wad/Wac，利用a、β兩相系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至三相系統(tǒng)坐標(biāo)變換關(guān)系式，高壓側(cè)中性點(diǎn)N不接地，不存在零序諧波分量，高壓側(cè)輸人電力系統(tǒng)的諧波分量電流及線電流為：

式中：ψh和φh參照于各自供電臂電壓的諧波初相角。

（2）

把式（1）代入式（2），各次諧波電流計(jì)算式為

（3）

當(dāng)變比采用變壓器一、二次額定線電壓之比K時(shí)，K=Wbc/Wbr=2KT/.

當(dāng)：ψh=φh 時(shí)，對(duì)于電力機(jī)車產(chǎn)生的奇次特征諧波電流，輸入電力系統(tǒng)的特征電流簡(jiǎn)化為下式：

（4）

假設(shè)保持一臂為最大電流，（令h=1）如，Ia1 =I1max，另一臂電流Ib1 在零到I1max之間變化時(shí)，令I(lǐng)b1/I1max=x 則由式（4）可得：

則

表1列出了T接牽引變壓器在3種典型工況下I1-，I1+和I1-/I1+的值。

表1 T接牽引變壓器在3種典型工況下電流不平衡度

由以上分析可知，除基波正序電流是由系統(tǒng)向電鐵饋供的電流外，所有諧波電流及基波負(fù)序電流均為電氣化鐵路產(chǎn)生，并向系統(tǒng)倒送電流：

由式（5）可知輸入系統(tǒng)的基波負(fù)序電流為：

在零到最大 之間變化，而最大基波負(fù)序電流為供電臂最大電流折算值的1/2左右。輸入系統(tǒng)的最大相諧波總電流估計(jì)為Ih≈25%Ilmax。即在電氣化鐵路不采取抑制措施的情況下，高壓側(cè)輸入系統(tǒng)的最大相諧波總電流為供電臂最大電流折算值的1/4，為輸入系統(tǒng)的基波負(fù)序電流最大值的1/2左右。

二、諧波電流和負(fù)序電流對(duì)電力系統(tǒng)的主要影響

（一）對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的影響

1.汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為敏感部位，因?yàn)槠啺l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的諧波和負(fù)序溫升比定子大，存在局部的突出高溫部位，國(guó)內(nèi)曾發(fā)生過(guò)向電氣化鐵路供電的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子部件嵌裝面過(guò)熱受損的事故。并且當(dāng)負(fù)序電流流過(guò)發(fā)電機(jī)時(shí)，產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，產(chǎn)生負(fù)序同步轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生附加振動(dòng)。諧波也會(huì)引起電機(jī)的振動(dòng)并發(fā)出噪聲，長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)會(huì)引起金屬疲勞和機(jī)械損壞。2.對(duì)鄰近牽引變電所而遠(yuǎn)離（指電氣距離）電源的異步電動(dòng)機(jī)，其定子繞組為敏感部位。同時(shí)還將在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生一反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，此反向磁場(chǎng)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子起制動(dòng)作用，影響其出力。在諧波和負(fù)序電流的共同影響下，國(guó)內(nèi)曾發(fā)生多起定子繞組過(guò)熱燒毀事故。

（二）對(duì)電力變壓器的影響。諧波電流在變壓器繞組要產(chǎn)生附加損耗，該損耗相當(dāng)大，除此之外還能引起外殼、外層硅鋼片和某些緊固件發(fā)熱，并可能局部過(guò)熱，加速變壓器的老化，影響其使用壽命。負(fù)序電流造成電力系統(tǒng)三相電流不對(duì)稱.造成變壓器的額定出力不足（即變壓器容量利用率下降）。

（三）對(duì)輸電線路的影響。諧波使網(wǎng)損增大，在發(fā)生系統(tǒng)諧振或諧波放大的情況下，諧波網(wǎng)損可達(dá)到相當(dāng)大的程度。負(fù)序電流流過(guò)電力聞時(shí)，它并不作功，只是降低了電力線路的輸送能力

（四）對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響。諧波在負(fù)序（基波）量的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的干擾，如對(duì)各種以負(fù)序?yàn)V波器為啟動(dòng)元件的保護(hù)及自動(dòng)裝置的干擾。由于保護(hù)按負(fù)序（基波）量整定，整定值小、靈敏度高。濾波器為啟動(dòng)元件時(shí)，實(shí)際運(yùn)行中已引起下列保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)：

1.發(fā)電機(jī)的負(fù)序電流保護(hù)誤動(dòng)；2.變電站主變壓器的復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)裝置的負(fù)序電壓?jiǎn)?dòng)元件誤動(dòng)；3.母線差動(dòng)保護(hù)的負(fù)序電壓閉鎖元件誤動(dòng)；4.線路相差高頻保護(hù)誤動(dòng)；5.自動(dòng)故障錄波裝置的負(fù)序啟動(dòng)元件的誤啟動(dòng)，導(dǎo)致無(wú)故障記錄而浪費(fèi)記錄膠卷。在頻繁誤動(dòng)時(shí)，可能造成未能及時(shí)裝好新膠卷而導(dǎo)致發(fā)牛故障時(shí)無(wú)記錄；6.當(dāng)諧波注入系統(tǒng)，在諧振或諧波放大的情況下，會(huì)造成過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)負(fù)荷及過(guò)熱，可能造成電容器或串聯(lián)電抗器的損壞，導(dǎo)致無(wú)功補(bǔ)償裝置無(wú)法投入運(yùn)行。

三、電氣化鐵路的無(wú)功補(bǔ)償

針對(duì)電氣化鐵路負(fù)荷功率因數(shù)較低的現(xiàn)象，嚴(yán)重危害設(shè)備和線路的安全，必須對(duì)電氣化鐵路采取相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償措施。目前電氣化鐵路牽引變電所一般安裝兩組不可調(diào)并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置，分別補(bǔ)償兩個(gè)供電臂牽引負(fù)荷。但由于牽引負(fù)荷為間歇性負(fù)荷，負(fù)荷變化大，電容補(bǔ)償不能自動(dòng)追蹤補(bǔ)償，影響功率因數(shù)的提高。

四、目前電氣化鐵路無(wú)功補(bǔ)償存在的問(wèn)題

1）電容補(bǔ)償裝置容量為固定容量，不能根據(jù)電力機(jī)車負(fù)荷進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。2）供電臂負(fù)荷與電容補(bǔ)償容量不匹配，沒(méi)有根據(jù)供電臂負(fù)荷決定補(bǔ)償裝置容量。3）電容器、電抗器設(shè)備有缺陷，造成電容補(bǔ)償裝置不能投運(yùn)。4）無(wú)功計(jì)量方式不合理，牽引供電部門無(wú)法投入電容補(bǔ)償裝置。

為了解決目前電氣化鐵路無(wú)功補(bǔ)償存在的問(wèn)題，可以采取以下措施：

1）實(shí)現(xiàn)電容分組補(bǔ)償。即將電容器和電抗器分成5～6組獨(dú)立補(bǔ)償單元，根據(jù)近期、遠(yuǎn)期運(yùn)輸量及牽引負(fù)荷情況，分組投入補(bǔ)償裝置，使電容補(bǔ)償裝置產(chǎn)生適量無(wú)功，補(bǔ)償電力機(jī)車所需的無(wú)功功率，盡量不產(chǎn)生過(guò)補(bǔ)。雖然這種方法僅能減少無(wú)功功率的過(guò)補(bǔ)償，不能進(jìn)行追蹤補(bǔ)償，但比現(xiàn)有的固定容量補(bǔ)償?shù)姆绞叫Ч茫m合新建變電所和改造舊的變電所采用。2）研制新型的電容補(bǔ)償設(shè)備，達(dá)到自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償?shù)哪康?。目前許多國(guó)家研制了多種類型的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（簡(jiǎn)稱SVC）。SVC具有快速調(diào)節(jié)無(wú)功的功能，能夠達(dá)到較為理想的補(bǔ)償效果，雖然價(jià)格較高，但無(wú)疑是今后的發(fā)展方向。3）選擇高質(zhì)量的電容器、電抗器，減小電容、電抗值誤差。4）在電力機(jī)車上裝設(shè)電容補(bǔ)償裝置，直接吸收電力機(jī)車牽引過(guò)程中產(chǎn)生的無(wú)功成分。

五、改善電氣化鐵路對(duì)電力系統(tǒng)影響的主要措施

電氣化鐵路產(chǎn)生的負(fù)序和諧波電流對(duì)相關(guān)電廠以及其他電力設(shè)備有著重大影響，對(duì)其安全性構(gòu)成很大的威脅，因此，對(duì)電力機(jī)車負(fù)序電流的影響程度進(jìn)行定量分析，在此基礎(chǔ)上制定切實(shí)可行的技術(shù)措施。

（一）降低和限制負(fù)序電流措施

1）牽引變電站高壓側(cè)接人系統(tǒng)采用換相連接。2）合理安排列車方式，使單相負(fù)載均衡分配在電氣化鐵路沿線。3）采廂同相供電系統(tǒng)與對(duì)稱補(bǔ)償技術(shù)。4）合理安排牽引站供電電源，使每一個(gè)保證有可靠的主供電源和備用電源，不至使?fàn)恳井a(chǎn)生的負(fù)序電流過(guò)于集中，要由多個(gè)電源分擔(dān)，特別要注意離牽引站的電氣距離，容量小的發(fā)電機(jī)組不能接受較多的負(fù)序電流，更不能單獨(dú)作牽引電源。5）對(duì)電力系統(tǒng)的改進(jìn)，可在發(fā)電廠或樞紐變電站安裝特殊的同期調(diào)相機(jī)，其允許承受負(fù)序電流的能力較大，負(fù)序阻抗較低，而且有良好的防震性能。在發(fā)電機(jī)的出線端加裝限流電抗器，可以有效地減小注入發(fā)電機(jī)的負(fù)序電流。

（二）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(duì)牽引變電站應(yīng)加裝諧波監(jiān)測(cè)儀器，各個(gè)供電臂均應(yīng)裝設(shè)濾波器。

3）單相應(yīng)用條件下，將兩組工作于不同電磁參數(shù)的單相可控電抗器并聯(lián)，通過(guò)實(shí)施協(xié)調(diào)控制，可使每個(gè)并聯(lián)單元（可控電抗器）所產(chǎn)生的諧波相互補(bǔ)償，從而使單相并聯(lián)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(chǎn)、生活用電必須與電氣化鐵路供電嚴(yán)格分開(kāi)。

六、鐵路的功率因數(shù)與經(jīng)濟(jì)效益

電氣化鐵路電力機(jī)車和牽引變電所并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置的技術(shù)狀態(tài)，直接關(guān)系到運(yùn)輸生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。功率因數(shù)低不僅使?fàn)恳冸娝髯儔浩鞯裙╇娫O(shè)備的能力不能充分利用，更重要的是對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)電、供變電設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響。1993年4月，電力部門對(duì)電氣化鐵路牽引用電由原來(lái)非普工業(yè)類單一制電價(jià)改為大工業(yè)類兩部制電價(jià)，開(kāi)始征收功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)，將功率因數(shù)考核標(biāo)準(zhǔn)定為0.9。牽引供電系統(tǒng)自然功率因數(shù)為0.75左右，牽引變電所現(xiàn)有并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置難以達(dá)到電力系統(tǒng)制定的功率因數(shù)0.9標(biāo)準(zhǔn)，鐵路企業(yè)被追交納功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)。自1993年以來(lái)，蘭州鐵路局7年交納功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)2100萬(wàn)元。其中，1998年720萬(wàn)元，1999年680萬(wàn)元。功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)的支出，加大企業(yè)成本，影響了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。為提高功率因數(shù)，在電力機(jī)車上安裝電容器組，或改造現(xiàn)有變電所電容補(bǔ)償裝置，是提高牽引供電系統(tǒng)功率因數(shù)、減少功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)支出的有效途徑。

我國(guó)廣泛使用的電力機(jī)車大多數(shù)為交直型電力機(jī)車，即將接觸網(wǎng)提供的工頻交流電變換為直流電，供牽引電機(jī)取用。交直型電力機(jī)車分為整流型和相控整流型，如國(guó)產(chǎn)SS型電力機(jī)車為整流型電力機(jī)車，通過(guò)整流硅機(jī)組將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?。又如，?guó)產(chǎn)SS 型電力機(jī)車為相控整流型機(jī)車。交直型電力機(jī)車的致命弱點(diǎn)是功率因數(shù)低，其功率因數(shù)為0.8左右。電力機(jī)車若采用再生制動(dòng)，功率因數(shù)又會(huì)大幅度下降。

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