电气化铁路供电系统及其对电力系统的影响

姚彦东

【摘 要】论文简要概述了电气化铁路供电系统和电气化铁路对电力系统的影响，并探讨了改善这种不良影响的有效措施，以期能推进我国电气化铁路进一步发展。

【Abstract】This paper briefly outlines the influence of electrified railway power supply system and electrified railway on power system， and discusses the effective measures to improve the adverse effects，in order to promote the further development of electrified railway in China.

【关键词】电气化铁路供电系统；电力系统；影响

【Keywords】electrified railway power supply system； power system； influence

【中图分类号】TM711 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）04-0189-02

1 引言

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。

2 电气化铁路供电系统概述

2.1电气化铁路牵引供电系统

电气化铁路相较于传统铁路，其带动列车运行的电力机车缺乏自带能源，电能供给主要依靠牵引供电系统，该系统主要包括接触网和牵引变电站，前者主要采取的供电方式包括：吸流变压器供电方式、带回流线的直接供电方式和自耦变压器供电方式等[1]。现阶段，在我国普速电气化铁路中，带回流线的直接供电方式较为常见，而自耦变压器供电方式则多应用于诸如客运专线等高速电气化铁路中；牵引变电站的建设主要集中在铁路沿线，根据铁路的电气化区段，充分考虑接触网供电性能和牵引负荷等情况，在铁路沿线设置多个牵引站，每两个牵引站之间的距离固定。并且在具体供电过程中采取双线双变的供电方式，具体分成两路供电，二者互为热备用，并且每个牵引变电站拥有两个供电臂，如果有一个变电站出现供电故障，则通过接触网网臂在相邻变电站的作用下完成供电，此时会对行车密度以及速度产生影响，但不会导致停运，如进行合理调度，必然会减少不良影响。

2.2 牵引变压器接线方式

目前，单相接线、SCOTT接线和阻抗平衡接线等方式多用于牵引变压器接线种，其中后两者属于平衡变接线。首先，通常情况下，单相接线为铁道部的首选接线方式，在我国220kV牵引变电站中多采用此种变压器，其操作简单、容量利用率可达到100%，并且在具体运行过程中与自耦变压器供电方式相配合，从而增大了牵引变电站供电半径，能够有效地降低造价和运行成本。但是其负序电流产生概率较大，给电力系统电能质量带来不利影响。其次，SCOTT变压器具有两臂，如果其与自耦变压器供电方式相配合，牵引变电站半径增加的距离甚至超出单相变所增加的距离，但其造价成本较后者有所增加，如果综合分析考虑用户及电网的综合情况，其应用价值仍然较高。最后，阻抗匹配平衡接线变压器为我国自主研制的，并且在中性点接地系统作业中，工作人员对电流和电压进行调整，使得两相或者三相变换达到平衡状态。

3 电气化铁路对电力系统的影响

3.1 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。

3.2 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。

4 改善电气化铁路对电力系统不良影响的有效措施

4.1 危害案例

近年来，我国电气化铁路运行中发生事故较多，其中以某市电厂#3号机单车运行时发生的事故影响较大，在具体运行过程中因系统中电磁谐波和负序电流的共同作用，机车的负序电流保护动作跳闸，造成的甩负荷高达145MW，最终导致该市大部分供电中断，大面积停电事故严重影响了城市的正常运转。基于类似事故，现提出相应的改善措施。

4.2 铁路系统相应采取的解决措施

为了避免类似于上述恶性事故的发生，铁路系统必须针对电气化铁路的发展实际情况，制定有效的事故解决措施，以此避免对电力系统造成的不良影响，其具体措施如下。①牵引变电站的调整，在具体设计中，相关单位及人员应充分考虑抑制负序电流的问题，可通过电气化区段牵引站换相减少注入电力系统中的负序电流。此外，在具体设计中同样要考虑抑制谐波，可在牵引站的接触网的A、B相线上安装滤波器，专门致力于三次諧波的滤除，但是在电力机车实际运行中，其产生的谐波电流仍有大部分进入到电力系统中，危害仍然不能小觑，因此必须在此基础上配合其他措施，已达到有效抑制谐波电流的目的。②机车本身的调整，机车本身是无功电流与谐波电流的主要源头，因此为了保证电能质量，必须对其本身进行相应调整，工作人员可将三次谐振电容补偿电路设置在机车牵引绕组上，每辆机车设置4组，能够对谐波电流进行有效吸收。此外也可根据机车无功大小情况，设置相应的谐振补偿装置，以此有效降低谐振现象发生的概率。

4.3 优化牵引供电方式

为了降低事故对用户和系统的不良影响，铁路部门在采取轮转换相接入方式接入系统的同时，在牵引供电系统中接入外部电源，以220 kV 电压等级系统为主，能够充分利用电力系统电能承载力。此外，最好选择平衡接线变压器，以此对三相不平衡造成较小的影响。在具体运行过程中，电网运行方式的选择受负序电流呈现模式影响，当负序电流具有明显的临时性或者过渡性，则选择临时的电网运行方式，比如切换电网中某一段的线路或者变压器的投入与退出，进而对系统中负序电流分配情况实现改变，通常情况下，这种方式适用于电网结构比较薄弱的地区。此外，还应该在电气化铁路外部电源的变电站装设线路保护装置，并调整线路距离保护震荡闭锁模式，以突出快速复位功能为主，确保当发生冲击负荷等情况时，距离保护能快速进入保护状态。

4.4 设置无功补偿装置

在电气化铁路牵引变电站中，在无机车通过的情形下，变电站会向电网发送无功，因此在电气化铁路牵引变电站中无功补偿应选择动态补偿的模式，并应结合牵引变电站的实际情况，将无功补偿与谐波电流等治理进行有机结合，以此保证电力系统的安全性。在本次事故后牵引变电站调整中，引进无功补偿技术措施，其中三相动态无功补偿装置、单相固定补偿兼滤波装置等为较为常见的无功补偿装置。

5 结语

综上所述，电气化铁路是电力需求增长的重要推动力，而电力系统的安全平稳运行也给电气化铁路发展奠定了坚实基础。因此相关部门必须采取有效措施，加强对负序电流和谐波电流等的治理工作，以此推动我国电力系统和电气化铁路共同发展。

【参考文献】

【1】蒋庆举.电气化铁路供电系统迁移施工工艺[J].长春工业大学学报（自然科学版），2015，36（4）：408-413.