电气化铁路并网对电能质量的影响分析概论

电气化铁路并网对电能质量的影响分析电气化铁路对国民经济发展和社会进步具有重要意义。

然而，电力机车负荷的非线性、不对称、冲击性等特点，引发了电力系统谐波、负序电流以及电压波动和闪变等电能质量问题，降低了电力系统的供电质量，影响电力系统的安全和经济运行。

传统电气化铁路采用交-直型电力机车，会产生较高的谐波，且功率因数较低。

与传统电气化铁路相比，高速铁路具有牵引负荷大、可靠性要求高、负荷波动频繁、列车负载率高、受电时间长等特点，对牵引站容量和电网配套供电能力提出更高的要求。

牵引供电负荷采用交-直-交型电力机车，功率因数接近1，无功的影响相对交-直型电力机车有所改善。

但由于仍采用了大量整流、逆变等电力电子器件，因此不可避免地还会产生一定的谐波电流注入公共电网。

此外，由于高速铁路牵引供电负荷牵引功率大幅提高，且负荷单相供电，将产生大量的负序电流，导致公共电网的三相不平衡。

因此,高速铁路对电力系统电能质量的影响主要是谐波和负序的问题。

负序电流使发电机产生转子附加损耗与发热和附加振动，使电力系统中以负序分量启动的继电保护装置误动作，增加变压器的附加量损失和发热等，严重影响电力系统的安全稳定运行。

谐波电流给发电机、变压器电力设备带来额外功率损耗，引起继电保护装置误动或拒动，降低了电力系统的可靠性。

一、电气化铁路供电系统电气化铁路供电系统（power supply system for electrified railway）由电力系统经高压输电、牵引变电所降压、变相或换流等环节，向电气化铁路运行的电力机车、动车组输送电力的全部供电系统，系统结构图见图1。

电气化铁路供电系统通常包括两大部分，即对沿线，牵引变电所输送电力的外部供电系统，以及从牵引变电所经降压、变相或换流（转换为直流电）后，向电力机车、动车组供电的变、直流牵引供电系统。

供电方式有：直接供电方式、带回流线的直接供电方式、BT供电方式、AT供电方式和CC供电方式。

图1 电气化铁路供电系统结构图1 直接供电方式直接供电方式如图2所示，牵引网由接触网和钢轨组成，具有回路简单、成本低等特点。

但是由于负荷电流经钢轨流入大地，会对通讯线路产生干扰，而且牵引网末端的供电电压比较低。

图2 直接供电方式示意图2 带回流线的直接供电方式带回流线的直接供电方式如图3所示，牵引网由接触网、钢轨和回流线组成。

回流线架设在接触网支柱上，与钢轨并联。

回流线与接触线之间距离尽可能小，从而增加两者之间的互感，使经钢轨回流到牵引变电所的电流多数经过回流线回流到牵引变电所，降低对通信线路的影响。

图3 带回流线的直接供电方式示意图3 BT供电方式BT供电方式如图4所示，相对于带回流线的直接供电方式，增加了吸流变压器。

吸流变压器原边串联接入接触网，次边串联接入回流线。

两个吸流变压器之间通过吸上线将钢轨和回流线连接起来，吸上线为机车电流流向回流线提供了通路。

由于吸流变压器的电磁作用，当吸流变压器原边流过机车电流时，会在副边产生很大的互感电势，迫使流经钢轨的大部分电流经过吸上线流到回流线中，返回牵引变电所，同样可以减小对通讯线路的干扰。

但是安装吸流变压器会使牵引网单位长度阻抗增加，加大供电电压损失和电流损失，而且吸流变压器会造成接触网分段，产生电弧，在高速运行及负荷较大时更为严重。

图4 BT供电方式示意图4 AT供电方式AT供电方式如图5所示，将自耦变压器并联接入接触网、钢轨和正馈线之中。

这种供电方式在接触线与正馈线之间每隔一定距离并联接入一台自耦变压器，中性点与钢轨连结，正馈线与接触悬挂同杆架设。

电力机车由接触线受电后，由于自稱变压器的作用，牵引电流经自耦变压器绕组和正馈线（PF）流回牵引变电所。

由于电流在接触线和正馈线中方向相反，因而可以减小对邻近的通信线路的干扰。

牵引网中保护线（PW）和钢轨（R）并联，同时在AT处实现钢轨、保护线和AT中点的连接。

设置保护线除了可以提高信号轨道电路的工作可靠性，当牵引网发生短路故障时，还可以为短路电流提供一条良好的通路，便于继电保护动作。

有时为了降低钢轨对地电位，需要对保护线和钢轨进行辅助连接（CPW）。

鉴于AT供电方式的优点，我国拟修建的运营时速在300km/h及以上的客运专线将主要采用AT供电方式。

图5 AT供电方式示意图5 CC供电方式CC供电方式如图6所示，这种供电方式是沿铁路线路埋设同轴电力电缆，其内部芯线作为供电线与接触网连接，外部导体作为回流线与钢轨相接，牵引电流和回流几乎全部经由同轴电力电缆中流过，因此对邻近的通讯线路几乎无干扰。

它的特点是阻抗小、供电距离长，但同轴电力电缆造价高、投资大。

图6 CC 供电方式示意图二、电气化铁路电能质量问题电力牵引机车分为直流传动电力机车和交流传动电力机车两类。

直流传动机车采用基于晶闸管功率器件的整流电路进行控制，功率因数低、谐波含量大。

交流传动机车采用基于全控型功率开关器件的脉宽调制技术（PWM ）控制方式，提高了电力机车负荷的功率因数，并有效降低电力机车产生的低次谐波电流，但产生频谱分布较广的少量高次谐波。

电气化铁路牵引网的供电方式为单相供电，无论牵引网采用的是直流驱动电力机车还是交流驱动电力机车，都不可避免地在牵引所高压三相侧产生电流不平衡，向上级电力系统注入负序电流。

因此，直流驱动电力机车的牵引网的电能质量问题主要为负序、无功和谐波；交流驱动电力机车的牵引网的电能质量问题主要为负序。

1 交直电力机车牵引供电网及其电能质量问题我国交直电力机车牵引供电网的牵引变压器从电网110kV 或220kV 取电，一般采用V/v 接线、阻抗匹配平衡变压器、斯科特（Scott ）等牵引变压器将三相电变为两个额定电压为27.5kV 、频率为50Hz 的单相电源给电力机车供电。

韶山4系列（SSIV ）直流机车的电路图如图7所示。

图中，D1～D4为电力二极管，T1～T6为晶闸管。

机车降压变压器将27.5kV 供电臂电压变换为若干段单相电压，其中图7中二次侧电压的数量关系为a1122111122x a x Ua b b x U U U ===。

通过不同的方式控制晶闸管的通断，可分成四个工作段，实现直流侧电压0d U （d U 为整流电路输出的最大直流电压）连续可调，从而实现直流电机的平滑调速控制。

图7 直流机车的电路图由于采用晶闸管控制方式，机车负载产生大量的谐波电流，其中以3次、5次、7次、9次、11次等奇次谐波为主，总电流畸变率高达20%以上。

并且功率因数偏低，约为0.8。

同时，由于单相负荷供电的特性，在三相侧将产生负序电流，图8、图9为机车负载的电流仿真波形。

图8 供电臂侧电流图9 供电臂侧电流频谱2 高速铁路牵引供电网及其电能质量问题由于直流机车在较高速度运行时，功率输出受到限制，满足不了高速、重载铁路运输的要求。

为提高铁路运输能力，缓解交通压力，基于交流传动技术的高速机车应运而生。

高速铁路采用AT（自耦变压器）供电方式，如图10所示，一般采用1:1绕组的自耦变压器，每隔10～15公里在接触网和正馈线之间接入一台，自耦变压器的中性点与钢轨相连。

相对于直接供电方式、BT供电方式等传统供电方式，其优点是利用自耦变压器将牵引网供电电压提高1倍，增大了牵引网输电线路长度，牵引阻抗小，供电臂电压降小。

AT供电方式一般用于重载、高速电气化铁路。

图10 高速铁路AT（自耦变压器）供电方式高速电力牵引机车采用交流异步电机，一般采用交直交四象限脉冲整流方式给交流拖动电机供电，其原理如图11所示。

这种四象限脉冲整流器能使一般情况下负载电流与供电臂电压相位基本一致，功率因数接近1。

同时，大大减小了低次谐波含量，但高频谐波含量丰富，频带较宽。

图12为高速铁路牵引网电力机车负载电流仿真波形。

由于电力机车负荷具有冲击性，电压波动与闪变也伴随其产生。

因高速铁路电力机车的功率大，其产生的负序较普通电气化铁路更为严重。

图11 交流机车交直交整流电路图12 高速铁路牵引网电力机车负载电流三、电气化铁路牵引负荷电能质量特性电气化铁路牵引负荷是波动性很大的大功率单相整流负荷，具有不对称、非线性、波动性和功率大的特点。

它与线路条件、机车类型、牵引重量以及运行状态（如速度、加速度、正常运转、滑行与制动）等多种因素紧密相联，而这些影响因素又具有随机性和日波动性。

1 谐波特性电气化铁路牵引负荷是直接接入高压电力系统的大宗负荷,其产生的谐波直接注入高压电力系统。

牵引负荷与一般负荷的最大区别是它的不对称性和随机波动性，其产生的谐波也区别于一般负荷产生的谐波，具有如下特点：（1）特征谐波不同；（2）谐波初相角分布广泛；（3）谐波幅值随机剧烈波动；（4）谐波电流直接从110kV或220kV电压等级注入电网。

从谐波次数上看，普通电力系统中常含有5次以上的奇次谐波，其中又以5次谐波含量最高。

电气化铁路牵引负荷产生的谐波则不同，直流机车的谐波以3次为主，其余奇次谐波依次衰减，并且不同于普通系统中的缓慢衰减，其衰减速度很快，到15次一般衰减至1%以下，而普通系统中17次谐波的含有率一般高于3.5%。

交直交型的电力机车由于电力电子器件的高频开关，通常含有一定量的高次谐波，而总量较小。

从初相角的分布来看，电气化铁路中的各次谐波分布呈现随机性，而普通系统谐波的初相角更容易掌握，其范围更多是由谐波次数决定。

而电气化负荷的特殊性决定其谐波幅值的变化具有波动性和周期性，谐波电流的峰值持续时间较短，不到半分钟。

由于牵引站与大电网系统通过110kV或者220kV的公共连接点相连，因此谐波电流将通过该点注入并进一步影响到更高或更低的电压等级，从而对电源部分和配电其他支路产生影响，但值得注意的是，不同于大多数从电网末端来的一般电力谐波，电气化铁路的谐波的影响程度会随电压等级的变化逐级减小，从而不会直接影响中、低压等级的电气设备。

电气化铁路的基本负荷电力机车需要通过牵引站与公用电网相连，电能从高压侧传输至低压侧并供给电力机车，而谐波又反过来通过馈电线汇总到站内并注入系统，因此牵引变和接触网都是谐波注入的重要流经途径，其不同的规模参数、接线形式和电压等级都将增加电气化铁路谐波的复杂程度。

2 负序特性电气化铁路牵引负荷是大功率单相整流负荷，当三相电力系统向它供电时，它将向电力系统注入大量的负序电流。

拓扑结构的不对称，是电气化铁路对电网电能质量产生各种不利影响的根本原因，加上单相牵引负荷的独立性和随机波动性，使其返回系统的负序问题十分复杂。

电能由原本公共电网中的三相电通过牵引变电站中的变压器转换为向单相负荷供电，因此牵引变压器的不同接线方式都将引起不同的负序电流，从而造成不同的负序特性，这一特性的衡量与一般电力系统基本相同，均通过电压不平衡度来体现。