摘要：随着大量高铁线路的投运，电气化铁路电能的消耗不断增加。电气化铁路是电力系统中的特殊用户，电能质量问题相对普通用户更加复杂，电气化铁路负荷具有功率大、不对称以及非线性等特点，不仅仅对电力系统的供电能力提出了更高的要求同时也导致谐波的大量注入，影响到电力系统的稳定。由于电能计量仪表大多基于工频稳态信号设计，铁路供电谐波和电压波动对电能计量造成的误差己不可忽略。
关键词：电气化；铁路；谐波；电能计量
1.导言
在电力系统中电能量计量是重要的一个环节，其计量结果是电力系统的用户端进行结算的依据，关系到供用双方的经济利益，故电能计量设备对各项用电量的准确计量就显得尤为重要[1]。电气化铁路是电力系统中的特殊用户，供电电压等级高，机车的运行功率大等特点都使得电气化铁路不同于一般的电力系统用户。铁路供电关口计量装置是电力部门与铁路部门进行电费结算的依据，结果的准确性关系到双方的经济效益。研究电气化铁路负荷对电能计量的影响，确计量误差大小及影响因素可为电力部门和铁路部门提供计费参考，针对电气化铁路的特殊性做出相应调整，有现实的经济意义。
2.电气化铁路电能质量特性
2.1电气化铁路负荷特性
电气化铁路作为电力系统中重要而又特殊的用户具有以下特点：
（1）直接接入高压系统
电气化铁路负荷为电力机车，额定功率较大，牵引供电系统一般直接接入电网，目前110kV电网已不能满足电气化铁路的需求，牵引供电系统已采用220kV电网或更高的330kV电网作为供电电源。
（2）不对称性
牵引变电所中的牵引变压器是采用适合电气化铁路使用的特殊的接线方式，原边接入三相电力系统，副边输出为两相电为临近的两个供电臂供电，牵引供电系统是不对称负载，造成电力系统的三相不平衡。另一方面，力机车是移动的随机的负载，运行过程中会有牵引、制动、惰行等各种复杂的工况，都会导致不对称性的加剧。
（3）非线性
电力机车采用交-直或者交-直-交的能量变换方式，这个过程中采用了大量的电力电子器件，都会导致电力机车的功率因数低，波含量大。
由于上述的几个电气化铁路的特点，其电能质量问题会比一般电力用户更为复杂，而电能质量水平会对电能计量设备准确计量造成一定影响。
2.2典型机车谐波特性
机车牵引系统中存在大量电力电子设备，其中包含了众多类型的电力电子开关型非线性负荷，如晶闸管设备，变频调速装置等。这些非线性设备的存在产生了大量谐波，电气化铁路产生的谐波有以下一些特点：
（1）单相独立性，牵引变电所引出的两供电臂并无关联性，臂负荷使用单相电，相互独立。
（2）随机波动性，车基波幅值的差异会使谐波的幅值产生大范围的波动。
（3）相位广泛分布，波向量可在复平面上的4个象限出现。
（4）稳态奇次性，机车在稳态运行时只产生奇次谐波。
（5）高压渗透性，铁路的供电电压等级高，谐波可向电力系统进行渗透。
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2.3牵引负荷的不对称性对计量的影响
牵引供电系统的负荷是单相负荷，一般牵引变压器低压侧为两个端口，由于铁路随机性大，两个端口的负荷也非对称，就使得牵引负荷破坏了三相对称性，从而生负序电流。而电气化铁路负荷大小随机波动性很大，电流互感器的配置是相同的，通常按照最大负荷电流进行配置，会造成电流不在工作范围内，误差增大。对于电压互感器来说，电气化铁路单相负荷所产生的负序电流会引起三相电压不平衡，因此各相电压相对v于额定值有一定的偏差，电压互感器是按照额定电压设计的，负序电流过大，系统不够强大，短路容量不够大，电抗比较大时，能使得负荷大的一相电压偏差比较大，偏离电压超出电压互感器标称准确度规定的范围，造成电压互感器误差相对另两相更大。
3.谐波计量方式
目前的有功电能计量模式主要如下３种：（1）基波计量模式。采用基波电能表，计量用户所消耗的基波功率。此计量方式对线性负荷的计量相对准确且公平，非线性负荷在产生谐波的同时并没有受到相应惩罚。（2）全波计量模式。采用频率响应较宽的电能表同时计量基波与谐波，记录用户所消耗的基波功率、吸收或发出的谐波功率。目前国内使用这种模式。（3）基波、谐波单独计量模式。分别使用基波表和谐波表测量用户所消耗的基波功率和谐波功率。这一计量方式对电能表的要求较高，需要准确测量谐波电能。
4.谐波对电能计量装置的影响
4.1谐波对互感器的影响
电容式电压互感器能够准确测量基波电压，对谐波的响应误差较大，于其内部存在杂散电容等因素，杂散电容的存在对频率响应特性的影响较大，产生尖峰点和低谷点，故谐波的存在会使得计量结果产生较大的误差，不适于测量谐波，通过实验或者相关计算可以得出谐波传递规律从而进行测量结果的修正。
电流互感器的误差主要由铁芯的励磁电流产生，通过仿真可知电流互感器误差随谐波次数增加而增大，总体误差较小，符合计量要求。电流互感器随着谐波次数的增加，误差会加大，但始终保持在较低范围内。电子式电能表的计量结果符合计量的要求，高调制波形的频率可以提高精确度，需要在精确度和经济效益之间寻求一个平衡。
4.2谐波对电能表的影响
电能表目前可以分为感应式电表与电子式电能表。感应式电能表面世时间早，因其结构简单、价格便宜、维修方便、使用寿命长等特点，在普通用户中应用较广泛。感应式电能表谐波响应特性较差，只适用于基波的测量。
电子式电能表的基础是电子电路，根据电压互感器与电流互感器输出的幅值较小的电压电流信号，通过乘法器实现电路所消耗功率的测量。电子式电能表对谐波的响应特性较好，虽然随着谐波次数的增加误差也会增大，但始终维持在较小的范围内，而且通过提高调制波形的频率可以进一步减小误差。
5.结论和展望
本文分析电气化铁路特殊负荷的属性，对铁路负荷产生的谐波对电能计量的影响进行了分析，电压互感器的误差相对较大，谐波会对计量结果产生影响，负荷大小对计量结果偏差的大小也有一定影响。随着技术的发展，电能计量设备也会趋于智能化，以对电能计量的准确性进行实时监测，可根据负荷的特点实施不同的计量标准，来电能计量会更加合理与智能。
参考文献：
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[4]解绍锋，李群湛.高速列车再生制动对负序影响研究[J].铁道学报.2011，33（7）：14-18.
[5]郜洪亮，李琼林，余晓鹏，等.电容式电压互感器的谐波传递特性研究[J].电网技术，2013，37（11）：3125-3130.
论文作者:潘翊
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/6
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