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关于电气化铁路负载对电网电能质量影响的研究
摘要 电气化铁路以牵引负载为主，这种负载基于大量电力电子器件工作，其运行会给供电网带来谐波超标、负序越限、低功率因数等问题，严重影响周边用户的用电权益。文章基于国家权威部门对京沪线电能质量测试结果，就电气化铁路负载对电网电能质量的副作用进行解析，同时从优化牵引技术、引入并联补偿技术等层面提出针对性解决方法，以期为推进铁路电气化而抛砖引玉。 关键词：电气化铁路；电能质量；谐波
Study on the Influence of Electrified Railway Load on Power Quality of Power Grid
Abstract Electrified railway traction load dominated the load based on a large number of power electronic device and its operation will bring overweight harmonic, negative sequence is more limited, low power factor to the power supply network, seriously affect the surrounding the user power interests. The authority of the state sector in Beijing Shanghai line electric energy quality test results based on, electrified railway load side effects on power quality analysis, optimize the traction technology, level, the introduction of parallel compensation technology and so on. The methods to solve them, in order to promote the railway electrification and initiate.
Keywords: electrified railway; power quality; harmonic
随着生产生活的需要，电气化铁路里程是逐年激增。铁路电气化需要牵引供电系统的支撑，而牵引供电系统因其负载的特殊性，运作过程中会产生大量谐波和负序电气量，并因此可能对邻近公用电网造成严重影响(如导致继电保护误动、用户侧电动机故障等)[1]。研究电气化铁路对电网电能质量影响并制定针对性措施意义重大。
1 为了解电气化铁路负载对供电网的电能质量影响，国家权威部门曾组织对京沪线进行电能质量测试。测试方法：①将各省市境内的牵引站或与牵引站有电气连接的变电站作为测试点；②对每个测试点安排连续测量(至少24h)，间隔时间1min；③每周波采样点不少于128个，每次谐波分析取至少4个周波；④按国标进行数据的统计处理。
1.1 谐波情况
根据测试结果：①京沪线相关各省均出现了因牵引负荷注入电网而引发的谐波电流超标现象，且以3~13次奇次谐波电流最为严重。②所有测点(备用除外)的3次谐波电流含量均超标，山东晏*变甚至超标11倍。③那些没有带牵引负荷的变电站也被测出谐波电流超标，可见牵引负荷引起的谐波会通过电网进行扩散。因此，对电气化铁路的谐波治理要注重抓源头。④25%的测点被检测出谐波电压总畸变率超标。谐波电压占比以3、7、9、11、13次为重。
谐波原因分析：①电气化铁路电力机车基于“交-直流”原理工作，为单相整流非线性负荷，不对称、波动大，在运行中势必产生奇次谐波(尤以3次最大)[2]。另外，在一定情况下，牵引网可能引发谐振，而谐振时会将谐振频率下的谐波电流放大。至于PCC点谐波电压畸变，是由于谐波电流遭遇较大的电网短路阻抗的结果。
1.2 负序情况
测试情况：①从总体上看，由于电力机车运行而导致负序电流占正序电流的比例大幅上升，达到约47%(平均)。②虽然牵引站向电网注入较大负序电流，但造成PCC点三相不平衡度超标的仅为个别站，这可能得益于沿线良好的电网建设(系统短路容大，对不平衡承受能力强)。
负序原因分析：牵引负载是单相负载，而供电系统为三相网络，这就造成负载与电源结构的差异，这是导致三相不对称性的主要原因[3]。
1.3 其他影响分析
在测试过程中还发现：由于电力机车的启停或加减速，会造成供电电流的大幅变化，甚至出现有功倒送现象。
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谐波危害：①因电容对谐波呈低阻，谐波会使电容器温度上升而加速老化；②会引发精密继保设备的误动作，会造成计量精度下降；③会增加配网线路损耗。负序危害：影响整流设备和逆变设备的正常工作。
3 优化牵引供电技术
前已述及，牵引负载与供电网络的拓扑差异是负序形成根源，因此可采取的措施有：(1)采用轮流换相接入方式。即将三座牵引站接入同一系统站，每个牵引站的牵引变原边轮换接入不同相。实践证实，采用这种房事后，负序电流可减小30%。(2)采用平衡变压器或V/v变压器方式。
3.2 引入并联补偿技术
并联补偿技术有三种。
(1)单相固定补偿。即采用开关将一定参数规格的电容器并联于牵引供电臂单相，以滤除3次/5次谐波、减少负序电流注入等。电容容量一般取牵引变容量的20%，装置中的串联电抗率为12%。
(2)单相自动跟踪补偿。作用原理与固定补偿类似，只不过能视需要自动调控无功功率。这种装置的容量可取牵引变容量的40%。当前，该类型的可选装置有：①晶闸管投切滤波器(TSF)。TSF安装在降压变低压侧，自身不产生谐波，通常设置多个3、5次滤波器支路；②晶闸管控制电抗器(TCR)。TCR直接接入牵引臂高压侧，调节过程会产生谐波，因此需配置配套滤波器。③磁控电抗器(MCR)。其以直流励磁控制铁心饱和程度来实现无功调节。MCR安装方式同TCR，虽然运行中产生谐波小，但仍需配套相应的滤波器。
(3)三相动态无功补偿。一般安装在系统侧三相或供电臂，容量为牵引变容量的60%~80%，能进行连续无功调制，可减少70%的负序电流。它的实现方式有：①将SVC(指三相接线静止无功补偿装置，下同)接于供电臂。②将SVC接于系统侧。③将STATCOM(指两相静止同步补偿装置)接于两供电臂与地之间。
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上文提出了好几种治理谐波与负序的方案，实际选择时应根据电气化铁路的具体类型来进行。
(1)普通电气化铁路。该类线路的供电电压为110 kV，为最大限度减小负序量，应选择平衡变压器作为供电方式，并根据运行中的电能质量评估采用以下对策：①对谐波和电压波动均超标的牵引变，建议采用单相SVC进行调制。②对谐波、负序、电压波动均超标的情况，应采用三相SVC进行治理。
(2)高速铁路。高速铁路的牵引功率大，由此产生的负序电流也更严重，对于220 kV供电的高铁负荷，应采用优化牵引技术：①具备轮流换相条件的必须采用“轮流换相方式”接入系统；②不具备轮流换相条件的，应综合执行平衡变压器和三相SVC措施。对于110 kV供电参照普通电气化铁路措施。
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电气化铁路建设是生产和生活的需要，但必须重视电气化铁路负载对公用电网电能质量的影响。文章基于“源头治理”的原则，提出一揽子应对电气化铁路负载所造成的谐波和负序电气量问题，并给出选择策略。文章的研究有助于推进电气化铁路的更好建设和更好应用。
[1] 杜习周, 陈栋新. 电气化铁路负荷对电网电能质量的影响[J]. 华中电力. 2010,31(2):132-135.
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