電氣化鐵路電能質(zhì)量問題及其治理對(duì)策分析

摘 要：電力鐵路運(yùn)輸?shù)囊?guī)模不斷擴(kuò)大是交通運(yùn)輸業(yè)向前發(fā)展的趨勢(shì)，但是在發(fā)展過程中鐵路電能質(zhì)量技術(shù)問題制約著它的前進(jìn)步伐。本文主要探討了電氣化鐵路電能質(zhì)量的常見問題，并針對(duì)相關(guān)問題的治理對(duì)策進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；電能質(zhì)量；問題；

中圖分類號(hào)：U224 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2014）-08-00-01

高效的鐵路運(yùn)輸能力能促進(jìn)我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，隨著現(xiàn)代化腳步不斷加快，提高電氣化鐵路的技術(shù)水平勢(shì)在必行。綜合治理鐵路電能質(zhì)量問題不僅利于電氣化機(jī)車的安全快速運(yùn)行，同時(shí)也能降低對(duì)資源的燃耗，實(shí)現(xiàn)資源的合理化配置。目前我國鐵路電氣化率已達(dá)到32%，并且他們承擔(dān)著全路50%的貨運(yùn)量，我國電氣化鐵路總路程也已達(dá)25000公里以上，位居世界第二。據(jù)國家規(guī)劃局統(tǒng)計(jì)，到2020年，我國的電氣化鐵路路程將會(huì)突破5萬公里，屆時(shí)電力鐵路的路程會(huì)占據(jù)總路程的一半以上，并且承擔(dān)的運(yùn)輸量達(dá)到85%以上[1]。

一、電氣化鐵路電能質(zhì)量問題

電力機(jī)車的運(yùn)行加大了電網(wǎng)的負(fù)荷，因此會(huì)造成很多的質(zhì)量問題，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定也有損害，這些都給電網(wǎng)系統(tǒng)供電用戶造成了嚴(yán)重的危害。根據(jù)電氣化鐵路的特點(diǎn)分析可以得出影響電能質(zhì)量的原因主要有電力機(jī)車的波動(dòng)性和沖擊性強(qiáng)、三相不平衡、以及諧波電流過高[2]。

（一）電力機(jī)車的波動(dòng)性比較大的相關(guān)因素主要有鐵路的符合狀況、線路的情況、電力機(jī)車的類型以及機(jī)車行駛的速度，另外還會(huì)與機(jī)車的牽引重量和運(yùn)行圖。上述因素運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間和空間分布不均勻都會(huì)使得牽引負(fù)荷力量的不平衡，這樣的電力負(fù)荷的不平衡會(huì)給電力系統(tǒng)造成很大的破壞，同樣在質(zhì)量綜合治理中難度也很大。

在我國，因?yàn)殡娏C(jī)車數(shù)量比較龐大，因此我國電氣化鐵路牽引變電站的容量也比較大，在設(shè)計(jì)時(shí)容量達(dá)到90M VA。另外根據(jù)長遠(yuǎn)發(fā)展計(jì)劃，針對(duì)高速專線的牽引變電站電容量規(guī)劃達(dá)到140M VA，并且在很多電氣化鐵路的牽引變電站容量設(shè)計(jì)，都是根據(jù)完全超容量的情況制定的，所以在電力牽引變電站最高負(fù)荷值可以達(dá)到180—240M VA。這樣的情況下，在電網(wǎng)設(shè)備比較低或者電網(wǎng)供電能力不足的部分地區(qū)是不可能承受如此大且集中的負(fù)荷的，所以會(huì)造成部分地區(qū)的供電系統(tǒng)的極大破壞，從而引起電壓不穩(wěn)定或閃變的問題。

（二）電力機(jī)車是單相負(fù)荷的，因此將電力機(jī)車接入三相對(duì)稱電網(wǎng)時(shí)會(huì)造成牽引變壓系統(tǒng)產(chǎn)生幅值很高的負(fù)序電流。負(fù)序電流的大小和牽引變電器的連接方式有關(guān)，牽引負(fù)荷的大小也會(huì)影響到負(fù)序電流的情況。當(dāng)牽引變電器采用的是單相接線變壓器時(shí)，它的牽引負(fù)荷在電力系統(tǒng)中引起的負(fù)序會(huì)與正序相抵；牽引變電站采用單項(xiàng)V/V接線變壓器的前提下，在兩個(gè)方向的牽引負(fù)荷相等的情況中電力系統(tǒng)引起的負(fù)序和正序電流各為一半，相反情況下負(fù)序電流與兩側(cè)產(chǎn)生的負(fù)荷電流差的絕對(duì)值是成正比的；牽引變電站使用三相接線變壓器時(shí)，它的負(fù)荷在電力系統(tǒng)中會(huì)引起的負(fù)序電流是正序的二分之一。

負(fù)序電流過高會(huì)引起旋轉(zhuǎn)電機(jī)中產(chǎn)生負(fù)磁場，這種負(fù)序磁場會(huì)導(dǎo)致電力機(jī)車產(chǎn)生負(fù)序同步轉(zhuǎn)矩，致使車身震動(dòng)，因此會(huì)產(chǎn)生一定的制動(dòng)力影響到電機(jī)的出力，不對(duì)稱的負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致變壓器的利用率下降和加快變電器的損耗。

（三）電氣化鐵路一般會(huì)采用交—直—交和交—直型機(jī)車類型，其采取相控整流技術(shù)，它會(huì)導(dǎo)致往供電網(wǎng)注入大量的諧波電流。諧波電流會(huì)加快電氣元件的損耗，影響各項(xiàng)設(shè)備的正常運(yùn)行。造成諧波過流還會(huì)影響繼電保護(hù)裝置的工作，因此會(huì)到此設(shè)備被嚴(yán)重地?fù)p壞以及電網(wǎng)停止供電的事故發(fā)生。

二、解決電氣化鐵路電能質(zhì)量問題的方案

牽引供電系統(tǒng)的特性情況會(huì)影響到電氣化鐵路中存在的電能質(zhì)量問題，因此從牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行治理具有很強(qiáng)的可行性。大容量電力系統(tǒng)裝置的研究和開發(fā)在理論上具有一定的優(yōu)越性，在解決鐵路電能質(zhì)量問題受到廣泛重視。

電氣化鐵路牽引供電網(wǎng)主要分成三個(gè)方面分別是電力供電系統(tǒng)；牽引變壓器和接觸網(wǎng)；電力機(jī)車。因此在提高鐵路電能質(zhì)量方面的治理方案可以分別從上述三方面入手。

（一）提高牽引變電站接入的供電系統(tǒng)短路容量，可以通過縮短接入點(diǎn)和電源兩者之前的距離[3]。這樣的工作方式能夠提高電力系統(tǒng)抵御問題的能力，控制牽引負(fù)荷注入電力系統(tǒng)的負(fù)序電流以及諧波電流對(duì)其造成的損害。這個(gè)方案在理論上是提高鐵路電能質(zhì)量的有效措施。但是改變電力系統(tǒng)原有的接線方式是一項(xiàng)規(guī)模很浩大的工程，因此會(huì)耗費(fèi)許多成本，并且這項(xiàng)方案具體操作起來也很困難。另外長期發(fā)展看來，短路容量不可能無限量的增長，因此治理效果還是會(huì)受到限制。

（二）另外有些牽引變電站采用的是抗匹配平衡變壓器以及斯科特變壓器。這些特種變壓器能夠根據(jù)自身接線方式和變比設(shè)計(jì)，在達(dá)到一定的負(fù)荷量的情況下可以對(duì)系統(tǒng)三相電流轉(zhuǎn)變并且完全對(duì)稱，因此可以達(dá)到控制負(fù)序電流對(duì)系統(tǒng)造成損害的目的。雖然該方案可以解決三相電不平衡造成的質(zhì)量問題，但是由于牽引變壓器系統(tǒng)的側(cè)繞組換相接入，會(huì)引起供電臂的電壓相位不同，如果在不同區(qū)段間加分段絕緣器的話，會(huì)使得牽引網(wǎng)的無電區(qū)域面積擴(kuò)大好幾倍，電力機(jī)車在運(yùn)行時(shí)安全存在著較大的隱患。

（三）而SVC以及STATCOM作為動(dòng)態(tài)裝置在國外的鐵路電力使用方面很廣泛并且效果很好，SVA裝置利用晶匣管對(duì)波動(dòng)性的負(fù)荷進(jìn)行可調(diào)節(jié)性并且連續(xù)補(bǔ)償，另外利用無源濾波器剔除系統(tǒng)中的高次諧波、減少了諧波對(duì)電子元件的損害。在我國電氣化鐵路中使用中，其并聯(lián)了牽引器的系統(tǒng)側(cè)并且采用三相電，使得該裝置更加優(yōu)化。STATCOM裝置是通過將變流器與電抗器與電網(wǎng)并聯(lián)，可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)交流側(cè)輸出的電壓相位以及幅值。它的性能十分良好，工作效率很高并且響應(yīng)迅速，運(yùn)行控制范圍面很廣。它還能夠進(jìn)行雙向無功補(bǔ)償和有功轉(zhuǎn)移，因此可以對(duì)負(fù)序電流進(jìn)行無功補(bǔ)償，更加適用于電氣化鐵路電能治理中。

三、結(jié)語

隨著電氣化鐵路規(guī)模不斷擴(kuò)大，以及其運(yùn)載量不斷上升，不斷電力鐵路電能的質(zhì)量是當(dāng)前面臨的比較大的技術(shù)問題。電路質(zhì)量問題不僅制約著電力鐵路的發(fā)展，同時(shí)還可能造成鐵路運(yùn)輸安全事故，因此務(wù)必要加快對(duì)保證其高質(zhì)量運(yùn)行的技術(shù)設(shè)備研發(fā)，并且要借鑒國外優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行綜合治理。

參考文獻(xiàn)：

[1]周方圓，王衛(wèi)安.高速鐵路對(duì)供電質(zhì)量的影響及治理措施[J].大功率變流技術(shù).2010（06）

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[3]林焱，黃佳珍.高速電氣化鐵路溫福線供電電能質(zhì)量的測(cè)試分析[J].電力與電工.2010（01）