电气化铁路牵引供电系统存在问题及对策

1．前言

铁路牵引供电系统由牵引变电所和接触网构成。基本的运作方式是通过牵引变电所将电力系统经过高压输电线输来的电能进行降压和变流后再输送给接触网，以此供给沿线路行驶的电力机车。牵引变电所的作用是把一次供电系统送来的三相交流高压电能转换成较低电压的能够满足电力机车使用要求的电能。接触网则是沿电气化铁道线路架空敷设的输电网，它和电力机车受电弓的滑动接触把牵引变电所送来的电流输送给电力机车。

2．牵引供电问题分析

2．1无功功率

电力机车是一个具有随机变化特点的感性负载，它的基波电流会滞后电压一定角度，由于变压器、牵引电机这些设备的非线性，加上电力电子器件非线性的调节作用，导致机车的电流中包含大量在三相供电系统中的不对称分布的谐波成分。牵引负载功率大、时间和空间分布随机性强以及三相不对称的特点导致牵引供电系统成为电力系统中主要的无功源。供电系统无功功率产生的危害主要表现在以下四个方面：

（1）使供电线路中无功功率的有功损耗增加，供电线路、变送电设备以及其他用电设备发热程度增加。

（2）增加无功功率会使电流增大，从而使得发电机、变压器以及其他电气设备和导线的容量增加。

（3）由于变送电设备负荷容量中，增加了无功容量。导致变送电设备有功输出的容量降低。

2．2负序电流

我国的电气化铁路是通过三相电力系统经牵引变压器将l10kV(或者220kV)电压降压为27．5kV(或者55kV)后向牵引网和电力机车进行单相供电。因为牵引变压器不对称的供电方式，必然会在电力系统中造成负序电流，从而对供用电设备产生一系列危害，例如发电机转子升温幅度增大，引起附加振动，变压器能量损失增多，在铁心磁路中会产生附加发热；输电线中能量损失增多，降低线路的输送能力，继电保护与自动装置负序参量启动元件误动作增多等。

2．3谐波电流

电力系统所产生的谐波和其它整流负荷所产生的谐波一样，给电力系统及用户带来巨大的危害。特别是在牵引负荷与波动性方面，具有负荷功率大、波动性强的特点，这些危害表现得尤为突出。主要体现在以下三个方面：

(1)谐波会增加公共电网中各元件的谐波耗损，从而降低用电、输电、发电设备的效率，过量三次谐波还会导致线路过热从而引发火灾。

(2)谐波会影响各种电气设备进行正常工作，对电机造成的影响除了产生附加耗损外，还会引起机械振动、噪声及过电压，从而导致变压器局部过热。另外，谐波会对电容器、电缆等电力设备产生过热、绝缘老化、寿命缩短的影响。

(3)谐波会使得公共电网中产生局部并联谐振与串联谐振，使谐波放大，从而使(1)、(2)两点的危害更加突出，甚至引起严重的安全事故。

3．牵引供电系统问题的对策

3．1针对无功功率的解决方案

(1)为提高机车的功率因数，可以在机车上配备校正功率因数的装置，这样就能得到很好的效果。

(2)在“交一直一交”机车与“交一直”机车上，若整流环节采用的是四象限PWM 整流器，则可以令机车输入电流的基波和电压同相位，这样可以从根本上消除功率因数的问题。

(3)对于机车产生的无功功率，采用就近补偿的方式，通常在牵引变电所将无源、有源以及两者结合的混合补偿方式进行相互补偿。

3．2针对负序电流的解决方案

(1)采用STATCOM补偿的方式。相对于SVC，STATCOM 具有速度快、工作效率高、谐波输出含量小、负荷率适应性好等优点。特别是两相结构的STATCOM，它不仅可以实现有功功率、无功功率的四象限控制，还可以在对变电所的两供电臂进行无功动态补偿时，调节两供电臂有功潮流，从而实现负荷的动态平衡。

(2)牵引变电所的电源等级统一采用220kV。采用220kV的系统，由于电网的供电能力较高，负序电流的问题能够得以缓解。(3)牵引变电所进行换相联接。为了减轻进入电力系统整体的负序分量，不同接线的牵引变电所可以实行换相联接。(4)在变电站安装同期调相机，其功能可以允许承受较大的负序电流，从而负序阻抗较低，并且具有良好的防震性。

3．3针对谐波电流的解决方案

(1)避免电容器放大谐波。可以改变电容器中的串联电抗器，或者把电容器组的一些支路改成滤波器，或者对电容器组的投入容量进行限定，这样可以有效地防止电容器对谐波进行放大，同时也保证了电容器组的运行安全。

(2)调整谐波源的配置或者工作方式 若某些装置对谐波具有互补性，可将它们集中。否则应当适当分散或者对其交替使用，对于会产生大量谐波的工作方式应适当限制。

(3)运用多重化技术。几个交流器联合使用，运用多重化技术把多个方波进行叠加，用以消除较低频率的谐波。

(4)谐波叠加注入。可以利用具有三次倍数的谐波与外部的具有三次倍数的谐波源，将谐波电流叠加到生成的矩形波形上，这样可以有效降低给定运行点处的一些谐波。

3．4实现三相平衡

从以上的分析中我们可以看到，很多问题是由牵引供电系统中三相不平衡导致的。要缓解这一问题，可以利用相序轮换技术，使得牵引供电系统的公共接入点能够三相平衡。这个方案的基本思路是沿着铁道线路把接触网分成若干个供电区，各部分各自由电力系统的三相供电。如果各相所接供电区的负载和相等，同时功率因数相等，那么电力系统的三相电流就可以达到平衡的状态。

本文对电气化铁路牵引供电系统相关问题进行了浅显的分析，并且提出了一些解决方案。但是治理铁路牵引供电的问题需要在实践中不断的摸索，相信随着我国铁路的高速发展，从业者会积累更多的经验，找到更为有效的解决问题的途径。