电铁负荷对电网电能质量影响的研究

赵广斌

国网定西供电公司 甘肃定西 744300

摘要：铁路电气化具有运输能力大，综合能源利用率高，节能减排等明显优点，随着科学技术和国民经济的快速发展，我国铁路电气化进入了一个非常快的发展时期。但是，电气化铁路牵引负荷由于其单相运行、整流供电、负荷变化等原因，对所接入的电力系统带来功率因数低、三相电压不平衡、谐波超标、电压波动等严重的电能质量问题。结合该电网的情况及电气化铁路发展的特点，讨论了该电气化铁路负荷对电网电能质量的影响，并给出了相应的解决措施。

关键词：电气化铁路；电能质量；测试分析；治理措施

一、负序电流对电力系统的危害

1.负序电流对同步发电机的危害

负序电流对发电机的影响首先是引起转子的附加损耗与发热，其次就是附加振动。定子三相电流平衡时，发电机转子励磁绕组中只有正常的励磁电流。当负序电流流过发电机定子绕组时，将产生负序旋转磁场。负序旋转磁场将在转子励磁线圈、阻尼线圈及转子本体中感应出2倍同频率的电势，并引起涡流，涡流将引起这些部件发热。

2.负序电流对异步电动机的影响

由于负荷电流不对称形成的负序电流具有电流源性质，流入电网后会在正常的电网电压上叠

加负序电压分量。负序电压对异步电动机的运行是十分不利的，较小的负序电压加到异步电动机上将会引起较大的负序电流及负序逆转电磁转矩，直接影响异步电动机的效率和安全可靠运行。另外，负序电压还可引起电动机的额外发热，严重时会烧毁电动机，因此，国际上一般建议在持续工作的条件下，电动机承受的负序电压U2不宜超过额定电压(UN)的2%。

3.负序电流对继电保护装置的影响

负序电流可能导致电力系统中以负序分量起动的继电保护装置误动作。例如，当负序电流作用时间较长时，常规的距离保护就要转入闭锁状态，使一段时间内距离保护的快速动作段退出运行；而当电铁负序作用于解除闭锁后，如系统此时发生振荡，则距离保护可能误动作跳闸。如1992年5月30日，因受谐波和负序干扰保护误跳闸引起信阳和驻马店地区电网与主系统解裂，解裂后的小系统频率降至46.6Hz。为消除负序的影响，将增加继电保护装置的复杂性，降低可靠性。电铁的线路保护装置针对电铁的特点，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。

4.对电力变压器的影响

负序电流造成三相电流不对称，因而电力变压器三相电流中有一相电流最大而不能有效发挥变压器的额定出力(变压器容量利用率下降)。另外，还造成变压器的附加能量损失，在变压器铁心磁路中产生附加发热。

5.对输电线路的影响

负序电流流过送电线路时，负序功率实际上并不做功，而只造成电能损失，增加网损，降低了送电线路的输送能力。谐波电流对电力系统的危害谐波对电力系统的影响大致可以分为两个方面：①过大的谐波电流流入电气设备，会造成过负荷、过热现象，并可能在一定条件下形成谐振现象。②对利用电压波形进行控制的设备，以及仪表计量等会引起误控和计量误差，影响准确性。

6.对同步发电机的影响

谐波对同步发电机主要影响是引起附加损耗与发热，其次就是附加振动、噪声和谐波过电压。

流入发电机定子绕组的谐波电流产生的旋转磁场，在转子绕组中感应出谐波电流。由于集中了很大的谐波涡流和漏磁，从而引起隐极机定子的端压板、槽楔、端盖及其紧固螺栓严重发热，成为运行的限制条件。当发电机中的谐波电流的频率接近定子零部件的固有振动频率时，可能引起发电机的强烈机械振动。

7对异步电动机的影响

异步电动机的定子绕组绝缘是谐波发热敏感的薄弱环节。由于一般用户母线上都接有成群的电动机，因而电动机允许承受谐波的条件，宜按其母线上承受的谐波电压来考虑。运行经验表明，若3、5及7次谐波电压达到额定电压的10%～20%以上，可导致电动机在短时间内损坏。

8.对变压器的影响

变压器本身既是谐波源，也是传送其他谐波源所产生谐波的中间环节。谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及其倍数次谐波对三角形联结的变压器。会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对全星形联结的变压器，当绕组中性点按地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。

4.对电力电缆的危害

由于电缆的分布电容对谐波有放大作用，在电网低谷负荷下，当电网电压上升而使谐波电压也升高的时候，电缆更易出现故障。谐波引起电缆损坏的主要原因是绝缘的局部放电、介损和温升的增大。电缆的额定电压等级愈高，谐波引起的上述危害也愈大。

5.对电能计量的影响

目前常用的电能表，包括感应式和电子式电能表，均能准确地反映实际电量，即基波与谐波的综合电量。而谐波源用户不仅向系统注入谐波功率，危害电力系统和其他用户，且少支付了部分电费。并联电容器组对谐波的放大作用在电网中，有电铁等谐波源时，在一定参数配合下，电容器组会对谐波起严重的放大作用，危及电容器组本身和其他设备的安全。

二、电气化铁道对电网影响的消除措施

目前铁路和电力部门能够减少电铁负序分量的措施，概括起来有以下几种。1)牵引变电所采用高压侧换相接线的方式。2)铁路调度部门力求电力机车在牵引变电所两供电臂分布均匀，减少了各牵引变电所输入电力系统的负序电流。3)尽可能采用220kV电压等级的三相/两相平衡牵引变压器，如阻抗匹配平衡牵引变压器。4)必要时并在经济条件许可情况下，可考虑在牵引变电所装设具有滤波、降低负序、抑制电压波动和闪变的静止无功补偿装置。

综合考虑电气化铁道对电力系统、电力系统用户及其电气化铁道自身电力牵引网的影响与危害，结合电气化铁道电能质量治理措施的经验与教训，目前最为可行的方案是通过动态无功补偿兼滤波装置来综合解决无功、谐波及负序等电能质量问题。常用的自动无功补偿装置方式有以下几种。1)固定电容器调谐滤波补偿(FC)与可控电抗器组成无功补偿兼滤波装置，主要有(FC＋TCR)型和(FC＋MCR)型。2)真空开关降压分组自动投切电容器补偿装置。3)晶闸管电子开关分组投切电容器补偿装置(TSC)。以上这些措施，电容器组均需与一定电抗率的串连电抗器构成LC串连谐振，起到滤除谐波电流的作用。如此工作需要铁路部门来操作实施。如果铁路部门没有积极实施，而对电力系统造成比较大的影响，电力部门可以采取的措施较少，而且严重增加电力公司的运行成本。

三、结束语

随着我国现有铁路的电气化改造和新建电气化铁路及高速铁路的飞速发展，必须重视研究电气化铁路负荷对系统电网电能质量的影响及具体的治理措施。对于新建牵引变电站的接入，必须进行电能质量评估并提出配套的谐波和负序治理方案，坚持国家电能质量标准，按照“谁污染、谁治理”的原则，对所制定的方案做到与工程同时设计、同时施工、同时投运。对于既有电气化铁路，建议在进行电能质量实测的基础上，根据谐波和负序超标的程度，对引起公共连接点谐波和负序超标的现有牵引变电站，针对不同类型采取相应措施进行治理。

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