浅谈我国电铁牵引负荷负序电流危害及改善措施

摘要：由于电气化铁路的电力机车是移动性的单相整流带冲击的负荷，当其接入电网运行时，在电力系统中将产生较大的谐波和负序分量，如不采取措施加以治理，将对电气设备及电力系统的安全经济运行造成严重的威胁。分析我国电铁牵引负荷负序电流危害，概述我国电力牵引现行电能质量改善的措施。

关键词：电铁牵引负荷、负序电流、危害、改善措施

一、电铁牵引负荷负序电流对电力系统危害

（一）对同步发电机的危害

负序电流对发电机影响最大的是转子的附加损耗与发热，其次就是附加振动。在电力系统中三相平衡时即三相电流为零时，发电机定子三相电流所产生的旋转磁场与转子转速相同，均为同步转速，而且方向也一样，所以定子旋转磁场与转子旋转磁场相对静止。在这种情况下，发电机转子励磁绕组中只有正常的励磁电流。但是当系统中存在有负序电流时，负序电流与正序电流的作用却截然不同。负序电流流过发电机定子绕组时将产生负序旋转磁场，其转速与转子的转速相同，均为同步转速，但方向与转子的旋转方向相反。相对于转子而言，转速为同步速的2倍。这种负序旋转磁场以2倍的速度直接扫过转子绕组和转子本体表面，从而在转子励磁线圈、阻尼线圈及转子本体中感应出2倍同频率的电势，并引起涡流。涡流将引起励磁线圈、阻尼线圈及转子其他部分的附加发热，产生额外的热量和能量损失。同时，由于负序旋转磁场感应出来的电流频率高，集肤效应较为严重，这个电流极不容易渗透到转子的深处，而集中在转子本体利各个部件的表面。负序旋转磁场在转子方面所感应出来的2倍工频环流直接越过汽轮机转子的槽楔与齿，以及槽楔和齿与护环的许多接触面。而这些地方的接触电阻较高，可能出现局部高温现象，会降低转子部件金属材料的强度和线圈绝缘强度，尤其护环在转子本体上嵌装处的局部发热是特别危险的。因为护环是应力最大的部件．其机械强度稍有消弱，就可能引起严重的后果。单相电铁牵引负荷，引起发电机的不对称运行。从发电机的安全运行考虑，其每相电流均不应超过额定值，因此实际上限制了发电机的出力。

（二）对异步电动机的影响

对于异步电动机来说，正序电压产生正序电流和顺转的电磁转矩，负序电压产生负序电流和逆转的电磁转矩。负序电压对异步电动机的运行是十分不利的，较小的负序电压加到异步电动机上将会引起较大的负序电流及负序逆转电磁转矩，直接影响异步电动机的效率和安全可靠运行。一般根据实验和运行经验有：U2等于0．05UN 时，负序电流就可达（20～35)％IN。因此负序电压对异步电动机的影响是很大的，可以引起电动机的额外发热，严重时会烧毁电动机。

（三）对继电保护装置的影响

负序电流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。

一般如有牵引变电所以110KV电压接入，给其供电的110KV或220KV电网内变电所需装设适用于电铁的线路保护装置。此类保护利用负序和零序为启动元件，针对电铁的特点，线路距离保护的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，使保护装置迅速复归，不进入振荡状态，以避免此时发生故障时距离保护可能失去快速保护作用：另外，当有冲击负荷，系统操作时保护装置不对外发信号，以免干扰变电所的运行人员。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，但在我国西部电铁较发达的地区已有应用，证明基本可保证电网的安全运行。

（四）对电力变压器的影响

负序电流造成三相电流不对称，因而电力变压器三相电流中有一相电流最大而不能有效发挥变压器的额定出力(变压器容量利用率下降)。另外，还造成变压器的附加能量损失、在变压器铁芯磁路中产生附加发热。

（五）对送电线路的影响

负序电流流过送电线路时，负序功率实际上并不做功，而只造成电能损失，增加了网损降低了送电线路的输送能力。

二、我国电力牵引现行电能质量改善的措施

（一）对牵引变及牵引网接线采取措施

1、牵引变电所的换相连接

在一个电气化铁路区段，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。

（二）从电力机车本身改善电能质量

1、机车是无功电流和谐波电流源，就地治理的优点：

A、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

B、 减小了接触网电流与接触网损耗

C、 相应降低了接触网电压损失，改善了机车电压质量

D、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

2、具体措施：

A、 在机车牵引绕组设置晶闸管投切的三次谐振电容补偿电路，每机车4组。三次谐振补偿电路同时部分吸收谐波电流，阻抗比 =0.12―0.13，吸收谐波电流40~60％。

B 、投入原则：半额定功率以上投入，根据机车无功大小投入不同组数，补偿机车功率因数大于0.9我国一部分机车(SS4G、SS6B、SS7、SS7C，8K、6K)设置了谐振补偿装置。

3、机车补偿装置存在问题

A、 每台机车补偿装置容量大(见下表)，全部机车总容景投资费用可观，经济上浪费；

B、规定50％以上额定功率投入补偿不能有效补偿无功，全线路机车大部分时间在50％；

以下功率运行(轻载，下坡道，低速运行时)，反映到变电站的综合功率因数一般仅0．8左右；

C、补偿电路防干扰性能筹。受干扰后易山现严重故障；

（三）从牵引变电站改善电能质量

1、优点

A、 在牵引变电站集中补偿，需要的补偿设备总容量铰小，投资节省，可补偿接触网线路电感产生的无功功率。根据供电臂的无功电流而调整补偿量，变电站有较高的功率因数，流入电力网的无功电流与谐波电流相对较小

2、具体措施

在变电站供电臂牵引母线通过真空开关投入三次谐振电容补偿电路

3、存在问题

A、由于开关投切时间的随机性，投切时有很大的电流冲击与很高的过电压，易使开关与电容器损坏

B、 电容器投入后，一般不轻易切除，容易过补或欠补，补偿效果不佳

C、过补造成母线电压升高，对机车工作不利

D、这种种补偿方式具有很大的局限性，只适用于复线、高速、运输繁忙区段

E、不适用于山区、单线路、有长大坡道、多机牵引的重载区段

结语：电铁谐波、负序分量对电力系统的危害很大，我国东南沿海地区经济较发达，相对来说发生电力系统事故所造成的经济和社会影响更大。目前，铁路电气化改造正向东南沿海地区扩展，当地电力部门必须对电铁牵引负荷的性质和危害有足够的了解，并预先引起足够的重视。

第一作者：刘德明 1978.2.22生 男工程师 华东交通大学电气学院铁道电气化专业 学士研究方向：铁路电气化 单位：中铁电气化局集团第二工程有限公司第三工程段 邮编441003

第二作者：蓝贤桂 1979。2.14生，男 讲师，硕士在读，研究方向：通信工程单位：东华理工大学机电学院 邮编344000