馬以濤

（國(guó)網(wǎng)新疆綜合能源服務(wù)有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引 言

最近幾年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，電氣化鐵路也不斷高速發(fā)展，主要干線的列車(chē)必須全面提質(zhì)提速方可滿(mǎn)足物流需求和人們的生活需求。截至2021年底，我國(guó)的鐵路營(yíng)業(yè)里程總數(shù)已經(jīng)突破了15萬(wàn)km（其中高鐵的營(yíng)業(yè)里程總數(shù)已經(jīng)超過(guò)了4萬(wàn)km），實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有高鐵總里程數(shù)占到了約世界高鐵總長(zhǎng)度的62%左右，基本形成了國(guó)家鐵路運(yùn)輸?shù)陌丝v八橫高鐵網(wǎng)絡(luò)，《全國(guó)國(guó)土規(guī)劃綱要（2016—2030年）》指出，到2030年我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程的總數(shù)要達(dá)到20萬(wàn)km以上[1-3]。

按照國(guó)家電氣化鐵路建設(shè)發(fā)展規(guī)劃和需求，積極推進(jìn)新規(guī)劃，建設(shè)電氣化鐵路和現(xiàn)有電氣化鐵路提質(zhì)改造、擴(kuò)容擴(kuò)建，會(huì)帶來(lái)大量的技術(shù)運(yùn)維、現(xiàn)場(chǎng)施工等問(wèn)題，因此，電氣化鐵路的相關(guān)電能質(zhì)量問(wèn)題受到了高度關(guān)注[4]?？拓浄志€逐步實(shí)現(xiàn)后，針對(duì)交直型電力機(jī)車(chē)貨運(yùn)線路部分，在相對(duì)的時(shí)間段內(nèi)，較為突出的問(wèn)題仍然會(huì)是電能質(zhì)量。然而，客運(yùn)專(zhuān)線的電能質(zhì)量問(wèn)題將會(huì)出現(xiàn)新特點(diǎn)，也就是由于高速鐵路的牽引功率增大，使負(fù)序問(wèn)題變得更加突出[5]。因此，電氣化鐵路建設(shè)發(fā)展帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題和電力系統(tǒng)規(guī)劃問(wèn)題，受到專(zhuān)家學(xué)者的廣泛關(guān)注。

1 影響電氣化鐵路電能質(zhì)量的主要問(wèn)題

當(dāng)電氣化鐵路接入電網(wǎng)系統(tǒng)后，諧波電流和負(fù)序電流將注入電網(wǎng)，嚴(yán)重時(shí)，電力系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運(yùn)行將會(huì)受到很大的影響，直接影響到發(fā)電、輸電、配電和用電等電力系統(tǒng)每一個(gè)環(huán)節(jié)的電力設(shè)施設(shè)備，更有可能造成設(shè)施設(shè)備的損毀。

1.1 諧波的產(chǎn)生及危害

電氣化鐵路諧波產(chǎn)生的原因有很多，其主要原因是因?yàn)殡娏C(jī)車(chē)中的整流裝置與一些非線性元件不平衡負(fù)荷產(chǎn)生的畸變波。相比較于一般電力系統(tǒng)的諧波，電氣化鐵路的諧波是從高壓等級(jí)方注入到鐵路用電網(wǎng)絡(luò)，所產(chǎn)生諧波與一般電力系統(tǒng)所產(chǎn)生諧波不一樣，幅值發(fā)生劇烈波動(dòng)是隨機(jī)的，無(wú)規(guī)律可循，如圖1所示。

圖1 諧波波形畸變圖

電氣化鐵路諧波危害很多，初相角分布廣泛的諧波會(huì)給鐵路電網(wǎng)及電力機(jī)車(chē)設(shè)施設(shè)備造成的危害有：一是由于電壓不穩(wěn)定或不平衡，容易增加電力設(shè)施設(shè)備附加損耗，設(shè)施設(shè)備的容量利用率以及功率因數(shù)會(huì)降低，致使設(shè)施設(shè)備的使用壽命縮短；二是繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作發(fā)生改變，會(huì)造成誤動(dòng)或拒動(dòng)、起動(dòng)頻繁；三是會(huì)造成附近的電網(wǎng)以及其他電容器組發(fā)生頻繁的并聯(lián)諧振，諧波過(guò)電壓急劇增加、功率因數(shù)會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)期偏低，長(zhǎng)此以往，電容器組受損幾率大大增加；四是由于諧波波形畸變，直接影響到儀表儀器的測(cè)量精度；五是由于諧波對(duì)頻率的影響，間接影響到通信波，對(duì)通信造成雜音干擾[6]。

1.2 較強(qiáng)的波動(dòng)性和沖擊性影響

參考文獻(xiàn)[7]-[9]表明：一是電氣化鐵路負(fù)荷與很多因素有關(guān)，比如電力機(jī)車(chē)的類(lèi)型、操縱、速度不同而可能造成負(fù)荷不同，牽引重量不同或運(yùn)行圖不同可能導(dǎo)致負(fù)荷發(fā)生變化，鐵路電網(wǎng)及相關(guān)元器件組線路不同也可能影響負(fù)荷異常，致使產(chǎn)生很強(qiáng)的波動(dòng)性，將對(duì)電氣化鐵路電能質(zhì)量的綜合治理提高了很大的難度系數(shù)；二是電氣化鐵路的設(shè)施設(shè)備因沖擊負(fù)荷或負(fù)荷波動(dòng)造成電壓波動(dòng)與閃變形成，當(dāng)用電系統(tǒng)發(fā)生故障極有可能引起電網(wǎng)波動(dòng)或閃變，系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備因自動(dòng)投切也有可能造成操作波影響，因供電系統(tǒng)遭受天氣變化雷擊引起電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定造成負(fù)荷陡變；三是由于鐵路元器件組的開(kāi)關(guān)操作，產(chǎn)生了足夠大的負(fù)荷變動(dòng)引起電壓波動(dòng)或閃變，對(duì)鐵路機(jī)車(chē)上靈敏的元器件組造成電壓及電流不穩(wěn)定，直接沖擊對(duì)電壓或電流敏感的電子設(shè)施設(shè)備及儀器高效運(yùn)行，或由于配電系統(tǒng)發(fā)生變化，電壓通過(guò)變壓器高壓一側(cè)傳遞到低壓一側(cè)的用戶(hù)電源端，再加上用電負(fù)荷多變或不穩(wěn)定，迫使兩端電壓不穩(wěn)定，電壓波動(dòng)和閃變?cè)斐刹▌?dòng)性。

1.3 三相失衡負(fù)序突出

從異步電動(dòng)機(jī)角度看，負(fù)序電壓通常產(chǎn)生的都是負(fù)序電流，而正序電壓通常產(chǎn)生的則是正序電流，而負(fù)序電流對(duì)異步電動(dòng)機(jī)有著極其不好的影響，比如負(fù)序電壓限制電機(jī)工作效率，嚴(yán)重時(shí)極有可能造成運(yùn)轉(zhuǎn)安全問(wèn)題，負(fù)序電壓同樣會(huì)對(duì)同步發(fā)電機(jī)帶來(lái)額外損耗，大大降低運(yùn)行效率[10]。

電氣化鐵路電力機(jī)車(chē)往往是單相負(fù)荷，接入到對(duì)稱(chēng)的三相電網(wǎng)，牽引變壓器一側(cè)產(chǎn)生較大幅值負(fù)序電流，牽引變壓器系統(tǒng)連接方式不同或牽引負(fù)荷大小不同直接影響著負(fù)序電流的大小。旋轉(zhuǎn)電機(jī)在工作過(guò)程中，過(guò)度的負(fù)序電流必然會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)序磁場(chǎng)，則發(fā)電機(jī)中因此會(huì)同步產(chǎn)生負(fù)序轉(zhuǎn)矩，附加震動(dòng)增強(qiáng)，出力效果受到影響。負(fù)序電流同樣還會(huì)造成電力變壓器的容量利用成效下降，增加變壓器能耗，磁路鐵芯發(fā)熱發(fā)燙造成安全隱患。負(fù)序電流對(duì)繼電保護(hù)的負(fù)序參量啟動(dòng)元件及自動(dòng)裝置的負(fù)序參量啟動(dòng)元件產(chǎn)生干擾，造成電器元器件頻繁出錯(cuò)。

2 電氣化鐵路接入對(duì)電能質(zhì)量影響治理建議

2.1 三相電源系統(tǒng)接入原理

為了更好地治理電氣化鐵路接入對(duì)電能質(zhì)量影響的問(wèn)題，降低能量損耗，提升鐵路電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行效率，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，在電氣化鐵路的牽引變電所內(nèi)，外部三相電源系統(tǒng)在降壓變壓器降壓后接入三相變流器，并與單相變流器連接，再在單相變流器的輸出端接入升壓變壓器，接入穩(wěn)定工頻單相電壓的鐵路牽引供電系統(tǒng)，確保鐵路系統(tǒng)供電質(zhì)量及可靠性。理想條件下的供電系統(tǒng)牽引變電所原理如圖2所示。

圖2 理想條件下的供電系統(tǒng)牽引變電所原理圖

2.2 降低負(fù)序電流影響電氣化鐵路的供電體系

為了消除負(fù)序電流影響電氣化鐵路的供電體系問(wèn)題，充分了解各總負(fù)序電流與單個(gè)變電所所引入相序的關(guān)聯(lián)性，在電氣化鐵路供電系統(tǒng)中采取相序輪換接入，既可解決供電系統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)影響，也可解決線路接入問(wèn)題。

在區(qū)域性電網(wǎng)比較薄弱地區(qū)，當(dāng)內(nèi)部供電臂負(fù)荷相同情況下，最好采用較為平衡的牽引變壓器接入方式，以便于電氣化鐵路穩(wěn)定，可解決牽引負(fù)荷影響高壓三相問(wèn)題，致使所產(chǎn)生負(fù)序電流大大降低甚至可以接近于零，從而保障電氣化鐵路高效運(yùn)行。

2.3 降低電氣化鐵路諧波影響及措施

為了有效減少電氣化鐵路諧波電流對(duì)鐵路供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響，在無(wú)源濾波器的作用下，充分利用電容支路串聯(lián)電抗器或接入特定的濾波器支路對(duì)電氣化鐵路諧波電流有效治理。

（1）對(duì)機(jī)車(chē)本身進(jìn)行科學(xué)改造，使其符合電氣化鐵路使用需求，或采用先進(jìn)的機(jī)車(chē)設(shè)備，可有效降低諧波產(chǎn)生或諧波含量。

（2）對(duì)牽引站進(jìn)行技術(shù)性改造，要么加裝可以實(shí)現(xiàn)濾波的無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行濾波或引入感應(yīng)濾波技術(shù)將諧波濾除，要么拆換上優(yōu)質(zhì)變壓器實(shí)現(xiàn)降諧波效果。

（3）采用電流檢測(cè)法對(duì)每一次電氣化鐵路諧波電流進(jìn)行快速檢測(cè)，利用先進(jìn)的濾波器針對(duì)性地開(kāi)展限制性措施。

（4）增大電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)短路容量，增強(qiáng)鐵路供電系統(tǒng)耐受能力。

（5）使用FACTS等系列新型的綜合治理裝置，對(duì)電氣化鐵路產(chǎn)生的諧波負(fù)序進(jìn)行有效性、綜合性治理。

2.4 強(qiáng)化電氣化鐵路電能質(zhì)量補(bǔ)償

結(jié)合電氣化鐵路的供電模式以及電力機(jī)車(chē)實(shí)際情況，針對(duì)性地提出電氣化鐵路電能質(zhì)量補(bǔ)償方式及控制方式。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)國(guó)際使用的補(bǔ)償裝置有FC、PF、SVC、RPC以及STATCOM等，其中RPC相比較而言，既具有無(wú)功補(bǔ)償功能也可實(shí)現(xiàn)有功功率直接轉(zhuǎn)移，同樣有有源濾波功能，由于功能強(qiáng)大，成為了當(dāng)前治理電氣化鐵路的電能質(zhì)量有效方法之一。

3 結(jié) 論

綜上所述，以三相電源系統(tǒng)接入原理作為基礎(chǔ)，針對(duì)性地提出了降低負(fù)序電流對(duì)供電系統(tǒng)的影響、電氣化鐵路諧波抑制的具體措施、電氣化鐵路的有效電能質(zhì)量補(bǔ)償方法。