（广东电网有限责任公司韶关供电局 广东韶关 512000）
摘要：文章介绍电铁供电系统概况及负荷特性，分析三相电压不平衡超标的问题，通过相间无功补偿调整三相电压不平衡方法进行了 ETAP仿真验证，最后指出通过在相间加装电容器组可以有效降低三相电压不平衡。
关键词：高铁；三相电压；不平衡，电能质量；治理
引言
铁路电气化具有运输能力大,综合能源利用率高,节能减排等明显优点,随着科学技术和国民经济的快速发展,我国铁路电气化进入了一个非常快的发展时期。但是,电气化铁路牵引负荷由于其单相运行、整流供电、负荷变化等原因,对所接入的电力系统带来功率因数低、三相电压不平衡、谐波超标、电压波动等严重的电能质量问题。列车运行具有快速流动性，其负荷是波动性很大的大功率单相整流负荷，电气化铁路（以下简称电铁）负荷既是谐波污染源，向供电电网注人谐波电流，还具有冲击性和不平衡的问题，导致电网三相电压不平衡 。三相电压或电流不平衡会对电力系统和用户造成系列的危害，主要有以下几个方面:①引起旋转电机的附加发热和振动；②引起以负序分量为起动元件的多种保护发生误动作;③电压不平衡使发电机容量利用率下降；④变压器的三相负荷不平衡，使负荷较大的一相绕组过热，还会因磁路不平衡造成附加损耗;⑤增大对通信系统的干扰，影响正常通信质量。为了分析电铁牵引负荷引起的三相电压不平衡情况，有必要对电铁牵引负荷进行统计分析，收集分析投运的电气化铁路电能质量数据，并通过建模进行仿真分析和提出预防措施。
1 电铁供电系统概况及负荷特性
电铁的牵引供电一次系统主要包括牵引变电站和接触网。牵引变电站建在铁路沿线，根据牵引负荷、接触网的供电能力，要相隔一定距离设立。为保证可靠供电，牵引变电站供电方式|般为双线双变、两路供电，互为热备用。每个牵引变电站有两个供电臂，当一个牵引变电站全停时，其两侧接触网臂供电负荷及半径增大、电压降低，但设计已作考虑不致机车停运，只会影响行车密度和通行速度，经铁路合理调度影响会进一步减小。
牵引变电站由110 kV或220 kV 双电源供电，经牵引变压器降压分相送入铁路上空的接触网，电力机车利用车顶的受电弓从接触网获取电能。牵引变电所牵引侧母线的额定电压为27.5 kV，电力机车、受电弓和接触网的额定电压为25 kV，其最高允许值为29 kV，电力机车、受电弓上的最低工作电压为20 kV。牵引变压器的接线方式主要有单相接线、V/V接线、YNdll接线、SCOTT接线和阻抗匹配平衡接线等几类。国内的电力机车按供电电流制分为交-直型和交-直-交型;普速电气化线路的主要牵引供电负荷为交-直型电力机车，其功率因数较低，约为0. 8 ，易产生较大的高次谐波;高速铁路的主要牵引供电负荷多为交-直-交型动车组，其功率因数接近1(0.95以上），网侧的谐波电流很小。接触网常用的供电方式有直接供电方式、带回流线的直接供电方式、吸流变压器供电方式(BT供电方式）和自耦变压器供电方式(A T供电方式）。过去我国电气化铁路主要采用BT制，目前普速电气化铁路以带回流线的直接供电方式为主，客运专线等尚速电气化铁路均米用AT供电方式，其典型的供电示意图如图1 所示。
图1 典型电铁供电系统示意图
2 电铁三相电压不平衡情况
广东多条电铁已稳定运行，电铁沿线供电线路安装了电能质量在线监测装置，铁路沿线供电线路也是供电局电能质量普测的重点。根据电能质量在线监测系统长期数据及日常测试数据，可以整理出广东电铁三相不平衡情况。
线路投运后的电能质量数据为正常运行时的数据，电铁所带为正常负荷。 广深高铁投运后，沿线供电变电站PCC点三相电压不平衡9 5 % 概率大值均小于0. 7 % ，满足国标要求且有较大裕度;武广高铁投运后，沿线供电变电站2 个PCC点三相电压不平衡95 %概率大值均小于0 . 2 % ，满足国标要求且有较大裕度;南广高铁投运后的三相电压不平衡比广深高铁还小。广珠电铁为普通电气化铁路，三相不平衡为2 . 3 8 % ，超出国标限值。电铁引起的三相电压不平衡与电铁负荷大小及供电母线的最小短路容量均有关，由于高铁供电电压等级较高、短路容量较大、负荷比普通电铁小，因此高铁供电母线的三相电压不平衡较小。
南广高铁投产前后沿线供电变电站PCC点三相电压不平衡εu均满足国标，7 个主供变电站中仅桂塘变在电铁投运后三相电压不平衡均有所下降;其余6 个变电站在电铁投运后，PCC点三相电压不平衡均有较大程度上升;A变电站、B变电站、C变电站、D变电站、E变电站、F变电站的110 kV母线三相电压不平衡6V 值上升幅度分别为 9 0 % 、4 5 % 、1 8 6 % 、1 5 8 % 、4 % 、107% 。桂塘变110 kV母线背景三相电压不平衡值较高的原因是:测量时桂塘变刚投产不久，主变为空载，运行方式特殊。由于电铁负荷为单相负荷，电铁投运后三相电压不平衡会增大。
3 三相不平衡治理措施及仿真
由不对称负荷引起的电网三相电压不平衡可以采取的解决措施通常有：
( 1 ) 将不对称负荷分散接在不同的供电点，以减少集中连接造成三相电压不平衡严重超标的问题。这种方法无需增加任何设备投资，只要尽可能地把单相用户均衡地接在A、B、c 三相上就可以改善三相不平衡,
( 2 ) 使用交叉换相等办法合理分配不对称负荷，尽量使各相负荷平衡，可有效降低线路三相电压不平衡。
( 3 ) 加大负荷接入点的短路容量，如增强网络结构或提高供电电压等级，增强系统承受不平衡负荷的能力。
( 4 ) 装设调整不平衡电流无功补偿平衡装置。 根据Wangs定理（王氏定理），在相间跨接的电容可以在相间转移有功电流。在各相与相之间以及各相与N 线之间恰当地接入不同数量的电容器，不但可以使各相都得到良好的补偿，而且可以调整不平衡有功电流。
由于电气化铁路集中负荷的特点，无法分散连接;通过交叉换向分配不对称负荷，电铁目前已经采用，电铁换流站交叉变换接入相间；电铁负荷接入点的网架结构和供电电压一旦确定，其负荷接入电网短路容量也确定，短期内难以改变;因此前3 种方法不适用于电铁。第4 种方法在相间跨接电容可以转移有功，调整各相之间的有功功率，是个可行的方法。
为验证第4 种方法，结合莲桂牵线1 0 2三相电压不平衡2. 3 8 % 超标的问题，在莲桂牵线102连接的柳林变电所主变低压侧相间接入可控电容，使用ETAP 12. 6. 0 仿真软件进行建模计算，转移有功功率降低三相电压不平衡的效果。仿真时柳林变电所所带负荷采用测试时正常负荷数据:电容器组容量3.4 MVar投入，岩龙、喜屯的负荷为12 MW，柳林变电所等效负荷为0.02 MVA，建立的仿真模型。岩龙线BC相负荷，喜屯为CA相负荷，进行三相电压不平衡计算如表1 所示。
由仿真结果可知，不加相间电容器组时，110 kV莲桂牵线三相电压不平衡&为2. 3 8 % ，超出国标限值;在柳林变电所27. 5 kV侧CA相间并联3 Mvar电容器组后，三相电压不平衡为1 . 9 9 %，已满足国标限值;当CA相间并联4 Mvar电容器组后，三相电压不平衡为1. 8 6 % ，进一步降低。实际应用中，电铁的负荷不断变化，为降低三相电压不平衡在相间并联的电容器组容量也要不断变化，这可以由TCR来实现电容器组容量的连续变化。因此，在相间加装电容器组降低三相电压不平衡度是可行的。
4 结束语
电铁投产前后，沿线供电变电站PCC点三相电压不平衡 均满足国标，但电铁投运后PCC点三相电压不平衡有较大程度上升。电铁引起的三相电压不平衡，与电铁负荷大小及供电母线的最小短路容量有关。局铁供电电压等级较局，短路容量较大，且负荷比普通电铁小，因此高铁供电母线的三相电压不平衡较小。可以通过在相间加装电容器组有效降低三相电压不平衡度。
参考文献:
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论文作者:黄碧蓉
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/14
标签：相电压论文; 不平衡论文; 负荷论文; 变电站论文; 电气化铁路论文; 电能论文; 电容器论文; 《电力设备》2017年第29期论文;