电气化铁路对电力系统安全运行的影响及对策

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　　摘要：本文主要介绍电力系统中牵引负荷引起的负序电流对系统的影响及应对措施，指出不平衡谐波对电力系统的危害，分析了无功补偿的必要性以及目前存在的问题和解决措施。
　　关键词：电气化铁路；谐波电流；负序电流
　　Abstract: this paper mainly introduces the traction's load in the power system caused by negative sequence current to the system and the measures we should take effect, and points out that the imbalance of power system harmonic harm, analyzes the necessity of reactive power compensation and the existing problems and solutions.
　　Keywords: electrified railway; Harmonic current; Negative sequence current
　　
　　
　　中图分类号： U22文献标识码：A文章编号：
　　电气化铁路的供电是在铁道沿线建立若干个牵引变电站, 一般由电力系统110kV双电源供电,经牵引变压器降压为27.5kV或55kV后通过牵引网向电力机车供电,电力机车采用25kV单相工频交流电压,经全波整流后驱动直流牵引电动机, 在架空接触导线和钢轨之间行驶。电铁为两相或单相不对称的谐波电流,经各种牵引变压器的变换后,高压侧注入电力系统的谐波电流为三相不平衡谐波,且有基波负序电流注入系统。
　　1 谐波电流和负序电流对电力系统的主要影响
　　1.1对旋转电机的影响
　　汽轮发电机转子为敏感部位,因为汽轮发电机转子的谐波和负序温升比定子大,存在局部的突出高温部位,国内曾发生过向电铁供电的汽轮发电机转子部件嵌装面过热受损的事故。并且当负序电流流过发电机时,产生负序旋转磁场,产生负序同步转矩,使发电机产生附加振动。谐波也会引起电机的振动并发出噪声, 长时间的振动会引起金属疲劳和机械损坏。
　　对邻近牵引变电所而远离电源的异步电动机,其定子绕组为敏感部位。同时还将在电动机中产生一反向旋转磁场,此反向磁场对电动机转子起制动作用,影响其出力。在谐波和负序电流的共同影响下,国内曾发生多起定子绕组过热烧毁事故。
　　1.2 对电力变压器的影响
　　谐波电流在变压器绕组要产生附加损耗，该损耗相当大，除此之外还能引起外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热，并可能局部过热，加速变压器的老化，影响其使用寿命。负序电流造成电力系统三相电流不对称,造成变压器的额定出力不足(即变压器容量利用率下降)。
　　1.3 对输电线路的影响
　　谐波使网损增大，在发生系统谐振或谐波放大的情况下，谐波网损可达到相当大的程度。谐波电流在各种电路阻抗上产生谐波电压降。在电缆输电的情况下,谐波电压以正比于其幅值电压的形式增加了介质的电场强度。这一影响缩短了电缆的使用寿命增加了事故次数和修理费用。负序电流流过电力网时,它并不作功, 只是降低了电力线路的输送能力。
　　1.4 对继电保护的影响
　　谐波在负序（基波）量的基础上产生的干扰，如对各种以负序滤波器为启动元件的保护及自动装置的干扰。由于保护按负序（基波）量整定，整定值小、灵敏度高。滤波器为启动元件时,实际运行中已引起下列保护和自动装置误动：发电机的负序电流保护误动；变电站主变压器的复合电压启动过电流保护装置的负序电压启动元件误动；母线差动保护的负序电压闭锁元件误动；线路相差高频保护误动。
　　负序电流或负序电压启动后，受它们干扰的继电保护和自动装置频繁误启动。其中距离保护的负序震荡闭锁装置误动后，除了作用于触发声光报警信号外，还可能产生以下后果：(1)当电气铁路负序信号作用时间较长时，距离保护要转入闭锁状态，使线路在当时失去保护；(2)当铁路负序作用于解除振荡闭锁后，系统又立即发生振荡，则使保护误动而触发跳闸，切断线路
　　2 电铁负荷功率因数及补偿措施
　　2.1 电力牵引负荷的功率因数
　　电力牵引负荷的功率因数一般较低,这是因为整流型电力机车的平均功率因数仅为0.8～0.85。当机车采用再生制动时,功率因数又大大降低。此外,由于牵引网阻抗的影响,牵引负荷网上有功和无功损失之比远小于1, 因此功率因数要降低0.01～0.05。同样,由于牵引变压器阻抗的影响,牵引变电站110kV侧的功率因数还要降低约0.05。功率因数降低,不仅使牵引供电系统设备的能力不能充分利用,还会降低发电机的出力,使发电机设备效率降低,发电成本提高；降低输电和变电设施的供电能力；使网络电力损耗增加；增加输电网络中的电压损失,往往造成用户的供电电压不足。
　　2.2 可以采取的措施：
　　（1）实现电容分组补偿,即将电容器和电抗器分成5-6组独立补偿单元,根据近期、远期运输量及牵引负荷情况，分组投入补偿装置，使电容补偿装置产生适量无功，补偿电力机车所需的无功功率，尽量不产生过补。虽然这种方法仅能减少无功功率的过补偿，不能进行追踪补偿，但比现有的固定容量补偿的方式效果要好，适合新建变电所和改造旧的变电所采用。
　　（2）研制新型的电容补偿设备,达到自动跟踪补偿的目的。目前许多国家研制了多种类型的静止无功补偿装置（简称SVC）。SVC 具有快速调节无功的功能，能够达到较为理想的补偿效果，虽然价格较高，但无疑是今后的发展方向。
　　（3）选择高质量的电容器、电抗器，减小电容、电抗值误差。
　　（4）在电力机车上装设电容补偿装置，直接吸收电力机车牵引过程中产生的无功成分。
　　3 改善电气化铁路对电力系统影响的主要措施
　　2.1 降低和限制负序电流措施
　　1) 牵引变电站高压侧接入系统采用换相连接。
　　2) 合理安排列车方式, 使单相负载均衡分配在电铁沿线。
　　3) 采用同相供电系统与对称补偿技术。
　　4) 合理安排牵引站供电电源,使每一个保证有可靠的主供电源和备用电源, 不至使牵引站产生的负序电流过于集中,要由多个电源分担,特别要注意离牵引站的电气距离,容量小的发电机组不能接受较多的负序电流,更不能单独作牵引电源。
　　5) 对电力系统的改进,可在发电厂或枢纽变电站安装特殊的同期调相机,其允许承受负序电流的能力较大,负序阻抗较低,而且有良好的防震性能。在发电机的出线端加装限流电抗器,可以有效地减小注入发电机的负序电流。
　　2.2 抑制电气化铁路谐波的主要措施
　　1) 利用整流变压器绕组移相,抑制高次谐波。
　　2) 对牵引变电站应加装谐波监测仪器,各个供电臂均应装设滤波器。
　　3) 单相应用条件下,将两组工作于不同电磁参数的单相可控电抗器并联,通过实施协调控制,可使每个并联单元(可控电抗器)所产生的谐波相互补偿,从而使单相并联电抗器组的谐波水平大大降低。
　　4) 保持电铁牵引变专线用电,其余铁路生产、生活用电必须与电铁供电严格分开。
　　4 结束语
　　电铁负荷对电力系统的影响不但与系统结构、容量大小关系较大,而且还与铁路运量的增长运行、方式及牵引变压器的接线方式有一定的关系。因此,电铁的技术发展,必须充分研究和处理这些方面的问题,根据具体情况采取相应的措施,使电铁对电力系统的影响控制在合理范围内,保证电力系统安全运行,并有利于电铁发展,从而获得满意的综合社会经济效益。
　　
　　参考文献：
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　　[3]商文颖,梁毅.电气化铁路对沿线电力系统电能质量的影响研究[].东北电力技术，2011,09.

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