【摘 要】由于电力机车电气化铁路的负荷，当接入电网运行，产生大量的谐波和负序分量在电力系统中，如果不采取措施治理，将构成严重威胁的安全和经济运行的电气设备及电力系统。本文对电气牵引对电力系统影响分析，探讨了电力牵引电流的电能质量改进措施的概述。

【关键词】电气牵引；电力系统；影响；改善措施；

随着电气化铁路的建成投运，出现单相牵引整流冲击负荷，严重地破坏了固原地区电力系统的对称运行，产生的负序分量和高次谐波将给该地区电力系统带来一定的影响。

一、牵引电流的性质

1.牵引负荷是波动的，在振幅方面波动大，在相角与谐波含量上波动小。波的形状将由机车设备的型号、数量、分布及其运行状态（如加速度、正常运转、滑行与制动）所决定，还受供电电路参数所影响。根据有关资料，列车所取得的电流不能保持恒定30s之久，因为坡度、曲率以及风阻的变动，所以对机车需作经常的调节以保持其恒速运行；此外，机车进站停车也需要按照信号改变速度。机车电流往往在几秒钟或更短期间内从零变化到满负载或从满负载到零，而且在整个期间都有很大的变动。这就明显说明，不可能详尽考查各种负荷情况，可假定一些有代表性的负荷曲线。

2.有几列列车同时在同一区段运行时，它们的电流要合成典型供电点电流，电流波动大且频繁，其最大电流只经历很短时间，供电点的电流将是各个机车电流的总和。当列车离开一个馈电站馈电的区段而进入下一馈电站馈电的区段时，便要限制它由新区段吸取的那一级电流。虽然如此，还是与有剩磁通的变压器突然连接，这必然会出现磁化涌流，其滞迟约2s，波形类似半波整流电流，谐波畸变很大，而且还包含有偶次谐波。分析表明，最大谐波含量只有约10MVA的牵引负荷，所以此现象并不表明存在任何严重的系统问题。

二、电气牵引对电力系统影响

1.负序影响。电气化铁路采用单相联系工频电力机车，牵引变电所采用Y/Δ 接线制，所以每列电气牵引列车对电力系统构成两相制负荷。虽然各牵引变电所相序互相错开，整条电气铁路的三相负荷仍不能平衡，且不平衡负荷时大时小，使得电气铁路产生快速波动的负序电流，并流入电力系统各处。负序电流或负序电压启动后，受它们干扰的继电保护和自动装置频繁误启动。其中距离保护的负序震荡闭锁装置误动后，除了作用于触发声光报警信号外，还可能产生以下后果：

（1）当电气铁路负序信号作用时间较长时，距离保护要转入闭锁状态，使线路在当时失去保护。（2）当铁路负序作用于解除振荡闭锁后，系统又立即发生振荡，则使保护误动而触发跳闸（切断线路）。固原地区电力系统考虑牵引负荷的干扰，从设计到设备选型均考虑了该因素。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。快速复归时间不大于100ms，虽然在原理上未根本解决负序干扰，但在我国甘肃、陕西等电网中已得到了应用，证明基本可保证系统安全运行。（3）如果采用从超高压（220kV或以上电压）降压变电所以110kV专用线路按放财型方式向电铁牵引变电所供电，也可缓解线路保护受电铁谐波和负序干扰而启动时对电网安全运行的威胁。重要的问题在于，因为我国财力的限制，全部牵引变达不到该条件供电，固原地区电力系统四个牵引变仅有固原牵引变采用330kV变电所以110kV专用线路供电，其余三个牵引变是从公用的110kV网络供电，要用供电方式来缓解电铁对保护的严重性，在若干年内难有较大的进展。

2.对继电保护装置的影响。容易使电力系统中以负序分量启动的继电保护装置误动作，例如，当负序电流作用时间较长时，常规的距离保护就要转入闭锁状态，使一段时间内距离保护的快速动作段退出运行；而当电铁负序作用于解除闭锁后，如系统此时发生振荡，则距离保护可能误动作跳闸。所以，为消除负序的影响，将增加继电保护装置的复杂性、降低可靠性。

3.谐波影响。电铁的电力牵引单相整流机车使牵引变压器27.5kV侧电流以及电压发生畸变，所产生的大量高次谐波分量通过牵引变压器的高压侧注入电力系统，并与系统“背景负荷”产生的负序源两者叠加，使系统内部电网的3次、5次谐波在谐振时严重放大。电力机车是一个很大的谐波源，机车类型不同，波形畸变不同，谐波含有率也不同，根据资料统计，韶山4型电力机车主要含有3次、5次谐波。谐波电流大小与基波电流有关。而根据国家的有关规定，按电网最小短路容量计算的实际允许的谐波电流允许值见表。

三、牵引变现行对电能质量改善的措施

从对牵引变及牵引网接线方面采取措施有以下的方法，当然也必须从电力机车本身方面来配合改善电能质量。

1.牵引变电所的换相连接。在一个电气化铁路、城市地铁、有轨交通区段，当各牵引变电所由同一电力系统供电时，各牵引变电所在电力系统中引起的总负序电流与每个牵引变电所引入的相序有关。为了减小对电力系统的不对称影响，通常采用相序轮换接入，即换相连接。所谓换相连接就是把各牵引变电所的变压器轮换接到电力系统的不同相上，其目的使电铁单相负荷反映到电力系统尽可能达到三相负荷对称。无论对单相接线，还是v/v接线及Y/△三相接线的牵引变电所，均可采用这种方法。

2.采用三相/两相平衡牵引变压器。平衡牵引变压器特点是：当牵引变电所两侧的牵引负荷相等时，反映到电力系统中三相是对称的，采用这两种牵引变压器，在理想情况下可大大减小电铁负荷对电力系统的负序影响。

3.对谐波电流和无功电力加强就地补偿。无功补偿量可随机车负荷变化而调整，机车可经常保持较高的功率因数；减小了接触网电流与接触网损耗。相应降低了接触网电压损失，改善了机车电压质量；较少的谐波电流流入接触网，减小了对电力系统的谐波影响。

四、基于单元控制级LCL、所控制级SCL的计算机监控解决方案

随着变电所调度自动化技术应用的不断发展和深入，以及计算机技术、通讯技术等领域的发展，新建牵引变电所的自动功能和远动功能都在不断地发展和完善，计算机远动与自动系统已在新建牵引变电所中得到普遍的应用，电气化铁道供电系统的可靠性和现代化程度有了显著的提高。

1.单元控制级LCL。根据现场设备和具体要求，LCL级可以采用RTU或加强型RTU单元结构，或PLC可编程控制器式底层智能化结构，还可以配置智能仪表。PLC内部具有一定数量的内存单元，通过编程后，可以顺序执行程序预定的功能，程序修改简便易行。由PLC来完成部分重要的自动功能较之通过牵引变电所控制级计算机实现相应的功能，在实时性和可靠性方面均能得到更有效的保证。当PLC与计算机之间通讯联接发生异常时，不影响PLC程序设定功能的实现。智能仪表是一种新型的表计结构，内部由智能芯片和测量机构组成，可以完成对多种电气量的综合测量功能，而不需要再使用各种变送器，安装体积小，功能强。

2.与调度中心的通讯：SCL级通过计算机通讯接口接入通道实现与调度中心的通讯，一方面将牵引变电所内的运行情况上送到调度中心，另一方面，调度中心向牵引变电所发送控制命令以及对各种控制参数进行修改，实现远方远动功能和全局性调度控制。

3.与继电保护的联接并进行信息交换：牵引变电所的远动和自动化系统一般应能反映继电保护的信息和数据，以便为综合自动化系统奠定基础。对既有牵引变电所远动功能的改造也应实现这一目标。具备微机保护系统的既有牵引变电所，可以采用计算机通讯级的联接，将保护的主要内容反映在SCL级人机界面，进而还可以进一步完成保护定值的监视和设定等功能；不具备微机保护系统的既有牵引变电所，应将保护的主要状态量通过开关量输入的形式，由LCL级硬件设备采样并反映在远动与自动化系统中。

4.自动功能：既有牵引变电所远动系统改造所实现的自动功能主要由现场设备的具体情况决定。自动功能主要包括：对可以利用分接头进行有载调压的变压器，采用遥控操作变压器分接头的方式实现电压的自动调节；对具有多组补偿电容器并可独立投切的牵引变电所，采用遥控操作方式自动投切；电压和无功综合调节的原则按“九域图”的规则进行。当某段母线因故失去工作电源，则由远动系统自动合母联开关，投入备用电源，以维持该段母线供电的连续性，备用电源的自动投入闭锁条件（如无压侧系统无事故信号，主变后备保护未动作，与线路重合闸配合整定等）由SCL级设置。

电铁机车取用基波电流的同时向变电所注入大量的谐波电流，引起供电变电所谐波及负序分量的大幅度增加。要对电铁负荷产生的谐波分量进行制理，必须要从源头抓起，否则成效不会太大。对电铁负荷产生的负序分量，要求铁路调度应力使电力机车均匀运行，以有效利用换相措施抑制负序电流的增加，必要时应考虑在牵引变的110kV侧装设具有滤波、降低负序、抑制电压波动和闪变的静止无功补偿装置。

参考文献：

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