学文网摘 要：在电气化铁路中，其牵引负荷是一种大功率的单相非线性负荷，它具有不对称和波动的特点并由此产生的负序和谐波等一系列问题对电力系统造成一定的影响。本文从谐波，负序电流，功率因数，电压波动等方面入手，通过分析它们产生的原因及相应的危害，利用解析计算和PSCAD实例仿真进行比较，找出解决措施，最终确保电力系统稳定运行。
关键词：电气化铁路；电力系统；谐波；负序电流；PSCAD仿真
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.21.150
0 引言
随着我国工业化的脚步不断加大，我国电气化铁路近年来飞速发展，它的运量已占铁路总运量的70%。随着牵引负荷的不断增多，它在整个电力系统负荷中的比重也不断加大。因此，它对电力系统的影响也更明显。那么，如何全面，客观地分析电气化铁路对电力系统的影响，并针对不利影响提出相应的抑制措施，从而使电力系统免于受到电气化铁路牵引负荷所带来的冲击，是我们面临的重要议题。本文将从谐波，负序，功率因数，电压波动等方面研究电气化铁路对电力系统造成的影响，并通过分析计算和PSCAD进行仿真，最终提出改进措施和建议，确保电力系统安全稳定的运行。
1 电气化铁路对电力系统的影响
总的来说电气化铁路对供电系统的影响存在4个方面的问题：谐波；三相不平衡（即负序电流的影响）；功率因数低；电压波动大。我国目前***运行电力机车是一种单相大功率整流负荷，而且运行具有很大的随机性，这样在运行过程中就会产生大量的谐波与负序电流，其通过牵引变电站，就会注入电力系统。这不仅使电力系统损耗增大、能量损失增加、降低容量利用率，同时也对电网电能质量造成一定的影响，威胁电力系统的稳定、安全、经济运行。
1.1 谐波的影响
作为牵引供电系统中一处较大的谐波源，电力机车因其类型不同，产生的波形畸变不同，因此谐波含有率也不同。谐波电流的大小同时也与基波电流有关，而基波电流决定于牵引负荷，依据经验可用公式表示为：；式中I1为基波电流，In 为n次谐波电流，n为谐波次数。
1.2 负序电流的影响
负序电流产生影响的大小取决于两方面：一是电力系统设备容量大小和运行方式；二是牵引供电系统的负荷大小和运行方式。
1.3 电力牵引负荷的功率因数
电力牵引负荷多为感性负荷，因此其功率因数一般较低。线路上运行的整流型电力机车的平均功率因数约为 0.8～0.85。除此以外，由于牵引网本身带有阻抗，受其影响牵引负荷网上的有功和无功损失之比远小于 1， 这又要降低功率因数一到五个百分点。同理，由于受到牵引变压器阻抗的影响，牵引变电站高压侧的功率因数还要降低 0.05左右。
1.4 电压波动
依据电气化铁路的特点可知，其负荷多为单相、移动、幅值频繁剧烈变化的特殊负荷。列车每天按规定线路运行，电气化铁路日负荷波动情况与线路情况、机车类型、机车速度和牵引重量及运行线路***等多种因素有关，所以系统具有很大的波动特性。
2 PSCAD仿真分析
利用该软件仿真当电力机车接入牵引网，准备运行时对供电电压造成的影响。在这里电力机车采用SS4型交直电力机车，牵引变电站对电力机车采用阻抗匹配平衡牵引变压器。仿真模型如***1所示。
通过***形比较我们可看到电力机车作为大功率的含有整流电路的非线性元件，对电力系统稳定性的影响是如此之大。必须采取相应的措施确保电力系统的稳定性。
3 抑制措施
3.1 抑制电铁谐波的主要措施
（1）使变流器多脉冲化，一方面可以使谐波的次数减少，另一方面也使谐波含量也大大减少，进而能够大幅减少流入系统的谐波电流。（2）借助整流变压器绕组移项来抑制高次谐波。（3）保证铁路生产、生活用电与电铁供电严格分开，电铁牵引变专线用电。（4）在电力机车上安装 3、5、7 次滤波装置和有源滤波器。在电铁牵引两个供电臂均安装滤波器，同时调节两个供电臂中的有功电流，从轻载相到重载相转移部分有功电流，保证两供电臂负载平衡。
3.2 降低和限制负序电流的措施
（1）能够合理安排线路上的列车运行，促使负载能够近似均衡分布在电铁沿线。（2）在牵引变电站高压侧接入系统中采用换相连接。但此方法会造成电网中负序电流波动。同时由于必须在电网中使用电分相，既影响电力机车的提速，又降低供电的可靠性。（3）使用专用的高对称效应变压器，促使变电所三相负载均衡。（4）对牵引站供电电源作合理安排，使每一个保证有主供电电源和备用电源，进而避免牵引站产生的负序电流过于集中。（5）采用对称补偿技术。
3.3 提高功率因数
铁路上一般采用在电铁牵引变电所安装两组不可调并联电容补偿装置来分别补偿两个供电臂牵引负荷，进而提高电铁负荷功率因数。但由于牵引负荷为间歇性负荷，负荷变化大，电容补偿不能自动追踪补偿，就会影响功率因数的提高。目前在建的或已建的高铁线路多采用较先进的动态无功补偿方式，如静止无功补偿器、静止无功发生器等等。
4 结束语
随着电气化铁路的不断发展，我国对于交-直-交型电力机车的使用越来越多。这种电力机车的功率因数相对较高，所含的谐波相对较少，对电力系统造成的影响就相对较小 。另外随着技术的不断发展，电力系统也在不断完善，再加上，我们采取的一系列补救措施，最终使电铁对电力系统的影响控制在合理范围内，保证电力系统安全运行。
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作者简介：朱二中（1985-），男，江苏徐州人，助理工程师，研究方向：铁道电气化。
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