牽引負(fù)荷諧波和負(fù)序電流對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響分析

葉世生

摘 要：在科技發(fā)展的帶動(dòng)下，交通運(yùn)輸技術(shù)不斷發(fā)展，電氣化鐵路憑借自身高度、重載、污染小、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，得到了日益廣泛的應(yīng)用。而在其運(yùn)行過(guò)程中會(huì)向電網(wǎng)輸送相應(yīng)的諧波及負(fù)序電流，對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全有一定的影響。文章主要針對(duì)牽引負(fù)荷諧波和負(fù)序電流對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響進(jìn)行了分析和討論。

關(guān)鍵詞：牽引負(fù)荷；諧波；負(fù)序電流；電網(wǎng)；影響

中圖分類(lèi)號(hào)：TM714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）20-0132-02

現(xiàn)階段，電氣化鐵路已經(jīng)逐步成為我國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著不容忽視的作用。不過(guò)，電力機(jī)車(chē)自身的負(fù)荷屬于大功率單相整流負(fù)荷，運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜多變，隨機(jī)性較大，在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)反向電網(wǎng)中輸送大量的諧波電流和負(fù)序電流，對(duì)于電網(wǎng)供電質(zhì)量以及電氣設(shè)備有一定的負(fù)面影響，要引起相關(guān)管理人員的重視。

1 牽引負(fù)荷諧波對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響

電氣化鐵路運(yùn)行過(guò)程中，由牽引負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流，會(huì)給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成一定的影響，其影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是可能會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備超載運(yùn)行，產(chǎn)生過(guò)熱的情況，在特定條件下，還可能形成諧振；二是會(huì)導(dǎo)致以電壓波形控制的各種設(shè)備和儀表出現(xiàn)錯(cuò)誤控制和計(jì)量誤差。

這里從多個(gè)角度，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.1 對(duì)線(xiàn)路的影響

諧波電流的存在，會(huì)在一定程度上導(dǎo)致線(xiàn)路出現(xiàn)相應(yīng)的附加損耗，進(jìn)而引發(fā)發(fā)熱問(wèn)題，不僅影響了電力傳輸?shù)陌踩?，還會(huì)縮短線(xiàn)路的使用壽命，影響供電效率和供電質(zhì)量。電流總諧波畸變率為：

假定線(xiàn)路電阻為R，當(dāng)線(xiàn)路上無(wú)諧波電流時(shí)，則線(xiàn)路損耗為；當(dāng)線(xiàn)路上存在諧波電流時(shí)，則線(xiàn)路損耗為：

線(xiàn)損增加率為K2。

1.2 對(duì)變壓器的影響

牽引負(fù)荷諧波電流在進(jìn)入電力系統(tǒng)中，在變壓器鐵芯中會(huì)感應(yīng)磁通，導(dǎo)致電力變壓器的銅耗和鐵耗增大，尤其是渦流損耗的增加，會(huì)在一定程度上加速絕緣設(shè)備的老化，影響變壓器的性能和使用壽命。不僅如此，諧波電流的存在，會(huì)導(dǎo)致變壓器三相出力不等，從而使得變壓器的利用率下降，在運(yùn)行過(guò)程中，還可能產(chǎn)生較大的噪聲。

另外，電力機(jī)車(chē)的牽引負(fù)荷屬于波動(dòng)沖擊性負(fù)荷，會(huì)導(dǎo)致變壓器繞組熱點(diǎn)溫度出現(xiàn)周期性的變化，而且變化幅度較大，這種周期性的熱沖擊同樣會(huì)縮短變壓器的絕緣壽命，影響變壓器性能的充分發(fā)揮和使用安全。

1.3 對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響

負(fù)荷諧波電流對(duì)于電動(dòng)機(jī)的影響，主要體現(xiàn)在損耗方面，受多種參數(shù)的約束。在分析過(guò)程中，可以將諧波造成的電動(dòng)機(jī)損耗細(xì)分為定子繞組損耗、轉(zhuǎn)子繞組損耗以及雜散損耗三類(lèi)，這三類(lèi)損耗均屬于型，Rn的有效值主要受頻率的影響。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)，諧波功率損耗Pn主要為銅耗，且與成正比，當(dāng)數(shù)值較大時(shí)，則磁飽和會(huì)導(dǎo)致Rx和Xn下降，進(jìn)而使得總諧波損耗增大。

1.4 對(duì)發(fā)電機(jī)的影響

相關(guān)調(diào)查分析顯示，諧波電流對(duì)于發(fā)電機(jī)組的影響是非常巨大的，會(huì)在很大程度上阻礙發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率和運(yùn)行安全。

①當(dāng)電網(wǎng)中的諧波電流逆流入發(fā)電機(jī)定子繞組之后，會(huì)在繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的附加損耗，同樣會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱問(wèn)題，影響設(shè)備的運(yùn)行安全。同時(shí)，受電流集膚效應(yīng)的影響，轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的諧波電流并不會(huì)消失或者轉(zhuǎn)移，而是會(huì)在轉(zhuǎn)子表面流動(dòng)，很容易造成阻尼繞組、槽楔等部件的損壞。

②由諧波電流引發(fā)的磁場(chǎng)，會(huì)對(duì)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生巨大的影響，使得發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)異常振動(dòng)和噪音，影響設(shè)備性能的有效發(fā)揮

③若發(fā)電機(jī)中的諧波電流較大，其影響也會(huì)增加，不僅會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的異常振動(dòng)和噪音，還可能因諧波電壓過(guò)高，產(chǎn)生過(guò)電壓?jiǎn)栴}，導(dǎo)致設(shè)備燒毀。

2 負(fù)序電流對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響

由牽引負(fù)荷所產(chǎn)生的負(fù)序電流，對(duì)于電網(wǎng)整體的運(yùn)行安全同樣有著嚴(yán)重的影響，如占用系統(tǒng)容量、引發(fā)附加網(wǎng)損、降低發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)出力、干擾繼電保護(hù)等。因此，做好撫恤電流對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行影響的分析，采取合理有效的控制措施，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，是非常重要的。

2.1 對(duì)變壓器的影響

負(fù)序電流的存在，會(huì)造成三相電流的不對(duì)稱(chēng)，使得其中一相電流最大，無(wú)法有效保證變壓器的額定出力，導(dǎo)致變壓器容量利用率的下降。不僅如此，負(fù)序電流還會(huì)導(dǎo)致變壓器附加能量的損失，在變壓器鐵芯磁路中，產(chǎn)生附加發(fā)熱。一般來(lái)講，牽引負(fù)荷越大，變壓器中電流的不平衡度也就越大，對(duì)于變壓器容量的利用率越低。

2.2 對(duì)輸電線(xiàn)路的影響

在流經(jīng)輸電線(xiàn)路時(shí)，實(shí)際上負(fù)序功率并不會(huì)做功，只會(huì)造成電能的損失，增加一定的網(wǎng)損，降低輸電線(xiàn)路對(duì)于電能的輸送能力。牽引負(fù)荷越大，則交流線(xiàn)上存在的負(fù)序電流也就越大，對(duì)于網(wǎng)側(cè)交流線(xiàn)輸電能力的影響也越大。

2.3 對(duì)繼電保護(hù)的影響

在電網(wǎng)運(yùn)行中，如果負(fù)序電流持續(xù)作用，則可能導(dǎo)致一些以負(fù)序分量啟動(dòng)的繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，影響繼電保護(hù)的有效性和可靠性。在一定區(qū)段內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)三相失衡問(wèn)題，由牽引負(fù)荷引發(fā)負(fù)序電流的超標(biāo)，進(jìn)而導(dǎo)致變電站附近存在的小發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)頻繁跳閘問(wèn)題，影響機(jī)車(chē)的就近并網(wǎng)。另外，在電網(wǎng)中存在的大量的發(fā)電機(jī)組，而如果發(fā)電機(jī)組的容量不同，其所允許通過(guò)的負(fù)序電流也存在著較大的差異，通常來(lái)講，負(fù)序電流的最大值不能超出額定電流的8%，否則就可能對(duì)繼電保護(hù)造成負(fù)面影響。

2.4 對(duì)電機(jī)的影響

負(fù)序電流的存在會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子中的三相電流不對(duì)稱(chēng)，如果其中的某一相電流達(dá)到額定值，而兩位兩相的電流小于額定值，則會(huì)影響發(fā)電機(jī)的出力，影響其容量的利用率。負(fù)序電流經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)定子繞組時(shí)，其所產(chǎn)生的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向相對(duì)于同步速以?xún)杀端偾懈钷D(zhuǎn)子繞組，同時(shí)會(huì)在激磁繞組和阻尼繞組中，產(chǎn)生兩倍工頻的附加電流，進(jìn)而在轉(zhuǎn)子的表面產(chǎn)生渦流，引發(fā)相應(yīng)的附加損耗，進(jìn)而導(dǎo)致電子轉(zhuǎn)子負(fù)荷增大，不僅會(huì)消耗更多的電能，還可能會(huì)由于溫度過(guò)高，影響電子的運(yùn)行安全。同時(shí)，由氣隙合成磁場(chǎng)產(chǎn)生的交變力矩作用在定子機(jī)座與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上，會(huì)造成兩倍工頻的附加振動(dòng)。假定電動(dòng)機(jī)機(jī)械功率固定，則轉(zhuǎn)子電流會(huì)有所增加，導(dǎo)致各相出力不均，影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，引發(fā)過(guò)熱現(xiàn)象。負(fù)序電流所產(chǎn)生的負(fù)序磁場(chǎng)，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相應(yīng)的制動(dòng)力矩，造成電動(dòng)機(jī)出力下降。通常來(lái)講，15%～20%的負(fù)序電壓所產(chǎn)生的負(fù)序損耗，與電動(dòng)機(jī)依照額定參數(shù)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的銅耗相當(dāng)，負(fù)序損耗與負(fù)序電壓分量的二次方成正比。

3 結(jié) 語(yǔ)

總而言之，牽引負(fù)荷作為一種大功率、不對(duì)稱(chēng)、低功率因數(shù)的負(fù)荷，雖然具有良好的運(yùn)輸能力和運(yùn)輸效率，但是對(duì)于電力系統(tǒng)的安全有著不容忽視的影響，需要相關(guān)管理人員的重視，結(jié)合牽引負(fù)荷諧波電流和負(fù)序電流的特性，分析其對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行的影響，采取有效措施，對(duì)這些負(fù)面影響進(jìn)行控制和消除，以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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