摘要：为掌握电气化铁路供电电能质量现状，确保电网安全运行，满足电气化铁路快速发展的供电需求，进行系统研究。文章根据向电气化铁路供电的变电站电能质量测试，就谐波、负序等主要测试数据及电气化铁路供电中的主要问题进行整理和分析。结果表明，电气化铁路牵引负荷功率因数偏低，产生的谐波和负序分量普遍超标，劣化了电网电能质量，给电网安全稳定带来隐患，应引起高度重视并积极解决。
关键词：电气化铁路；供电电能质量；测试分析
近年来我国电气化铁路发展迅猛，“十一五”基金项目：。期间将建设新线17000km，其中客运专线7000km，既有线电气化改造1500km。2010年全国铁路营业里程将达到9万km以上，电气化率达到45%以上。由于电力机车采用单相、整流供电方式，机车运行时从电网吸收工频功率，向电网注入谐波和负序电流；同时，电气化铁路负荷还具有冲击性和沿线分布广的特点。随着列车速度的提高，列车取用功率成倍增加，使得电气化铁路对电网的影响日益突出。电气化铁路对电网电能质量的影响及其监测进行了研究，本文重点介绍现场实测数据及分析结果。电力系统是一个开放的公共系统，担负着向全社会提供电能的职责。因此，在满足电气化铁路供电需求的同时，确保电网的安全稳定运行，实现铁路与电网双赢发展的目标是铁路与电力双方共同的责任。为了掌握电网向电气化铁路供电地区的电能质量现状，进行电能质量测试，针对我国电气化铁路牵引供电的特点，选择不同供电电压、不同供电方式、不同地区、不同机车负荷等有代表性的电力系统变电站，对电能质量实测。通过测试，掌握了目前电网和用户负荷受电气化铁路影响的基本状况，为开展后续研究提供了依据，测试数据可供管理决策部门、设计和生产单位参考。
一、供电系统
供电电源电气化铁路的电能来源为电力系统变电站，通过高压输电线接收电源，可以说供电电源是由电力系统变电站以及高压输电线共同组成，供电电源包含两个方面的内容，分别为电压等级、供电方式。变电站提供的电压等级一般有110KV、220KV、330KV，最常见的为110KV等级电压。机车在运行过程中具有受电时间长、速度快以及功率大的特点，严重影响到了电网的三相平衡特性。
线路供电方式目前实用的供电方式主要有AT、BT、直供及直供加回流线几种。其中BT方式屏蔽通信干扰的效果相对最好，但经济供电能力最弱。AT方式的供电最强，但系统结构最为复杂，有碍于在繁忙干线上的方便使用。直供及直供加回流线方式系统结构相对简单，但能力一般不及AT方式。因此，很有必要结合我国铁路及其动力电气化的实际，认真论证不同线路层次对供电方式的最佳适应性。
供电方式。常见的供电方式有五种，第一种为直接供电，这种供电方式结构比较简单，投资成本低，但是会对弱电系统产生非常大的电磁干扰;第二种为带回流线直接供电，这种方式同样结构简单，且维护十分方便，但是涉及到很多接触网，加大了投资成本;第三种为BT供电，这种供电方式具有良好的EMC性能，但是其成本高，使用过程中还会有较大的损耗，经常有电弧产生;第四种为AT供电，这种供电方式损耗比较小，而且可以进行较远距离的供电，具有很强的抗干扰能力，载流能力强;第五种为CC供电，这种供电方式电磁有着良好的兼容性，但是因为采用的同轴电缆，因此投资成本非常大。AT供电方式凭借其良好的性能和特点，在我国有着非常广泛的应用范围。
二、牵引变接线方式
为减轻电铁运行产生负序电流对电网的影响，很多牵引站变压器接线均采用V/X方式。V/X接线牵引变压器是由V/V接线牵引变压器发展而来。V/X接线牵引变压器与V/V接线牵引变压器特性相同。V/X接线是将V/V接线和AT方式纯单相接线的技术进行整合，在变压器的设计和制造方面均比斯科特、十字交叉接线简单。设计端子标志及连接。
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牵引变电所的接线不仅与供电容量有关，还影响到与线路供电方式联结及相关设备的取舍。目前常用的牵引变电所主变压器接线方式有:纯单相、及各种三相一二相平衡接线。其各自最佳的线路供电方式不同，自身的容量利用率也不同，同时对电力系统的行为影响也不同。因此，怎样选择牵引变电所接线与容量，使之既对牵引供电系统又对电力系统产生最佳影响，并从长远来看值得很好论证。
三、测试仪器的基本要求
测试工作中使用的仪器符合现行电能质量国家标准[10-11]及IEC标准[12]要求，并做如下补充规定：仪器电压、电流输入通道均不少于3个。采样频率及时间窗宽度：工作频率为50Hz，每周波采样128及以上点；采样间隔须满足国标及IEC标准要求，由于电气化铁路负荷具有一定的冲击性，每次谐波分析至少取4个周波以上，建议采样窗口取8个周波，并采用合适的窗函数，如矩形窗、汉宁窗等。测试时间长度应完整反映电气化铁路牵引负荷的周期变化(电气化铁路按运行图运输，其负荷周期一般为1d，要求不少于72h，测量记录间隔时间为1min。采样数据存储：所有数据应保存在非易失存储器中，以防止供电电源中断引起数据丢失；测试仪器应具有足够的存储能力；数据应按照IEEE1159.30标准规定的PQDIF格式提交。
四、电气化铁路供电系统电能质量综合补偿技术
为了实现负序、谐波和无功综合补偿目的，本文提出了一种新的电气化铁路综合补偿系统，该补偿系统的主要组成部分为铁路功率调节器和晶闸管控制电容器，通过晶闸管控制电容器实现无功补偿，还能有效降低铁路功率调节器的补偿容量。综合补偿装置的拓扑结构通过降低铁路功率调节器的容量，可以使成本有效降低，该补偿系统的功能主要有以下三点:第一、对电力机车两供电臂负载出现的谐波起到很好的抑制作用;第二、补偿电力机车负荷产生的无功功率，进而使两供电臂侧电流的功率因数趋近于1;第三、对有功功率进行转移，进而平衡两供电臂有功功率。这种补偿结构的优点在于铁路功率调节器容量主要起到平衡有功功率的作用，进而实现有功平衡，对谐波进行抑制。选择多组晶闸管控制电容器安装在两供电臂处，进而实现无功调节功能，对多数无功容量进行补偿，剩余无功容量由铁路功率调节器进行补偿，该系统用晶闸管控制电容器代替之前的铁路功率调节器实现了补偿功能，将铁路功率调节器的容量有效的减少。综合补偿装置的控制方法因为这个系统是由铁路功率调节器和晶闸管控制电容器共同组成的，因此需要做好两个设备直接的协调性能，因为无功功率的补偿是由这两设备共同来进行的，因此需要对无功信息进行单独检测，与有功和谐波共同组成。
结束语
电气化铁路负荷功率因数低、产生的谐波及负序分量对电网电能质量影响大。测试结果分析表明，目前与电气化铁路供电相关的电网普遍存在谐波和负序超标现象，应引起相关部门的密切关注和重视。对多个电气化铁路供电变电站的电能质量普查结果表明，所有测试点注入系统的3次谐波电流超标，超标率为100%；16个测点谐波电压超标，占80%；11个测点三相电压不平衡度超标，占52.4%；全部测点功率因数低于0.9；电气化铁路负荷呈现不规则波动性。在普遍存在3次谐波超标的情况下，如何充分发挥电气化铁路现有设备的潜力是一个需要认真考虑的问题。我国电气化铁路供电中普遍采用牵引臂装设12%及以上串联电抗率的并联补偿电容器组，完全可以通过适当调整串联电抗率，在保证设备安全的条件下，既补偿牵引负荷所需无功，又高效地吸收谐波。当然还可以进一步采取无功补偿、谐波滤波和负序治理的措施。
参考文献
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论文作者:蔡俊锋
论文发表刊物:《电力设备》2019年第10期
论文发表时间:2019/10/21
标签：电气化铁路论文; 谐波论文; 电能论文; 方式论文; 电网论文; 接线论文; 功率论文; 《电力设备》2019年第10期论文;