分析铁道牵引供电系统存在的问题及其解决方法

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【摘要】随着我国电气化技术发展，我国铁道牵引供电系统也得到了更加长足的发展。由于铁道牵引供电系统作用很突出，所以，要更加重视铁道牵引供电系统存在的问题。本文将从以下几个方面来分析铁道牵引供电系统存在的问题和解决办法。

【关键词】铁道；牵引供电系统；问题；对策

中图分类号：U491.2+27文献标识码： A

一、前言

目前，我国铁路建设不断加快，铁道牵引供电系统也得到了相关建设部门的重视，但是，面对铁道牵引供电系统存在的问题，应该更加重视对其进行研究，提高铁路的使用效果。

二、我国电气化铁道牵引负荷的特征

1、牵引负荷具有稳态奇次性,电力机车牵引负荷在稳态运行时只产生奇次谐波电流。

2、牵引负荷的相位分布广,复平面的四个象限上,且随着谐波次数的升高,谐波相量可均匀出现在四个象限上。

3、牵引负荷具有随机波动性,负荷的波动性降低了牵引供电设备容量利用率,导致牵引网及牵引变电所上的电压出现波动。牵引负荷的随机波动性主要是负荷电流的大幅度剧烈波动。

4、牵引负荷具有不对称性和单相独立性,相对三相系统,牵引负荷产生大量负序电流,具有不对称性。牵引变电所在正常电压范围内各供电臂的取流可认为具有单相独立性。

5、牵引负荷具有非线性,在我国一个庞大的无功源和谐波源就是电力牵引负荷,主要是因为交-直(AC/DC)型电力机车是目前我国电气化铁路使用主要类型。谐波电流畸变率在供电臂处约高达30%。

三、铁道牵引供电系统存在的问题

1、无功功率

电力机车是一个具有随机变化特点的感性负载，它的基波电流会滞后电压一定角度，由于变压器、牵引电机这些设备的非线性，加上电力电子器件非线性的调节作用，导致机车的电流中包含大量在三相供电系统中的不对称分布的谐波成分。牵引负载功率大、时间和空间分布随机性强以及三相不对称的特点导致牵引供电系统成为电力系统中主要的无功源。供电系统无功功率产生的危害主要表现在以下四个方面：

（一）使供电线路中无功功率的有功损耗增加，供电线路、变送电设备以及其他用电设备发热程度增加。

（二）增加无功功率会使电流增大，从而使得发电机、变压器以及其他电气设备和导线的容量增加。

（三）由于变送电设备负荷容量中，增加了无功容量。导致变送电设备有功输出的容量降低。

2、负序电流

我国的电气化铁路是通过三相电力系统经牵引变压器将110kV（或者220kV）电压降压为27.5kV（或者55kV）后向牵引网和电力机车进行单相供电。因为牵引变压器不对称的供电方式，必然会在电力系统中造成负序电流，从而对供用电设备产生一系列危害，例如发电机转子升温幅度增大，引起附加振动；变压器能量损失增多，在铁心磁路中会产生附加发热；输电线中能量损失增多，降低线路的输送能力；继电保护与自动装置负序参量启动元件误动作增多等。

3、谐波电流

电力系统所产生的谐波和其它整流负荷所产生的谐波一样，给电力系统及用户带来巨大的危害。特别是在牵引负荷与波动性方面，具有负荷功率大、波动性强的特点，这些危害表现得尤为突出。主要体现在以下四个方面:

（一）谐波会增加公共电网中各元件的谐波耗损，从而降低用电、输电、发电设备的效率，过量三次谐波还会导致线路过热从而引发火灾。

（二）谐波会影响各种电气设备进行正常工作，对电机造成的影响除了产生附加耗损外，还会引起机械振动、噪声及过电压，从而导致变压器局部过热。另外，谐波会对电容器、电缆等电力设备产生过热、绝缘老化、寿命缩短的影响。

（三）谐波会使得公共电网中产生局部并联谐振与串联谐振，使谐波放大，从而使（一）、（二）两点的危害更加突出，甚至引起严重的安全事故。

四、应对措施

1.无功功率和谐波电流的对策

一是通过更新电车的性能，电车性能的好坏是谐波电流产生与否的重要影响因素。目前，我国和谐号动车组8节、16节编组的功率分别是5500KW和11000KW。根据沿海铁路近年的运营情况看，其功率因数已高达0.98以上，即避免了国家电网公司对功率因数的处罚，又提高了电气化铁路对电能的利用率，很好的解决了以往电车无功过高的问题。除尽量选择性能好的机电设备，另一方面在平时设备维护过程中，要及时更换陈旧设备。性能好的机电设备可以有效降低谐波电流的产生，从而降低谐波电流对于系统的影响。另外还可以在机电车上安装功率矫正装置，发现无功功率可以自动校正。这是提高效率的关键措施。二是可以通过各种手段来进行补偿。在供电系统中，常运用的补偿方法是运用电车上的无源或者有源或者两者相结合的方式来对其进行补偿。另外并联电容的应用也可以有效补偿无功功率。

2.负序电流的解决对策

一是要采用大容量的电源。负序电流产生的影响主要是由于系统自身不能承受巨大的不平衡电流导致的。采用高压，大容量的电源，既是要避免负序电流的产生较为严重的影响，又是在提高系统自身的性能。另外一种方式就是变压器的改善。我们可以通过使用单相、三相V/V结线，斯科特结线，平衡结线变压器等多种形式的牵引变压器来实现负序电流的解决。负序电流的产生主要还是因为三相不平衡造成的，当我们采用这些变压器的时候如果变压器两端的负荷平衡，最终成功降低负序电流的产生。在利用这种方式消除负序电流的时候，我们必须要注意两供电臂的状态对负序电流的影响：当两供电臂平衡时，单相、三相V/V结线等牵引变压器负序功率为正常的百分之五十；斯科特结线，平衡结线变压器负序功率为0。当两供电臂不平衡时，各结线形式的牵引变压器负序功率均是百分之百。

3.三相不平衡问题的解决对策

在铁道牵引供电系统中，常常会产生三相不平衡的问题，上文提到的负序电流问题，最终和三相不平衡是有密切关系的。对于三相不平衡的问题，主要是采用新兴的相序轮换技术。与传统的相邻所换相技术相比，相序轮换技术效果更好，更完善。相序轮换技术的主旨是实现各相之间所承受的负载和功率的和相等最终实现三相之间的平衡。这种技术是新兴技术，虽然发展迅猛，但是由于自身还有难题并为克服，同时限于资金的因素，导致一直停留于纸面上，并没有在实际上予以大力推广。值得我们注意的是，德国目前使用的自成系统单相供电模式，这对目前大规模发展电气化铁路的我国提供了一个新的思路，是否利用专用供电系统解决电气化铁路存在的部分电能污染，并加以有针对性的解决，这应该说是我们今后研究的重点方向。

五、牵引供电系统的评价

根据牵引供电系统要求，其系统采用接触网检测装置和试验车对接触悬挂系统进行静态和动态检测，对接触网施工质量进行评估；集成试验和运行试验阶段是对牵引供电系统在运行条件下的综合性能评估。牵引供电系统主要指标包括三相不平衡度、谐波、负序、电压损失、功率因数等与电能质量相关参数，牵引负荷、牵引网末端电压和越区供电等与系统供电能力相关参数；变电子系统主要指标包括高压电器设备的绝缘性能、电气性能参数，二次设备的控制保护功能及自动化和联锁功能；接触网子系统主要指标包括接触线高度、拉出值等静态空间几何参数和静态接触线抬升量，实车、按设计速度条件下的动态弓网关系，包括动态接触压力、燃弧率等。牵引供电系统的安全可靠性评价包括系统功能的完备性、设备及通信冗余及设备布置合理性，系统防御抵抗风、雨、雪、雷等自然灾害的能力，系统火灾报警和应急处理预案及外部电源停电应急处理预案等突发事件应急处理能力。

六、结束语

总之，在今后铁道牵引供电系统的建设中，要重视可能出现的问题，从而找出问题的原因，采取有效的措施来应对出现的问题，确保铁道牵引供电系统能够更好的运行。

【参考文献】

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[2] 王兆安,刘进军.电力电子装置谐波抑制及无功补偿技术的进展[J].电力电子技术,2009.

[3]缪耀珊．AT牵引网导线截面选择问题[J]．电气化铁道，2010.