電氣化鐵路對電力系統(tǒng)的影響分析

范旋

（中國神華能源股份有限公司神朔鐵路分公司，陜西神木719300）

1 引言

電氣化機車中沒有自帶很重的引擎以及燃料，其能量由鐵路動力系統(tǒng)提供，即對沿線牽引變電所輸送電力的外部供電系統(tǒng)，以及從牽引變電所經(jīng)降壓、變相或換流（轉(zhuǎn)換為直流電）后，向電力機車、動車組供電的變、直流牽引供電系統(tǒng)。其中，牽引變電站可以恢復高壓輸電線路的高壓電流,然后輸送到鐵路的空中聯(lián)絡(luò)網(wǎng)，用弧線牽引電力機車，從而帶動車輛行駛。電氣化鐵路是伴隨著電力機車的出現(xiàn)而產(chǎn)生的，電氣化鐵路具有節(jié)省能源的優(yōu)勢，其熱效率可以達到20%～26%，在運輸能力、功率以及牽引量等方面有較大的優(yōu)勢。除此之外，還具有維修少、噪聲小、資源消耗少等優(yōu)勢。

2 電力系統(tǒng)分析

一個完整的電力系統(tǒng)由發(fā)電廠、升壓和降壓變電所、輸電線路及電力用戶組成，它們分別完成電能的生產(chǎn)、電壓變換、電能的輸配及使用[1]。電氣系統(tǒng)是電能生產(chǎn)和消耗系統(tǒng)。在各個工業(yè)部門，電氣系統(tǒng)是最大、最復雜的實時物理系統(tǒng)，其功能是通過發(fā)電將自然一次能源轉(zhuǎn)化為電能，然后通過運輸、加工和配送為各用戶提供電能。為了實現(xiàn)此功能，電氣系統(tǒng)還具有位于不同級別和鏈接的相應信息和控制系統(tǒng)，以測量、調(diào)整、控制、保護、通信和分配生產(chǎn)過程。

3 電氣鐵路和電力供應

3.1 電力線路基礎(chǔ)概念

電力線路是指在發(fā)電廠、變電站和電力用戶間用來傳送電能的線路。它是電氣化鐵路的重要組成部分，擔負著輸送和分配電能的任務(wù)。

3.2 諧波對電力系統(tǒng)的影響

諧波電流對電力系統(tǒng)有很大的影響，會引起諧振并損壞無功功率電容器組。電力機車是電力牽引系統(tǒng)中最重要的諧波源，其諧波含量是最重要的電氣性能指標之一。電力機車具有非常低的基本功率，是電力牽引系統(tǒng)的感性負載，并且諧波的存在降低了總功率因數(shù)。

在電力系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是交錯的，有功功率流、無功功率流、高次諧波和反向電流以光速傳輸?shù)秸麄€系統(tǒng)，不僅可以傳遞巨大的力量，還可以立即引起重大的災難性事故。為了確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟地運行，必須根據(jù)不同的要求在電力系統(tǒng)中配置各種自動控制和通信系統(tǒng)，以形成信息和控制子系統(tǒng)。子系統(tǒng)電氣系統(tǒng)的信息和控制是神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，用于在電氣系統(tǒng)中傳遞信息，從而對電力系統(tǒng)進行觀察和控制，并且便于在發(fā)生事故時進行應急處理。從電氣系統(tǒng)的誕生開始，信息和控制子系統(tǒng)就成為電氣系統(tǒng)的重要組成部分。影響電網(wǎng)的安全性，可靠性和穩(wěn)定性，導致正常停電，電網(wǎng)破裂和事故擴大。另外，還會引起嚴重的問題，例如，設(shè)備壽命縮短，電網(wǎng)中的功率損耗增加，接地保護異常，遠程控制故障以及線路和設(shè)備過熱。增加附近磁場的干擾，影響電子儀器和通訊系統(tǒng)的正常運行，會引起局部串聯(lián)或并聯(lián)諧振，損壞電壓和其他設(shè)備，延長滅弧時間，并影響斷路器的分斷能力。

4 電氣化鐵路對鐵路運輸?shù)挠绊?/h2>

電氣化鐵路網(wǎng)的高諧波含量、低功率因數(shù)和負序連續(xù)性嚴重影響了電氣化鐵路的發(fā)展。電氣化鐵路的電力牽引是一種沒有能量的電力機車，所需的能量由電牽引系統(tǒng)提供。牽引力供應系統(tǒng)主要涉及牽引力站和接觸網(wǎng)。變電站位于鐵路線附近，通過高壓傳輸線路將電力從工廠輸送到鐵路線上的懸鏈線。懸鏈線是直接將電能提供給電力機車的設(shè)備。電氣化鐵路是從外部牽引力和能源系統(tǒng)獲取電能并被電力機車牽引的鐵路，包括電力機車、維修設(shè)施、牽引動力系統(tǒng)、各種電器和通信、信號和其他鐵路運輸設(shè)備[2]。電氣化鐵路是一種現(xiàn)代化的鐵路運輸方式，它比傳統(tǒng)的鐵路具有技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢。由于電力機車由外部電源供電，不需要自己的電源，可減小輕質(zhì)量，因此，在每個軸的相同負載下，機車功率高，牽引力大，速度快，運輸能力大大提高，節(jié)能降耗。鐵路運輸是國家一級的主要能源消耗。因此，牽引方式的選擇對合理利用能源具有重要意義。

5 電氣化鐵路對電氣系統(tǒng)的影響

5.1 對發(fā)電機的影響

渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子是敏感部件，因為渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子的諧波和負溫升大于定子，因此，過熱事故會損壞轉(zhuǎn)子組件的安裝表面，并且當順序反向電流流過發(fā)電機時，會產(chǎn)生反向磁場。該反向磁場產(chǎn)生反向同步轉(zhuǎn)矩，該反向同步轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生附加振動。諧波還會在電動機中引起振動和噪聲，而長期的振動會導致金屬疲勞和機械損壞。對于靠近牽引站且遠離電源（電動遙控器）的異步電動機，應將定子繞組纏繞在敏感位置，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格便宜、運行方便等特點，對驅(qū)動球磨機、壓縮機等大功率、低轉(zhuǎn)速的機械設(shè)備，常采用同步電機。

5.2 對電力變壓器的影響

諧波電流會在變壓器繞組中產(chǎn)生額外損耗，導致外殼、外部硅鋼板和某些緊固件過熱以及局部過熱，從而加速變壓器的老化,并影響其使用。使三相電流不對稱，當最大一相電流達到額定值或允許過載值時，較小的兩相電流還小于該值，從而使變壓器容量利用率下降。負序電流造成變壓器的附加電能損失，并在變壓器鐵芯磁路中造成附加發(fā)熱。另外，三相電源系統(tǒng)的反向電流不平衡，導致變壓器額定輸出不足（變壓器容量降低）。

5.3 對輸電線路的影響

我國目前在線運行電力機車是一種單相大功率整流負荷，而且運行具有很大的隨機性，這樣在運行過程中會產(chǎn)生大量的諧波與負序電流，其通過牽引變電站會注入電力系統(tǒng)，不僅會使電力系統(tǒng)損耗増大、能量損失巨大、降低容量利用率，還會對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成一定的影響，威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟運行。

6 結(jié)語

鐵路和電力是國家的2 個重要基礎(chǔ)設(shè)施，肩負著促進國民經(jīng)濟的健康、快速發(fā)展并滿足廣大人口不斷增長的需求的責任。電力鐵路的供電不僅取決于牽引電力系統(tǒng)的供電能力和質(zhì)量，還影響著電網(wǎng)能量的質(zhì)量以及電網(wǎng)運行的安全可靠，需要深入研究和科學決策。相關(guān)部門應加強與能源部門的溝通和協(xié)商，并根據(jù)國家的整體情況，共同研究制定合理的供電計劃和質(zhì)量控制措施。電氣化鐵路用電，促進鐵路與能源協(xié)調(diào)發(fā)展，為提高人們的生活水平做出更大貢獻。