电气化铁路并网对电能质量的影响分析概论.docx

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电气化铁路并网对电能质量的影响分析概论

电气化铁路并网对电能质量的影响分析

电气化铁路对国民经济发展和社会进步具有重要意义。

然而，电力机车负荷的非线性、不对称、冲击性等特点，引发了电力系统谐波、负序电流以及电压波动和闪变等电能质量问题，降低了电力系统的供电质量，影响电力系统的安全和经济运行。

传统电气化铁路采用交-直型电力机车，会产生较高的谐波，且功率因数较低。

与传统电气化铁路相比，高速铁路具有牵引负荷大、可靠性要求高、负荷波动频繁、列车负载率高、受电时间长等特点，对牵引站容量和电网配套供电能力提出更高的要求。

牵引供电负荷采用交-直-交型电力机车，功率因数接近1，无功的影响相对交-直型电力机车有所改善。

但由于仍采用了大量整流、逆变等电力电子器件，因此不可避免地还会产生一定的谐波电流注入公共电网。

此外，由于高速铁路牵引供电负荷牵引功率大幅提高，且负荷单相供电，将产生大量的负序电流，导致公共电网的三相不平衡。

因此,高速铁路对电力系统电能质量的影响主要是谐波和负序的问题。

负序电流使发电机产生转子附加损耗与发热和附加振动，使电力系统中以负序分量启动的继电保护装置误动作，增加变压器的附加量损失和发热等，严重影响电力系统的安全稳定运行。

谐波电流给发电机、变压器电力设备带来额外功率损耗，引起继电保护装置误动或拒动，降低了电力系统的可靠性。

一、电气化铁路供电系统

电气化铁路供电系统（powersupplysystemforelectrifiedrailway）由电力系统经高压输电、牵引变电所降压、变相或换流等环节，向电气化铁路运行的电力机车、动车组输送电力的全部供电系统，系统结构图见图1。

电气化铁路供电系统通常包括两大部分，即对沿线，牵引变电所输送电力的外部供电系统，以及从牵引变电所经降压、变相或换流（转换为直流电）后，向电力机车、动车组供电的变、直流牵引供电系统。

供电方式有：

直接供电方式、带回流线的直接供电方式、BT供电方式、AT供电方式和CC供电方式。

图1电气化铁路供电系统结构图

1直接供电方式

直接供电方式如图2所示，牵引网由接触网和钢轨组成，具有回路简单、成本低等特点。

但是由于负荷电流经钢轨流入大地，会对通讯线路产生干扰，而且牵引网末端的供电电压比较低。

图2直接供电方式示意图

2带回流线的直接供电方式

带回流线的直接供电方式如图3所示，牵引网由接触网、钢轨和回流线组成。

回流线架设在接触网支柱上，与钢轨并联。

回流线与接触线之间距离尽可能小，从而增加两者之间的互感，使经钢轨回流到牵引变电所的电流多数经过回流线回流到牵引变电所，降低对通信线路的影响。

图3带回流线的直接供电方式示意图

3BT供电方式

BT供电方式如图4所示，相对于带回流线的直接供电方式，增加了吸流变压器。

吸流变压器原边串联接入接触网，次边串联接入回流线。

两个吸流变压器之间通过吸上线将钢轨和回流线连接起来，吸上线为机车电流流向回流线提供了通路。

由于吸流变压器的电磁作用，当吸流变压器原边流过机车电流时，会在副边产生很大的互感电势，迫使流经钢轨的大部分电流经过吸上线流到回流线中，返回牵引变电所，同样可以减小对通讯线路的干扰。

但是安装吸流变压器会使牵引网单位长度阻抗增加，加大供电电压损失和电流损失，而且吸流变压器会造成接触网分段，产生电弧，在高速运行及负荷较大时更为严重。

图4BT供电方式示意图

4AT供电方式

AT供电方式如图5所示，将自耦变压器并联接入接触网、钢轨和正馈线之中。

这种供电方式在接触线与正馈线之间每隔一定距离并联接入一台自耦变压器，中性点与钢轨连结，正馈线与接触悬挂同杆架设。

电力机车由接触线受电后，由于自稱变压器的作用，牵引电流经自耦变压器绕组和正馈线（PF）流回牵引变电所。

由于电流在接触线和正馈线中方向相反，因而可以减小对邻近的通信线路的干扰。

牵引网中保护线（PW）和钢轨（R）并联，同时在AT处实现钢轨、保护线和AT中点的连接。

设置保护线除了可以提高信号轨道电路的工作可靠性，当牵引网发生短路故障时，还可以为短路电流提供一条良好的通路，便于继电保护动作。

有时为了降低钢轨对地电位，需要对保护线和钢轨进行辅助连接（CPW）。

鉴于AT供电方式的优点，我国拟修建的运营时速在300km/h及以上的客运专线将主要采用AT供电方式。

图5AT供电方式示意图

5CC供电方式

CC供电方式如图6所示，这种供电方式是沿铁路线路埋设同轴电力电缆，其内部芯线作为供电线与接触网连接，外部导体作为回流线与钢轨相接，牵引电流和回流几乎全部经由同轴电力电缆中流过，因此对邻近的通讯线路几乎无干扰。

它的特点是阻抗小、供电距离长，但同轴电力电缆造价高、投资大。

图6CC供电方式示意图

二、电气化铁路电能质量问题

电力牵引机车分为直流传动电力机车和交流传动电力机车两类。

直流传动机车采用基于晶闸管功率器件的整流电路进行控制，功率因数低、谐波含量大。

交流传动机车采用基于全控型功率开关器件的脉宽调制技术（PWM）控制方式，提高了电力机车负荷的功率因数，并有效降低电力机车产生的低次谐波电流，但产生频谱分布较广的少量高次谐波。

电气化铁路牵引网的供电方式为单相供电，无论牵引网采用的是直流驱动电力机车还是交流驱动电力机车，都不可避免地在牵引所高压三相侧产生电流不平衡，向上级电力系统注入负序电流。

因此，直流驱动电力机车的牵引网的电能质量问题主要为负序、无功和谐波；交流驱动电力机车的牵引网的电能质量问题主要为负序。

1交直电力机车牵引供电网及其电能质量问题

我国交直电力机车牵引供电网的牵引变压器从电网110kV或220kV取电，一般采用V/v接线、阻抗匹配平衡变压器、斯科特（Scott）等牵引变压器将三相电变为两个额定电压为27.5kV、频率为50Hz的单相电源给电力机车供电。

韶山4系列（SSIV）直流机车的电路图如图7所示。

图中，D1～D4为电力二极管，T1～T6为晶闸管。

机车降压变压器将27.5kV供电臂电压变换为若干段单相电压，其中图7中二次侧电压的数量关系为

。

通过不同的方式控制晶闸管的通断，可分成四个工作段，实现直流侧电压

（

为整流电路输出的最大直流电压）连续可调，从而实现直流电机的平滑调速控制。

图7直流机车的电路图

由于采用晶闸管控制方式，机车负载产生大量的谐波电流，其中以3次、5次、7次、9次、11次等奇次谐波为主，总电流畸变率高达20%以上。

并且功率因数偏低，约为0.8。

同时，由于单相负荷供电的特性，在三相侧将产生负序电流，图8、图9为机车负载的电流仿真波形。

图8供电臂侧电流

图9供电臂侧电流频谱

2高速铁路牵引供电网及其电能质量问题

由于直流机车在较高速度运行时，功率输出受到限制，满足不了高速、重载铁路运输的要求。

为提高铁路运输能力，缓解交通压力，基于交流传动技术的高速机车应运而生。

高速铁路采用AT（自耦变压器）供电方式，如图10所示，一般采用1:

1绕组的自耦变压器，每隔10～15公里在接触网和正馈线之间接入一台，自耦变压器的中性点与钢轨相连。

相对于直接供电方式、BT供电方式等传统供电方式，其优点是利用自耦变压器将牵引网供电电压提高1倍，增大了牵引网输电线路长度，牵引阻抗小，供电臂电压降小。

AT供电方式一般用于重载、高速电气化铁路。

图10高速铁路AT（自耦变压器）供电方式

高速电力牵引机车采用交流异步电机，一般采用交直交四象限脉冲整流方式给交流拖动电机供电，其原理如图11所示。

这种四象限脉冲整流器能使一般情况下负载电流与供电臂电压相位基本一致，功率因数接近1。

同时，大大减小了低次谐波含量，但高频谐波含量丰富，频带较宽。

图12为高速铁路牵引网电力机车负载电流仿真波形。

由于电力机车负荷具有冲击性，电压波动与闪变也伴随其产生。

因高速铁路电力机车的功率大，其产生的负序较普通电气化铁路更为严重。

图11交流机车交直交整流电路

图12高速铁路牵引网电力机车负载电流

三、电气化铁路牵引负荷电能质量特性

电气化铁路牵引负荷是波动性很大的大功率单相整流负荷，具有不对称、非线性、波动性和功率大的特点。

它与线路条件、机车类型、牵引重量以及运行状态（如速度、加速度、正常运转、滑行与制动）等多种因素紧密相联，而这些影响因素又具有随机性和日波动性。

1谐波特性

电气化铁路牵引负荷是直接接入高压电力系统的大宗负荷,其产生的谐波直接注入高压电力系统。

牵引负荷与一般负荷的最大区别是它的不对称性和随机波动性，其产生的谐波也区别于一般负荷产生的谐波，具有如下特点：

（1）特征谐波不同；

（2）谐波初相角分布广泛；

（3）谐波幅值随机剧烈波动；

（4）谐波电流直接从110kV或220kV电压等级注入电网。

从谐波次数上看，普通电力系统中常含有5次以上的奇次谐波，其中又以5次谐波含量最高。

电气化铁路牵引负荷产生的谐波则不同，直流机车的谐波以3次为主，其余奇次谐波依次衰减，并且不同于普通系统中的缓慢衰减，其衰减速度很快，到15次一般衰减至1%以下，而普通系统中17次谐波的含有率一般高于3.5%。

交直交型的电力机车由于电力电子器件的高频开关，通常含有一定量的高次谐波，而总量较小。

从初相角的分布来看，电气化铁路中的各次谐波分布呈现随机性，而普通系统谐波的初相角更容易掌握，其范围更多是由谐波次数决定。

而电气化负荷的特殊性决定其谐波幅值的变化具有波动性和周期性，谐波电流的峰值持续时间较短，不到半分钟。

由于牵引站与大电网系统通过110kV或者220kV的公共连接点相连，因此谐波电流将通过该点注入并进一步影响到更高或更低的电压等级，从而对电源部分和配电其他支路产生影响，但值得注意的是，不同于大多数从电网末端来的一般电力谐波，电气化铁路的谐波的影响程度会随电压等级的变化逐级减小，从而不会直接影响中、低压等级的电气设备。

电气化铁路的基本负荷电力机车需要通过牵引站与公用电网相连，电能从高压侧传输至低压侧并供给电力机车，而谐波又反过来通过馈电线汇总到站内并注入系统，因此牵引变和接触网都是谐波注入的重要流经途径，其不同的规模参数、接线形式和电压等级都将增加电气化铁路谐波的复杂程度。

2负序特性

电气化铁路牵引负荷是大功率单相整流负荷，当三相电力系统向它供电时，它将向电力系统注入大量的负序电流。

拓扑结构的不对称，是电气化铁路对电网电能质量产生各种不利影响的根本原因，加上单相牵引负荷的独立性和随机波动性，使其返回系统的负序问题十分复杂。

电能由原本公共电网中的三相电通过牵引变电站中的变压器转换为向单相负荷供电，因此牵引变压器的不同接线方式都将引起不同的负序电流，从而造成不同的负序特性，这一特性的衡量与一般电力系统基本相同，均通过电压不平衡度来体现。

针对不对称系统，釆用一般电力系统中的对称分量法针对不同的变压器接线方式下的负序电流进行计算，研究显示，单相接线方式下，负序电流最为严重，此时

，不平衡度非常大；V/v接线与YNd11接线方式对负序的影响基本相同，当两供电臂电流相同时影响最小，此时

；而Scott接线与阻抗平衡接线在两臂电流相同时，

，此时不平衡度为0。

因此综合考虑可知，Scott接线和阻抗平衡接线的牵引变压器对负序的影响最小，带来的不平衡度最低，因此是较为理想的变压器接线方式。

电气化铁路牵引负荷的负序特性可以通过牵引变电站的轮流换相连接、釆用不同型式变压器、安装分相无功补偿装置等措施得到改善，然而，这些措施都只能在一定程度上减少负序的影响而不能消除。

如牵引变电站的轮流换相连接需要三个牵引变电站才能完成一次轮换，但受实际供电能力的限制，一般难以实现，并且牵引负荷随机车运行方式和运行工况随机变化，负序的影响难以得到有效的改善。

3电压偏差

交直型电力机车功率因数较低，平均功率因数仅为0.80～0.85。

此外，牵引网阻抗的影响使牵引负荷在牵引网上的有功和无功损失之比小于1，因此功率因数还要再降低0.01～0.05。

同时，牵引变压器阻抗的影响使牵引站110kV侧的功率因数还要再降低0.05。

交直交型机车功率因数较交直型电力机车有较大提高，网侧的功率因数接近于1（0.93以上）。

列车高速运行时，需要的牵引功率大幅增加，特别是在高峰客流期，需要组织加大编组、高密度运输，这样也将造成公共连接点的电压偏差问题。

目前我国在运的电力机车中，交直型电力机车仍占较大比重。

4电压波动与闪变

电气化铁路牵引负荷具有随机波动性。

由于受到列车行驶过程中的各种运行工况（包括加速、恒速、惰性、制动等）、轨道情况（如坡道、弯道、站场、道贫等）、自然气候、列车司机操作过程等各种因素的变化影响，牵引负荷随之波动变化。

负荷的波动及其伴随的较大的无功冲击，会造成电压波动，对电网和牵引供电系统本身造成不良影响。

5其他特性

牵引供电回路合闸、机车启动及更换供电区间时产生的冲击和励磁涌流引起的电压暂降也是值得关注的电能质量问题。

四、谐波和负序对电网的影响

谐波和负序是电气化铁路牵引负荷的两大主要电能质量问题。

这两类电能质量问题影响电力系统内多种设备的正常运行，给电力系统的安全稳定运行带来隐患。

1谐波和负序对电力一次设备的影响

谐波会导致电网中的元件产生附加损耗，降低发电、输电、配电及用电设备的效率；引发电机产生机械振动、噪声和过电压；造成电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短甚至损坏。

在谐波频率下，电力系统中各个元件的等值需要考虑分布参数。

由于对地电容和相间分布电容的存在，使电力系统成为一个由电容、电抗和电阻组成的复杂网络，加上系统中本身存在的补偿电容器等大电容元件和电磁式电压互感器、变压器等非线性铁磁元件的互相作用，系统中发生局部谐振的可能性大大增加。

因而，应特别关注电力系统中并联电容器引起的谐振、谐波放大，以及电缆的过负荷和过电压击穿等现象。

另外，应考虑交直交型的电力机车产生高次谐波可能导致的谐振过电压问题。

据报道，韩国高速铁路产生的谐波曾引发谐振过电压，谐振频率为1500Hz。

一般地，负序电流对于输电线路和变压器的影响并不大，这是由于大多数输电线路和变压器是非满载运行的，在热容量方面有较大的余地。

但对于一般运行在满载或接近满载的发电机和电动机，其热容量一般没有余地或者很小，负序电流产生的额外升温会导致电机过热而使寿命缩短。

2谐波和负序对电力二次设备的影响

谐波电流和负序电流会干扰继电保护和自动装置，引起保护误动作，影响系统安全稳定运行，造成电气测量仪表计量精度下降。

例如发电机的负序电流保护、主变压器的过电流保护、母线的差动保护、线路的距离保护和高频保护、自动准周期装置、故障录波器等。

谐波电流还会影响电网中各种计量仪表的准确性，造成经济损失。

电能计量是电力系统收费的依据，关于电气化铁路供电谐波和负序对计量准确性与合理性的影响，长期以来成为供、用电双方争论的焦点。

谐波对通信线路的干扰可能影响通话的清晰度，甚至在谐波和基波的共同作用下，曾发生多次触发电话铃响的情况，严重时会威胁到通信设备和人员的安全。

不平衡电流在通信线上产生的感应电动势将对通信系统产生较大的干扰。

3谐波和负序对用电设备的影响

电气化铁路负荷所产生的谐波和负序问题除了对电力系统的一次和二次设备产生影响外，还会对各种用电设备（如电视机、计算机、电力电子设备等）产生影响。

五、电气化铁路并网对电能质量的影响评估

国家标准GB/T15543-2008《电能质量三相电压不平衡》明确规定电力系统公共连接点处负序电压不平衡度限值取为电力系统正常运行的最小方式下、最大的运行周期中负荷所引起的电压不平衡度的实测值。

在电网正常运行时,供电电压负序不平衡度的最大值不超过国标限值4%，95%概率大值不超过国标限值2%。

国家标准GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》于1993由国家技术监督局颁布，为推荐性国家标准。

其主要内容是规定了公用电网谐波的允许值及测试方法。

该标准适用于交流额定频率为50Hz，标称电压110kV及以下的公用电网。

该标准不适用于暂态现象和短时谐间波。

该标准自颁布以来，得到了除铁道部以外的绝大多数行业的认可，对公用电网谐波水平的控制和管理起到了重要作用。

国家质量技术监督局于2000年5月颁布了国家标准化指导性技术文件GB/Z17625.4-2000《电磁兼容限值中、高压电力系中畸变负荷发射限值的评估》，该标准等效于IEC61000-3-6:

1996《电磁兼容第3部分第6分部分：

中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估》。

相同电压等级下，GB/Z17625.4-2000给出的高、中和低压系统的谐波限值为3%、6.5%和8%，较GB/T14549-1993给出的谐波限值明显要高。

IEC61000-3-6属第3类技术报告，GB/Z17625.4-2000是指导性的国家标准，自其发布后，电力部门对其心存疑惑，认为高于GB/T14549-1993的限值标准，能否保证现有电网中众多中、低压设备的正常安全运营。

当务之急，国内研究学者应在深入研究IEC61000电磁兼容系列标准的前提下，制定出符合中国国情的新标准。