乔利峰
神华新朔铁路供电分公司 内蒙古准格尔旗 010300
摘要:对我国电气化铁路的发展、供电方式及其对电力系统的影响进行了综述。电气化铁路具有运量大、速度快、运费低、能耗较低、受自然影响小等优势，具有显著的经济和社会效益，是当前铁路发展的主要方向。同时电气化铁路牵引负荷是一种大功率单相整流负荷，它具有很大的移动性和波动性，产生的负序及谐波电流会对电网接入点的电能质量产生不利影响。文中分析了电气化铁路对电网的影响，总结了现有的治理措施，并提出了建议。
关键词:电气化铁路;牵引变压器;电力系统;电能质量
近年来，随着科学技术的发展和新型材料的应用，我国电气化铁路得到空前发展，为我国铁路运输业提供了巨大的推动力。但是，在电气化铁路系统日渐完善的同时，其对电力系统的影响也更加明显，由于电气化铁路系统中，电力机车带有冲击性负荷，如果将其接入电网，必然会在电力系统中产生巨大的谐波电流，如果并未实施科学且合理的治理措施，必然会严重威胁电力系统运行的安全性和平稳性。
一、电气化铁路及供电方式
1.1电气化铁路的基本概念
电气化铁路是由电力机车和供电系统两部分构成。整个供电系统是由供电电源和牵引供电系统两个部分构成。其中供电电源包括电力系统变电站和供电系统供电的高压输电线，牵引供电系统由牵引网和牵引变电所构成。铁路运输的牵引动力是电力机车，其本身不携带能源，通过牵引网输送的电流，由牵引电动机通过车载变流器输出能量进而驱动车轮。
1.2牵引变压器的接线方式
我国牵引变电所的牵引变压器的接线方式一般有单项接线（I/I）三相接线（V/V、Yn.d11）和三相/两相平衡接线等。与传统铁路相比，电气化铁路与其的根本区别是:带动列车运行的电力机车不是自带能源机车，电力机车需要靠牵引供电系统输送电力产生动力。牵引供电系统主要包括接触网和牵引变电所。牵引变电所通常建在铁路沿线，按照铁路电气化区分划段，考虑到牵引负荷和接触网的供电能力，每相隔一定距离就会设立牵引变电所。为保证供电的可靠性，牵引变电站供电方式采用双线双变，并分为两路供电，相互做为热备用。而每个牵引变电所都有两个供电臂，当其中一个牵引变电所全停时，其两接触网臂亦可分别由相邻两牵引变电所供电。此时相邻臂供电负荷及半径会增大，电压降低，但设计时已作考虑，不会导致机车停运，只是会影响通行速度和行车密度，经铁路合理调度，影响也会进一步减小。
二、电气化铁路对电力系统的影响
2.1负序电流对电力系统的危害
在运行过程中，负序电流会影响发电机的正常运行，出现不对称运行现象，以此限制了发电机输出力。电力系统中由负序分量控制的继电保护装置较为常见，受负序电流影响，该类装置会出现误动作，并且在负序电流作用时间延长的影响下，常规距离保护会处于闭锁状态，严重时甚至会导致距离保护退出运行。此外，变压器会受到负序电流的影响，出现三相电流中一相增大的现象，影响变压器的额定输出力，降低了变压器的附加量，使得变压器中的铁芯磁路附加发热。而如果送电线路存在负序电流，其自身不做功，但会损失电能，以此导致网损增加，进而影响电力系统中送电线路的输送能力。
2.2谐波电流对电力系统的危害
谐波电流对电力系统的影响主要集中在如下三个方面：①当谐波电流过大时，其流入电气设备会出现过热或者超负荷等现象，并在特定条件的作用下产生谐振现象；②如果谐波电流作用于计量设备和仪表，并且设备和仪表受电压波形控制，则谐波电流必然会引起计量误控和误差，使得计量准确性降低；③对变压器的影响，变压器本身便是谐波的源头，同时也是谐波传送的主要路径，如果变压器励磁电流中的谐波含量处于正常值，则并不会增加铁损或者发热情况，但是如果发生谐振现象，便会对变压器造成严重损害。并且如果变压器采取全星型接线模式，绕组中性点接地且所属电网中分布较大的电容，则会给谐振现象的发生创造条件。
三、措施与建议
3.1国外提高电能质量的措施
世界各国对减小电铁对电网的影响、改善电能质量都十分重视。日本为减少对电力系统的影响，花了很高的代价研制设备来解决电能质量的问题。德国通过自建电网实现同相供电，满足高速铁路本身的电能质量要求，对电力系统的影响很小，但成本很高。法国通过接入强大的外部电源来解决电能质量问题。
3.2铁路系统采取的措施
电气化铁路的牵引变电所在设计过程中已经考虑了负序电流的抑制问题，采取的措施是电气化区段的各个牵引站实行换相。若每3个牵引站的牵引负荷相等，则三相负荷平衡。负序电流将只在这3个牵引站之间输电线的局部电路中环行而不注入电力系统。在实际运行中，各个牵引站的负荷都在不停变化，相邻3个牵引站的负荷相同的概率很低，所以换相只能使注入电力系统的负序电流有所减少。牵引站在设计过程中也考虑了谐波抑制问题。在牵引站内27.5kV接触网所对应的a、b相线上都装设有专用于滤除3次谐波的滤波器，滤波器兼有无功补偿作用。实际运行的情况是电力机车产生的各次谐波电流除一小部分被滤波器吸收外，大部分仍注入电网。
3.3应对措施
借鉴国内外电气化铁路牵引供电的经验，对电气化铁路产生的谐波和负序分量必须采取相应的应对措施，主要包括优化牵引供电方式和应用无功补偿装置两类。
（1）优化牵引供电方式
铁路供电专业除了在接入系统时采用轮转换相接入方式外，还应将牵引供电系统接入强大的外部电源(如220、110kV电压等级系统)，充分利用电力系统的电能质量承受能力，减少对系统和用户的影响，实现国家资源的有效综合利用。在牵引变压器选取方面，尽可能采用对三相不平衡影响最小的平衡接线变压器或选用负序分量大大小于单相接线的V/V接线变压器。
如果电气化铁路负序电流的增大是临时性和过渡性的，电网侧可在运行方式上采取临时方式。如将某些线路、变压器投入或退出，临时改变系统中负序电流的分配。在电网结构较薄弱的地区可能会采取这种措施。
电网侧还应给作为电气化铁路外部电源的变电站装设适用于电气化铁路的线路保护装置。此类保护利用负序和零序为启动元件，针对电铁的特点，线路距离保护的振荡闭锁采用了快速复归功能。快速复归的作用是:当有冲击负荷、系统操作等情况，使保护装置迅速复归，不进入振荡状态，以避免此时发生故障时距离保护可能失去快速保护作用;另外，当有冲击负荷，系统操作时保护装置不对外发信号，以免干扰变电所的运行人员。
（2）应用无功补偿装置
电气化铁路牵引变电所无功需求波动较大，在无机车通过时会向电网反送无功，所以无功应该实行动态补偿，同时无功补偿和谐波治理应结合进行。无功补偿装置技术则主要包括单相固定补偿兼滤波装置、单相自动跟踪补偿兼滤波装置、三相动态无功补偿兼滤波装置或静止无功发生装置等。
结语：
电气化铁路是重要的电力需求增长点，也是电网的用电大户;而强大的电力系统是电气化铁路运输的可靠性和经济性的保证。虽然在负序电流及谐波的治理方面我们需要继续加大投入和增加成本，但我们目标是共同减少电气化铁路的不利影响，提高电能质量，这样短期的投入会换来长期的效益与合作共赢，利于电气化铁路的发展,获得满意的社会经济效益。
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