电气化铁路电能质量问题及其治理对策分析

摘 要：电力铁路运输的规模不断扩大是交通运输业向前发展的趋势，但是在发展过程中铁路电能质量技术问题制约着它的前进步伐。本文主要探讨了电气化铁路电能质量的常见问题，并针对相关问题的治理对策进行了研究。

关键词：电气化铁路；电能质量；问题；

中图分类号：U224 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2014）-08-00-01

高效的铁路运输能力能促进我国国民经济的快速发展，随着现代化脚步不断加快，提高电气化铁路的技术水平势在必行。综合治理铁路电能质量问题不仅利于电气化机车的安全快速运行，同时也能降低对资源的燃耗，实现资源的合理化配置。目前我国铁路电气化率已达到32%，并且他们承担着全路50%的货运量，我国电气化铁路总路程也已达25000公里以上，位居世界第二。据国家规划局统计，到2020年，我国的电气化铁路路程将会突破5万公里，届时电力铁路的路程会占据总路程的一半以上，并且承担的运输量达到85%以上[1]。

一、电气化铁路电能质量问题

电力机车的运行加大了电网的负荷，因此会造成很多的质量问题，同时对电网系统的稳定也有损害，这些都给电网系统供电用户造成了严重的危害。根据电气化铁路的特点分析可以得出影响电能质量的原因主要有电力机车的波动性和冲击性强、三相不平衡、以及谐波电流过高[2]。

（一）电力机车的波动性比较大的相关因素主要有铁路的符合状况、线路的情况、电力机车的类型以及机车行驶的速度，另外还会与机车的牵引重量和运行图。上述因素运行状态的时间和空间分布不均匀都会使得牵引负荷力量的不平衡，这样的电力负荷的不平衡会给电力系统造成很大的破坏，同样在质量综合治理中难度也很大。

在我国，因为电力机车数量比较庞大，因此我国电气化铁路牵引变电站的容量也比较大，在设计时容量达到90M VA。另外根据长远发展计划，针对高速专线的牵引变电站电容量规划达到140M VA，并且在很多电气化铁路的牵引变电站容量设计，都是根据完全超容量的情况制定的，所以在电力牵引变电站最高负荷值可以达到180―240M VA。这样的情况下，在电网设备比较低或者电网供电能力不足的部分地区是不可能承受如此大且集中的负荷的，所以会造成部分地区的供电系统的极大破坏，从而引起电压不稳定或闪变的问题。

（二）电力机车是单相负荷的，因此将电力机车接入三相对称电网时会造成牵引变压系统产生幅值很高的负序电流。负序电流的大小和牵引变电器的连接方式有关，牵引负荷的大小也会影响到负序电流的情况。当牵引变电器采用的是单相接线变压器时，它的牵引负荷在电力系统中引起的负序会与正序相抵；牵引变电站采用单项V/V接线变压器的前提下，在两个方向的牵引负荷相等的情况中电力系统引起的负序和正序电流各为一半，相反情况下负序电流与两侧产生的负荷电流差的绝对值是成正比的；牵引变电站使用三相接线变压器时，它的负荷在电力系统中会引起的负序电流是正序的二分之一。

负序电流过高会引起旋转电机中产生负磁场，这种负序磁场会导致电力机车产生负序同步转矩，致使车身震动，因此会产生一定的制动力影响到电机的出力，不对称的负荷会导致变压器的利用率下降和加快变电器的损耗。

（三）电气化铁路一般会采用交―直―交和交―直型机车类型，其采取相控整流技术，它会导致往供电网注入大量的谐波电流。谐波电流会加快电气元件的损耗，影响各项设备的正常运行。造成谐波过流还会影响继电保护装置的工作，因此会到此设备被严重地损坏以及电网停止供电的事故发生。

二、解决电气化铁路电能质量问题的方案

牵引供电系统的特性情况会影响到电气化铁路中存在的电能质量问题，因此从牵引供电系统进行治理具有很强的可行性。大容量电力系统装置的研究和开发在理论上具有一定的优越性，在解决铁路电能质量问题受到广泛重视。

电气化铁路牵引供电网主要分成三个方面分别是电力供电系统；牵引变压器和接触网；电力机车。因此在提高铁路电能质量方面的治理方案可以分别从上述三方面入手。

（一）提高牵引变电站接入的供电系统短路容量，可以通过缩短接入点和电源两者之前的距离[3]。这样的工作方式能够提高电力系统抵御问题的能力，控制牵引负荷注入电力系统的负序电流以及谐波电流对其造成的损害。这个方案在理论上是提高铁路电能质量的有效措施。但是改变电力系统原有的接线方式是一项规模很浩大的工程，因此会耗费许多成本，并且这项方案具体操作起来也很困难。另外长期发展看来，短路容量不可能无限量的增长，因此治理效果还是会受到限制。

（二）另外有些牵引变电站采用的是抗匹配平衡变压器以及斯科特变压器。这些特种变压器能够根据自身接线方式和变比设计，在达到一定的负荷量的情况下可以对系统三相电流转变并且完全对称，因此可以达到控制负序电流对系统造成损害的目的。虽然该方案可以解决三相电不平衡造成的质量问题，但是由于牵引变压器系统的侧绕组换相接入，会引起供电臂的电压相位不同，如果在不同区段间加分段绝缘器的话，会使得牵引网的无电区域面积扩大好几倍，电力机车在运行时安全存在着较大的隐患。

（三）而SVC以及STATCOM作为动态装置在国外的铁路电力使用方面很广泛并且效果很好，SVA装置利用晶匣管对波动性的负荷进行可调节性并且连续补偿，另外利用无源滤波器剔除系统中的高次谐波、减少了谐波对电子元件的损害。在我国电气化铁路中使用中，其并联了牵引器的系统侧并且采用三相电，使得该装置更加优化。STATCOM装置是通过将变流器与电抗器与电网并联，可以适当的调节交流侧输出的电压相位以及幅值。它的性能十分良好，工作效率很高并且响应迅速，运行控制范围面很广。它还能够进行双向无功补偿和有功转移，因此可以对负序电流进行无功补偿，更加适用于电气化铁路电能治理中。

三、结语

随着电气化铁路规模不断扩大，以及其运载量不断上升，不断电力铁路电能的质量是当前面临的比较大的技术问题。电路质量问题不仅制约着电力铁路的发展，同时还可能造成铁路运输安全事故，因此务必要加快对保证其高质量运行的技术设备研发，并且要借鉴国外优秀经验对其进行综合治理。

参考文献：

[1]周方圆，王卫安.高速铁路对供电质量的影响及治理措施[J].大功率变流技术.2010（06）

[2]李群湛.我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题[J].铁道学报.2010（04）

[3]林焱，黄佳珍.高速电气化铁路温福线供电电能质量的测试分析[J].电力与电工.2010（01）