高速电气化铁路牵引站接入电网的电能质量环境分析

董 诗 琪

（武汉大学电气工程学院 湖北 武汉 ４３００７２）

摘 要：高速铁路由于其运行速度快、运输容量大，是我国近几年重点发展的交通运输方式之一。然而高速铁路的接入将对电网造成一定程度的影响，为此对高速电气化铁路牵引站接入电网的电能质量环境进行分析具有重要的意义。首先详细阐述了相关电能质量标准，高速铁路牵引供电方式及负荷特征，然后详细研究了高速铁路负荷接入电网的电能质量环境，得出了高速铁路负荷接入电网的电能质量环境具有大量的谐波、非线性、冲击性与波动性等重要结论。

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关键词 ：高速铁路；电能质量标准；牵引供电方式；负荷特征；谐波；非线性；冲击性；波动性

中图分类号：ＴＭ７０１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．11．０47

收稿日期：２０１5－04－21

1 三相不平衡特性

三相电压不平衡度在电能质量国标中的描述公式为：

εU=Ｕ１/Ｕ２×100% （１）

式中：Ｕ１—正序电压的平方根号植，ｋＶ；Ｕ２—负序电压的平方根号植，ｋＶ。

现如今，中国电气化铁路的牵引站一般向电力机车提供５０ Ｈｚ功率，且采用单相交流供电方式。电力系统运行中的电流三相交流制，三相交流电要求电流Ａ、Ｂ、Ｃ三相以及电压Ａ、Ｂ、Ｃ三相对称。且为了保证电压电流的三相对称性，则要求接入Ａ、Ｂ、Ｃ三相的负载平衡，即要求有效值匹配、ｆ同步、δ角之差为１２０°，正相Ａ的δ角大干Ｂ项１２０°，Ｂ项大干Ｃ相１２０°。在我国的三相交流电力网架中，当三相负荷达到上述均衡时，三相交流网络中的电流和电圧（电流和电圧均为相量）成正弦曲线呈现。

因不接地系统的高铁负荷不会产生零序分量，只有正序分量以及负序分量，因此单相供电方式是高铁负荷产生三相电圧不平衡的根本原因。

我国高速铁路供电系统将三相电源转化为单相电源后供给电力牵引机车。由于高速铁路电力机车是一种大功率的单相负荷，而一般采用的牵引变压器为不平衡供电方式，因此高速铁路机车在运行时会产生很大的负序电流，会对电力系统产生一系列的危害。

负序电流对电力系统的影响可以分为两大方面，即对一次设备的影响和二次设备的影响：

（１）负序对电力系统一次设备的影响。对发电机而言，在定子回路中有不平衡负荷时，将产生负序电流，负序电流经过定子绕组时，形成负序旋转磁场。负序旋转磁场会由于电磁感应及电磁力的作用在发电机相关部件形成附加电流和感应涡流、附加力矩，引起发电机出力减小、局部过热、破坏转子部件的机械强度，温度升高影响绝缘。对电动机而言，由于电动机的负序阻抗很小，电动机两端加以很小的负序电压就会引起很大的负序电流，导致电动机绕组铜损增大，引起局部过热而烧毁。此外，负序电流还会在定子绕组中产生与正序磁场相反的反向旋转磁场，使转子铁芯叠片中产生涡流，增大转子铁损、发热增加，并且反向旋转磁场会产生转子制动力使其出力减小。对变压器而言，不平衡电流的存在降低了变压器的额定出力，变压器的有效利用率降低。负序电流还会增加涡流损耗、引起变压器漏磁增加和局部过热等问题。负序电流的存在使线路的输送能力大为降低，并且增加了输电线路上的损耗。

（２）负序对电力系统二次设备的影响。对二次设备的影响主要是负序分量对继电保护装置的影响。以负序电流滤过器为启动元件的继电保护和自动装置，如发电机的负序电流保护装置、变压器的复合电压启动过电流保护装置、相差高频保护装置以及故障录波器等，当受到电气化铁路产生的大量负序流注入时，引起保护装置误动作，引发电力系统供电故障。此外，负序电流还会影响一些对电能质量要求较为严格的工业企业，比如ＩＴ产业、微电子芯片制造业等，负序电流的存在可能导致设备运行异常，产生不合格的产品或者错误数据，造成巨大的经济损失。

2 谐波及非线性

2.1 谐波的概念

对于周期为的非正弦电流（或者电压）ｉ（ωｔ），可分解为傅立叶级数：

其中，ｎ为自然数，ａ0为直流分量，ａｎ为第ｎ次谐波的幅值，ｎω为第ｎ次谐波角频率，

为第ｎ次谐波的初相角。ｎ＝１的分量成为基波，ｎ＞１的分量成为谐波。

总电流有效值的定义：

Irms：总电流有效值，Ｉｎ：亦为有效值。

谐波含量的定义：

谐波电流含有量等于各次谐波电流有效值平方和的根值，ＩＨ：电流的谐波含量，

关于某一次谐波百分占比：

第ｎ次谐波电流含有率表征各次谐波的比重，Ｉ１：基波电流有效值。

电流谐波总畸变率：

ＩＨ：电流谐波含量，Ｉ１：基波电流有效值。

非正弦电路的有功功率：

Ｕｎ：第ｎ次谐波电压有效值， Ｉｎ：第ｎ次谐波电流有效值，φn：第ｎ次谐波电压与第ｎ次谐波电流之间的相位差。

非正弦电路的视在功率：

非正弦电路的无功功率：

φn：某一次电压及电流相间相位之差值。

非正弦电路的畸变功率：

Ｓ：视在功率，Ｐ：有功功率，Qf：无功功率，

Qf描述系统里拥有相同频率，电压和电流存在无功量差值大小；Ｄ表示所占比例大小。

2.2 谐波的危害

对电网影响：由企业使用大范围大功率变频器、中央空调、节能灯具、ＵＰＳ等交直流转换电力电子仪器。由这些仪器使用而逆向送出高次谐波逆流汇流至高压供电网络，因供电网络固有的等效阻抗，流经的谐波电流会产生巨大的电压降，使得供电网远电源端电压降过大，往往拉低配电系统压降值，达不到终端企业和单位对电能质量需求；同时大量谐波电流进入电力系统，谐波电流扰动往往会使继电保护装置在无故障的情况下误动作，造成非计划大面积停电事故，这对供电部门和用户而言都将是巨大的损失。对生产设备的影响：谐波电流流入到生产设备，会严重威胁到设备的使用安全和寿命，因谐波导致过低的供电电压，电机无法正常顺利启动，其启动电流值会大大超越正常启动电流，致使电机线圈发热极为严重，进而烧毁电机。对电容器的影响：在配电系统里，电容本体会受到谐波产生的各种危害。对线路影响：主要有能够对通道线路可靠性构成干扰威胁。

2.3 典型交直交电力机车各次谐波含有量

交－直－交型传送型的动车谐诐频谱比较长，且含有的谐波次数都不高。已知ＣＲＨ２型列车组的奇次谐诐电流值都不大干２％。本次谐波计算依据典型交直交机车谐波电流含量和近期牵引变接入系统方案进行初步的谐波分析评估，待铁路部门提供详细的运行图和谐波特诐性测试结果后再进行校核。机车各次谐波含量参见表１。

交-直-交电流变化类型的牵引动车的谐波分布特点如下：

（１）采用脉冲宽度调制的整流器，交－直－交型牵引列车与采用晶闸管技术整流的交－直型牵引列车相比，其注入系统的奇次谐诐电流仅为交－直型牵引列车的１/３～１/４，然而当谐波频率ｆ＞１ ５００ Ｈｚ时，机车运行时注入电网的谐波明显增加。当频率较高时，难以通过滤波器有效滤除，这无疑成为电力系统中弱化谐波危害的难点之一。

（２）四象限整流器会产生直流分量以及频率较高的谐波分量。二次谐波分量将使三相异步电动机电流产生脉动，特别是当逆变器输出频率与谐波频率相近时，将使异步电动机产生严重的三相电压不平衡。

（３）谐波电流剧烈波动，其幅值取决于馈线电流大小，且具有日周期性。

2.4 非线性

由于电力机车的整流装置大量采用大功率电力电子器件，因此电铁负荷属于典型的电子开关负荷，其属性不是均匀线性变化的，将导致电压电流波形发生波形的畸变，造成大量谐波分量注入电网网架。当前谐波的注入已成为电铁负荷接入供电网络的一个重要电能质量指标。

交－直－交电力机车由几个主要部件构成，其中包括车辆装载变压器、变流系统、用于电力机车的牵动型电动机等，其变流系统由电压型四个象限组合的脉冲整流仪、直流转换器和逆变器构成。已知接触网中电流为２５ ｋＶ的单相工频交流，而机车的运行需要直流电供给，则可通过加装整流器得到。同理可知逆变器的作用，即是把直流逆变成三相交流，且交流电的Ｕ和ｆ都是可以调节的，以驱动异步牵动型电动机。直流环节主要由二次谐波滤波器、支撑电容和过电压保护回路构成，用以维持中间直流电压恒定。

３ 高铁列车的再生制动功能

列车运行时需要从电网汲取功率，是将电能转换为机车前进的动能的能量守恒转化过程。然后再生制动过程即是正常运行过程能量转换的反过程，即机车前行中产生的动能转变为电能的过程。这部分电能可以直接输送到电网中去，为其他符合提供电能，或者使用储备装置先储存起来，以供不时之需。再生制动的开发可以充分利用电网供给的能量，当列车在刹车减速的过程中利用再生制动功能实现耗能的最大优化，实现能源利用率以及经济性最优化。

目前我国高铁机车基本使用交型牵动电动机、交－直－交转化变动方式、绝缘栅双极型晶体管牵导换流器等较成熟的技术。可逆变状态是牵引机车的再生制动的理论基础。

机车在制动过程中形成的功率以受电弓为接触媒介反馈至与电力系统相连的接触网络中。这部分功率首先储存在接触网其中一个供电臂中，当另一辆列车通过时即释放储存的电能，或者以一定的电压电流大小反馈至电网网架中。再生制动技术的使用能够避免对轮两铁道踩面或机车减速盘造成消耗损害。

４ 冲击性与波动性

高铁电气化铁路具有高速运行、电压电流幅值振荡明显且振动频度高等特点，属于最具代表性的日波动型用电客户。机车在行驶过程中有加速、制动等各种工况，同时受牵引重量、机车类型、线路坡度、曲率、风阻、追踪间隔时间，以及牵动引导变电站中功率配给方案等多种因素影响。综上所述，牵引负荷呈现出显著不确定性波动属性。

高铁负荷的列车功率呈现明显的不对称性、波动性和冲击性，且随时间无规则变化。

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参考文献

１ Ｍｙｅｒｓ Ｃ，Ｒａｂｉｎｅｒ Ｌ Ｒ，Ｒｏｓｅｎｂｅｒｇ Ａ Ｅ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｒａｄｅｏｆｆｓ ｉｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｉｍｅ ｗａｒｐｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ ｉｓｏｌａｔｅｄ ｗｏｒｄ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，Ｓｐｅｅｃｈ，ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，１９８０（６）

２ Ｒａｂｉｎｅｒ Ｌ Ｒ．Ｒｏｓｅｎｂｅｒｇ Ａ Ｅ，Ｌｅｖｉｎｓｏｎ Ｓ Ｅ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｉｍｅ ｗａｒｐｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｗｏｒｄ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，Ｓｐｅｅｃｈ，ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，１９７８（６）

３ 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（8）

４ Ｘ． Ｈｕａｎｇ， Ｌ． Ｚｈａｎｇ， Ｍ． Ｈｅ， Ｘ． Ｙｏｕ， ａｎｄ Ｑ． Ｚｈｅｎｇ， Ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｕｓｅｄ ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ，ｉｎ Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ ６ｔｈ Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ， Ｍａｙ， ２００９

５ 梁有伟，胡志坚，陈允平．分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述［Ｊ］．电网技术，２００３（１２）

６ 林海雪．现代电能质量的基本问题［Ｊ］．电网技术，２００１（１０）

（责任编辑 晓 天）