电气化铁路对电网谐波影响及抑制措施分析

路亚宾 韩金雷

摘要：随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，铁路运输出行成为重要的交通工具。而电气化铁路对电网谐波影响危及电力用户的用电安全。在生产生活中，必须对电网进行谐波治理，消除或者减小谐波对电网的影响，保障电力设备的可靠运行。如今随着电力机车的广泛应用，电力机车产生的谐波分量已经对电网造成很大的影响。本文从电气化铁路的特点出发，对电力谐波的产生原因和抑制措施进行了分析。

关键词：电气化铁路；电网谐波；影响及措施

引言

作为一种非线性负荷的电气化铁路牵引机车，会将大量的谐波电流注入到牵引供电系统和电网中，严重地影响了电网的电能质量，降低了电网供电的可靠性，从而造成巨大的经济损失并带来一定的安全问题。针对电气化铁路给电网带来的谐波污染问题，利用电力电气软件分析系统ETAP建立了区域电网仿真模型，对此进行谐波仿真潮流计算，根据仿真得到的数据，分析了电气化铁路对电网产生谐波的影响因素以及加装滤波装置后对谐波产生的抑制效果。

一、电气化铁路对電网谐波影响概述

电气化铁路牵引负荷是移动、幅值变化大而又频繁的特殊负荷，它是一个典型的日波动负荷，具有短时冲击负荷、不平衡负荷特性，同时含有丰富的谐波，是一个谐波电流源。电气化铁路对电网的影响主要是负序和谐波电流两项影响的综合。对发电机的影响对邻近牵引变电所而远离（指电气距离）电源的异步电动机，其定子绕组为敏感部位。同时还将在电动机中产生一反向旋转磁场，此反向磁场对电动机转子起制动作用，影响其出力。在谐波和负序电流的共同影响下，国内曾发生多起定子绕组过热烧毁事故。对输电线路的影响谐波使网损增大，在发生系统谐振或谐波放大的情况下，谐波网损可达到相当大的程度。负序电流流过电网时，它并不作功，只是降低了电力线路的输送能力。对继电保护和自动装置的影响电力机车的开停次数多。而且行进中每当通过无电区要先跳闸再合闸。从而频繁引起变压器涌流，产生较大的暂态谐波与负序，这是引起电网继电保护和自动装置负序启动元件误启动的主要原因。谐波致使误动的情况的多是装于馈供谐波严重超规定的若干电气化铁道负荷的110kV供电系统中，尤其以下述3类情况误动最频繁，有的最大达每日百次以上。①馈供电气化铁路的110kV线路距离保护的相电流突变量或负序启动元件频繁启动。在保护阻抗元件不动作条件下，可把距离保护闭锁住。在保护闭锁期间，若保护区域发生故障，则该保护装置就会拒动，从而引起越级跳闸而扩大事故。②线路距离保护的负序启动振荡闭锁装置频繁开启，会导致在系统振荡或其他偶然因素的配合下（如TV失压）构成跳闸条件，引起整套保护误动，主变或线路跳闸。至于线路、变压器、母差保护与自动装置在谐波影响下动作或拒动，则属于不正确动作。对电能计量的影响对电气化铁路而言，基波功率为其有效功率，谐波功率为其向电网注入的有害功率——谐波网损。目前常用的电能计量表计为：感应式电能表、电子式电能表。感应式电能表的频率范围狭窄，所计量的电能值是基波电能与各次谐波电能的“部分”矢量之和。电子式电能表在1kHz以内频响特性较好，所计量的电能值是基波电能与各次谐波（1kHz以内）电能的矢量之和。电网中常用的计量方式为：电能表准确反映实际电能，即基波与谐波的综合电能。

二、谐波的产生原因

（一）电子开关型

主要是各种可控硅整流设备和晶闸管双向可控开关装置。这种类型的设备广泛存在于在电气化铁路、冶金企业和很多家用电器中。

（二）磁场饱和型

是各种线圈设备，如电力变压器、电磁铁、变压器和电抗器等。在电力电子设备推广之前，发电机和变压器是电力系统中最主要的谐波发生源。

（三）电弧炉

在中频炉和低频炉炼钢的电炉熔炼初期和交流电焊机的焊接过程中，电弧的剧烈变动产生了大量非线性分量，并且由于电弧的不稳定性和波动性，造成电网谐波的构成非常复杂，并且随负载大小和时间的变化而变化。

三、电气化铁路的谐波抑制措施

（一）主动抑制

从谐波发生设备本身入手，避免或者降低设备谐波分量的产生。具体措施有：研发新型整流设备，保证其谐波分量为零且运行功率因数为1。这种整流设备被称为单位功率因数整流器。即通过调整脉宽校正功率因数的整流电路，在开关电源等中小功率整流设备中已经得到推广；另外，多脉冲整流电路在电解电源等大功率整流设备中已经得到广泛使用。

（二）被动抑制

在电力系统中加装滤波设备，防止谐波分量进入电网，或者阻止谐波分量进入用电设备。即通过加装无源电力滤波设备、有源电力滤波设备或者混合型电力滤波设备进行谐波治理。依靠滤波设备对谐波分量进行抑制吸收，降低或者消除谐波污染。

（三）混合型电力滤波设备

混合型电力滤波设备结合了静态无源滤波设备和有源滤波设备的优点，根据系统实际运行情况，对两种设备进行了合理的整合使用。即部分容量采用无源滤波补偿的方式，另外依靠有源滤波设备对欠补偿容量进行补充。一方面，部分容量采用静态滤波无功补偿，使设备整体投资对比有源滤波大大降低，同时剩余容量采用动态滤波，使补偿设备应变能力相对静态滤波补偿设备大大增加。

（四）有源电力滤波设备

有源电力滤波设备是通过处理器控制，对系统谐波和无功进行实时适量补偿的新型滤波补偿设备，这种设备可以通过传感器对实时检测系统的谐波分量和功率因数，通过高速处理器对信息进行快速分析处理，控制设备的导通角度，从而实现对系统进行实时、精确滤波补偿。

结语

由于电网谐波危害的严重性，谐波已经成为人们关注的焦点性问题。随着电气化铁路的大力推广，电气化铁路经成为谐波的重要发生源之一，而且有着与电网常规谐波分量不一样的特性。要准确了解电气化铁路谐波对电网的影响必须对电气化铁路谐波进行深入的分析和研究。针对系统各部分谐波的特点，科学选择谐波治理措施，消除谐波，降低谐波对系统的影响，避免谐波造成的事故的发生，保障铁路系统的可靠运行。

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