摘 要：针对常德电网电铁负荷的实际，从分析常德电网电铁负荷发展情况和电铁供电系统的特点出发，在对闫家坝牵引变电站进行谐波测试的基础上，重点分析了电铁负荷产生的谐波和负序电流对常德电网的影响，最后提出了限制电铁负荷对常德电网影响的措施及建议。

关键词：电铁负荷；谐波；负序

0 引言

近几年来，高速和重载铁路在中国得到了广泛的发展，运输效率得到了极大的提高。与此同时，机车需要的牵引功率越来越大，冲击性和电压波动也更为严重。牵引供电系统本身是三相不对称负荷，电力机车是移动的单相整流带冲击的负荷，运行时会产生大量的谐波、负序和无功功率注入电力系统，导致电力系统电能质量下降，严重时可导致继电保护装置误动、引发系统谐振、中小型发电机转子损坏、甚至大面积停电等事故。所以，电能质量的下降已经成为我国发展高速重载铁路必须要重视的问题。

根据石长铁路的规划，2014年将在铁山、七重堰、浮桥、太子庙、德山供电区接入3座110kV牵引变。牵引变建成运行后，常德电网将在北部电网和南部电网均面临电铁负荷对系统的影响和冲击，电网运行方式和电网安全运行及可靠供电受到严重影响。因此，研究电铁负荷对常德电网的影响并提出相应的防治措施十分必要。本文从分析电铁供电系统的特点和常德电网电铁负荷发展情况出发，重点分析了电铁负荷对常德电网的影响，最后提出了限制电铁负荷对常德电网不良影响的措施及建议。

1 常德电网电铁负荷及发展概况

常德电网现有电气化铁道牵引变电站两座，分别为闫家坝牵引变和金罗镇牵引变。两个牵引站为焦柳线常德段提供电气化用电。金罗镇牵引变位于澧县境内，由盘山变和楠竹变供电，正常运行方式下由盘金线主供；闫家坝牵引变位于石门境内，由东城变和七重堰变供电，正常运行方式下由东闫线主供。根据常德市铁路交通发展规划，石长复线将在2015年建成通车，届时石长铁路将完成电气化改造，实现电气化运行。因此，将在常德境内新增临澧、常德和汉寿3座牵引变电站。根据规划，临澧牵引变将由七重堰220kV变电站和临澧牵引变“T”接110kV高临线供电；常德牵引变将由220kV铁山变电站和220kV浮桥变电站供电；汉寿牵引变由220kV德山变电站和220kV太子庙变电站供电。3台牵引变建成投入后常德电网电铁负荷分布如图1所示。新的牵引变电站的建设使得常德电网结构和运行方式变得更加复杂，牵引负荷对电网的影响也会更加突出。到2020年，随着黔张长铁路、长益常城际铁路的开通运行，常德将有更多的牵引变电站投入使用。届时，电铁负荷对常德电网的影响将更加严重。

2 电铁供电系统负荷特点

2.1 交流牵引供电系统

目前，我国电气化铁道交流牵引供电系统主要采用的3种方式：直接供电方式、BT（吸流变压器）供电方式和AT（自耦变压器）供电方式。AT供电方式是金罗镇和闫家坝牵引变电站采用的供电方式，下面主要针对该供电方式进行介绍。

AT供电方式：牵引网采用2×27.5 kV电压供电，并在网内分散设置自耦变压器降压至25 kV供电力牵引用。图2是AT供电方式原理图。与接触网同杆架设一条对地电压为25kV但相位与接触网电压反相的“正馈线”，构成2×25kV馈电系统。自耦变压器变比为2：1，其一次绕组接在接触网与正馈线之间，而中性点则接至钢轨。在接触网与钢轨和正馈线与钢轨间形成25kV电压可供电力牵引用电。这种方式可在不提高牵引网绝缘水平的条件下将馈电电压提高一倍，可成倍提高牵引网的供电能力，扩展牵引变电所间距，牵引供电各项技术指标十分优越，特别适用于高速和重载电气化铁路。因此，目前我国电气化铁道广泛采用该种供电方式。

2.2 牵引供电平衡变压器

目前，我国电气化铁道牵引供电系统中牵引供电平衡变压器主要使用以下几种接线方式：（1） 三相Y/△接线；（2） V，v接线；（3） 斯科特（Scott）接线；（4） 十字交叉接线。鉴于常德境内的牵引变主要采用V，v接线方式，下面主要对该接线方式进行介绍。

V，v接线：将两台单相变压器以V的方式联于三相电力系统，每一个牵引变电所都可以实现由三相系统的两相线电压供电。如图3所示，两个变压器次边绕组各取一端联至牵引变电所两相母线上。而它们的另一端则以联成公共端的方式接至钢轨引回的回流线。这时，两臂电压相位差 接线，电流的不对称度有所减少。这种接线即通常所说的 接线。

优点：主结线较简单，设备较少，投资较省。对电力系统的负序影响比单相结线少。对接触网的供电可实现双边供电。因此，目前我国电气化铁道建设和改造中采用V，v接线形式较多。

缺点：当一台牵引变压器故障时，另一台必须跨相供电，即兼供左右两边供电臂的牵引网。这就需要一个倒闸过程，即把故障变压器原来承担的供电任务转移到正常运行的变压器。在这一倒闸过程完成前，变压器原来供电的供电臂牵引网中断供电，这种情况甚至会影响行车。即使这一倒闸过程完成后，地区三相电力供应也要中断。牵引变电所三相自用电必须改用劈相机或单相-三相自用变压器供电。实质上变成了单相结线牵引变电所，对电力系统的负序影响也随之增大。

3 电铁负荷对常德电网的影响

3.1 电气化铁道谐波及负序电流的产生机理

目前，我国电气化铁路普遍采用单相工频25 kV交流制式，其取源于三相交流系统。而三相交流供电系统的特点要求三相电流和电压对称，要求三相负载均衡，各相有效值相同，频率相同，相位角相差120°。并设定A相超前于B相120°，B相超前于C相120°，为正相序。在三相交流系统中，三相负荷达到平衡的时候，三相交流系统的电流和电压（电流和电压均为相量）成正弦分布状态。一方面，我国电气化铁道牵引变电所接三相交流电源中的两相分别向两边接触网供电，在所接二相交流系统的不对称牵引负载造成三相负载的不均衡，从而产生不均衡电流，导致严重的基波负序电流注入电力系统。对于高速列车而言，由于其速度高、运力大，由此所产生的负序电流非常严重。以京沪高速铁路拟采用的动车组为例。采用16辆大编组的机车，单列列车功率为2.8万千瓦，二次侧负序电流可达505A（2×27.5kV）。对于220kV电网，其网侧的负序电流也将达到127A。设计时若列车密度为追踪间隔3分钟，在一个供电距离（50公里）内，将同时运行2～3辆机车，所产生的总负序电流可能达350A以上。如此巨大的负序电流将对电网的供电质量产生严重的影响。

目前我国电气化铁道牵引广泛采用交直交系统给牵引电机供电，交直交供电系统本身就是一个严重的谐波电流源，该谐波电流源通过牵引平衡变压器的变换，造成牵变所高压母线的三相不对称谐波电流，注入高压公用电网，在其向电气化铁道供电的公共连接点的等效相阻抗上产生三相不对称谐波电压。大量谐波电流流入电网后，由电网阻抗产生谐波压降，叠加在电网基波上，引起电网的电压畸变，致使电能质量变差。当注入公用电网的谐波超过一定值时，会对电网自身及用电设备的正常运行造成损害。

电气化铁道谐波主要有下面两方面特点：（1）随机波动性：牵引供电系统产生的谐波电流随基波负荷剧烈波动，且电气化铁道各次谐波的初相角是高度离散的随机变量；（2）奇次性：单相整流负荷在稳态运行时只产生奇次谐波，只在涌流中含有偶次谐波。电气化铁道谐波的特征谐波为3次、5次和7次.其中3次谐波电流含有率最大，随着谐波次数的增大，其谐波含有率快速递减至l5次谐波几乎降到l%。

3.2 闫家坝牵引变谐波测试

闫家坝牵引变位于石门县境内，是焦柳铁路石门段的重要供电电源，由临澧县的220kV七重堰变电站和石门县的110kV东城变电站供电。闫家坝牵引变电站采用AT方式供电，主变采用V，v结构，采用SVC进行无功调节。

在正常负荷列车通过时对该站110kV侧电压和电流电能质量进行测量，测得波形如图5所示。通过测量得到110kV侧电压和电流的不平衡度分别为3.76%和73.32%。测得110kV侧三相的功率因数分别为：0.89、0.62和0.95。对电流波形进行傅里叶分析可得到该站110kV侧主要谐波次电流如表1所示。分析三相的电压和电流总畸变率分别为3.67%、1.9%、2.02%和23.65%、6.68%、22.34%。

3.3 电铁负荷对常德电网的影响分析

电气化铁路牵引负荷是移动、幅值变化大而又频繁的特殊负荷，它是一个典型的日波动负荷，具有短时冲击负荷、不平衡负荷特性，同时含有丰富的谐波，是一个谐波电流源。电气化铁路对电网的影响主要是负序和谐波电流两项影响的综合。

3.3.1 对发电机的影响

汽轮发电机转子为敏感部位，因为汽轮发电机转子的谐波和负序温升比定子大，存在局部的突出高温部位，国内曾发生过向电气化铁路供电的汽轮发电机转子部件嵌装面过热受损的事故。并且当负序电流流过发电机时，产生负序旋转磁场，产生负序同步转矩，使发电机产生附加振动。谐波也会引起电机的振动并发出噪声，长时间的振动会引起金属疲劳和机械损坏。

七重堰变电站110kV I母向闫家坝牵引变供电，同时凯迪生物质电厂通过凯七线连接于110kV II母。在闫家坝牵引变由七重堰变电站主供的方式下，闫家坝牵引变的谐波和负序电流在极端的情况下可能窜过母线110kV母线对凯迪电厂的发电机产生不良影响。另外，规划中的汉寿牵引变在由德山变供电时，可能对德山变110kV II母连接的中联环保电厂产生影响。

3.3.2 对电力变压器的影响

谐波电流在变压器绕组要产生附加损耗，该损耗相当大，除此之外还能引起外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热，并可能局部过热，加速变压器的老化，影响其使用寿命。负序电流造成电网三相电流不对称，造成变压器的额定出力不足，即变压器容量利用率下降。

对于常德电网而言，现焦柳铁路常德段两个牵引变都由盘山变作为电源点主供，其中闫家坝牵引变由东城变经东闫线主供，金罗镇牵引变由盘山变经盘七线主供。在这种电网结构下，两个牵引站产生的谐波和负序电流容易通过110kV输电线路和110kV母线窜入到东城变和盘山变的110kV母线，对连接在110kV母线上的变压器产生不良影响。在南部电网引入3个牵引变后，同样会给给这些牵引变供电的变电站产生不良影响。特别是接入了两条电铁负荷线路的七重堰变，尚若不进行扩容的话，闫家坝牵引站和临澧牵引站的谐波和负序电流将对该站的主变产生双重冲击。

3.3.3 对输电线路的影响

谐波使网损增大，在发生系统谐振或谐波放大的情况下，谐波网损可达到相当大的程度。负序电流流过电网时，它并不作功，只是降低了电力线路的输送能力。

在石长铁路常德段的3个牵引变引入电网后，直接给牵引变负荷供电的线路将达到10条，受其直接影响的变电站达11个。电铁谐波和负序电流对输电线路的影响将在一定程度上影响电网的经济运行指标。

3.3.4 对电动机的影响

电力系统中的动力负荷大部分是感应电机。负序电流将造成电动机端子三相电压序电流流入电力系统时不对称而使正序分量减小。当电动机的机械功率不变时，必将引起定子电流的增加，并造成各相电流的不平衡，从而降低运行效率，使电动机过热。负序电流还将在感应电机中产生一反向旋转磁场，此反向旋转磁场将对转子产生一个制动力矩，对电动机转子起制动作用。在谐波和负序电流的共同影响下，国内曾发生多起定子绕组过热烧毁事故。

谐波和负序电流窜入到公共电网后，将对连接于电网的电机产生不良影响，特别是直接依靠给牵引变供电的变电站供电的需要使用大型电机的用户。常德电网该问题并不十分突出，但是仍然要防止电铁负荷对盘山变供电的冀东水泥、由高桥变供电的南方水泥和由德山变供电的金天钛业等重要用户的影响。

3.3.5 对继电保护和自动装置的影响

电力机车的开停次数多，而且行进中每当通过无电区要先跳闸再合闸。从而频繁引起变压器涌流，产生较大的暂态谐波与负序，这是引起电网继电保护和自动装置负序启动元件误启动的主要原因。谐波致使误动的情况的多是装于馈供谐波严重超规定的若干电气化铁道负荷的110kV供电系统中，尤其以下述3类情况误动最频繁，有的最大达每日百次以上。

1、馈供电气化铁路的110kV线路距离保护的相电流突变量或负序启动元件频繁启动。在保护阻抗元件不动作条件下，可把距离保护闭锁住。在保护闭锁期间，若保护区域发生故障，则该保护装置就会拒动，从而引起越级跳闸而扩大事故。

2、线路距离保护的负序启动振荡闭锁装置频繁开启，会导致在系统振荡或其他偶然因素的配合下（如TV失压）构成跳闸条件，引起整套保护误动，主变或线路跳闸。

3、负序启动的自动故障录波器频繁误动将导致录波器走纸过多。

另外，馈供这类110kV电气化铁路负荷的枢纽变电所的变压器负序闭锁后备过流保护，母线差动保护、220kV线路的负序启动高频相差保护、负序启动方向距离保护、发电机负序电流过负荷保护等，也多次发生由于电气化铁道谐波与负序引起启动，甚至跳闸，但因为谐波含有率相对较低，故因谐波发生启动或跳闸的频率比直供牵引变的110kV电网保护少得多。

3.3.6 对系统的影响

在电网中，并联电容器组可以补偿无功、改善功率因数。当谐波电流沿牵引网返回系统时，由于牵引网对地分布电容和回路电感的影响，在一定参数配合下，可能构成某次谐波的谐振回路，引起谐波放大。进而造成牵引负荷谐波电流的谐振放大，危及系统安全。我国电网运行中曾出现多次由于电铁负荷电流的谐波放大使电网保护频繁启动、用户电动机大量损坏、补偿电容器无法投运、电网功率损耗增加的情况。

另一方面，由于电铁负荷的不确定性和波动性，使得对系统的负荷预测变得相当困难，这在一定程度上将影响电网的经济运行。而随着电铁负荷在电网负荷中所占比重的增加，这种影响将越来越明显。

4 减少电铁负荷对常德电网影响的技术措施

4.1 减少电铁负荷对电网影响的一般措施

根据电铁负荷的特点，为了消除谐波和负序电流对电网及牵引变电站本身的影响，国内外开展了大量的研究，并提出了许多行之有效的措施。

4.1.1 采用新型牵引变压器

当前在常德电网应用的V，v牵引变压器，虽然具有结构简单、能抑制一定负序影响的优点，但其对负序的抑制作用非常有限，也无法从跟不上解决谐波的问题。为此，采用更能减轻牵引负荷对电网影响的牵引变将逐步推广。

采用专用的高对称效应变压器，使牵引变近似成为三相对称负载。如采用具有滤波功能的多功能阻抗平衡变压器或Scott牵引变压器，当牵引变电站两侧的牵引负荷相等时，反映到电力系统中三相是对称的，可大大减少电铁负荷对电力系统的负序影响。这种方法的优点是可采用同相连接克服了换相连接的缺点。

4.1.2 谐波、负序抑制

谐波和负序问题产生的根源都是由于牵引负荷的非线性、不平衡性和变化性，因而在治理时往往将两种问题综合进行考虑。常用的治理谐波的手段是在牵引站进行无源滤波或有源滤波，同时结合电气化机车变流器的多重化整流。但是若滤波装置完全采用固定电容器也是不合理的，因为电铁负荷是不断变化的，电容器装置安装容量不合理，会导致无功倒送入系统，可能在低谷负荷时导致系统电压升高，甚至超过设备允许值，造成系统设备损坏。

目前在牵引变电站常用的抑制谐波和负序电流方法有：

1、装设不可调的并联补偿电容装置，优点是结构简单、易维护、成本低，但容易出现过补偿和欠补偿，不能随牵引负荷的变化作相应的调整，仅对某些固定频率的谐波有较好的滤波效果，容易发生谐振。

2、装设机械开关投切并联电容器组，结构简单，使用灵活，但响应慢，存在浪涌电流和操作过电压，不安全，可靠性低。

3、安装静止无功补偿装置SVC。该装置能提高电压的静态稳定性和暂态稳定性，既可平衡电力机车的单相负荷，又能在电网受到扰动时起稳定作用，还能降低负序电压以及改善电网的功率因数。

在实际应用中，往往将以上方法进行结合，即既装设无源滤波装置消除一定谐波，又安装SVC对无功进行动态补偿抑制负序电流。

4.2 减少电铁负荷对常德电网影响的建议

在当前的技术条件和政策下，新的牵引站的投入势必会增加消除谐波和动态无功补偿的装置，但这些措施并不能完全消除电铁负荷对常德电网的影响。作为常德电网的运行和管理单位，必须重视对电铁负荷的电能质量的准入和监控，采取有效措施最大程度降低电铁负荷对公共电网的影响。

4.2.1 加强电能质量监控和准入

根据电铁负荷的特点，要求牵引站建设单位必须增加消除谐波和动态无功补偿的装置。在电铁负荷开通前后都要进行背景谐波测试，以确定各牵引变电站接入系统后，引起的各次谐波电压含有率及总谐波电压畸变率不超过国标的规定。在电气化铁路开通后，应在不同的系统运行方式下，对牵引变电所电气距离较近的系统变电所进行谐波实测，对受谐波影响的电容器组针对性提出处理方案。

同时，在电铁负荷接入系统对应在公共用户点安装电能质量监测装置，监测谐波、电压波动和闪变、三相不对称、负序等指标，并在公共用户点附近可能受影响的发电机组安装负序电流监测装置。

4.2.2 进行相关线路保护的调整

针对电铁负荷容易造成保护装置误动的特点，选用适用于电气化铁路的线路保护装置。它是利用负序和零序作为起动元件，针对电气化铁路的特点，线路距离保护振荡闭锁采用了快速复归功能。快速复归的作用是，当有冲击负荷、系统操作等情况时使装置能迅速复归，不进入振荡状态，以免在此时发生故障时装置可能失去快速保护作用。另外，当有冲击负荷、系统操作时装置不对外发信号，以免干扰运行人员。

4.2.3 电网运行方式的调整

由于牵引变接入的1l0kV系统均为馈供方式供电，负序电流对系统的影响范围相对较小，但若牵引变电站接入点同一母线上再接有发电机组，将对发电机组产生较大的影响。常德电网内暂时无发电机组与牵引变接于同一110kV母线的情况，但闫家坝牵引变对凯迪电厂产生的影响要给予充分重视，同时在电网的发展过程中也应尽量避免该类情况，特别是汉寿牵引变接入德山变供电时，应避免与中联环保电厂接于统一母线供电。同时为了减少电铁负荷对重要用户特别是有较多感性负荷或精密设备的用户用电的影响，应尽量避免该类用户的供电线路与牵引变接入到同一母线。

4.2.4 建立相应的应急机制

在石长电气化铁路投入运营后，很有可能会发生谐波及负序治理不到位的情况，也有可能发生谐波放大、线路跳闸导致负荷损失等突发事件，对电网稳定安全运行产生严重影响。因此，作为电力供应部门有必要建立相应的应急预案，以确保电气化铁路运输和公共电网用户的用电安全。

5 结论

石长铁路电气化运行后，常德电网将形成更为复杂的供电网络，新增加的牵引变电站将增加常德电网运行风险。作为电力供应部门应该强化电铁负荷供电的准入机制，加强对电铁负荷的监测，调整相应的保护装置，采用尽量避免电铁负荷对其它用户产生影响的运行方式，建立有效的应急预案，确保在为电气化铁路提供优质用电的同时将其对公共电网产生的影响降低到最小。

参考文献

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