电气化铁路对电力系统的影响分析

范旋

（中国神华能源股份有限公司神朔铁路分公司，陕西神木719300）

1 引言

电气化机车中没有自带很重的引擎以及燃料，其能量由铁路动力系统提供，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。其中，牵引变电站可以恢复高压输电线路的高压电流,然后输送到铁路的空中联络网，用弧线牵引电力机车，从而带动车辆行驶。电气化铁路是伴随着电力机车的出现而产生的，电气化铁路具有节省能源的优势，其热效率可以达到20%～26%，在运输能力、功率以及牵引量等方面有较大的优势。除此之外，还具有维修少、噪声小、资源消耗少等优势。

2 电力系统分析

一个完整的电力系统由发电厂、升压和降压变电所、输电线路及电力用户组成，它们分别完成电能的生产、电压变换、电能的输配及使用[1]。电气系统是电能生产和消耗系统。在各个工业部门，电气系统是最大、最复杂的实时物理系统，其功能是通过发电将自然一次能源转化为电能，然后通过运输、加工和配送为各用户提供电能。为了实现此功能，电气系统还具有位于不同级别和链接的相应信息和控制系统，以测量、调整、控制、保护、通信和分配生产过程。

3 电气铁路和电力供应

3.1 电力线路基础概念

电力线路是指在发电厂、变电站和电力用户间用来传送电能的线路。它是电气化铁路的重要组成部分，担负着输送和分配电能的任务。

3.2 谐波对电力系统的影响

谐波电流对电力系统有很大的影响，会引起谐振并损坏无功功率电容器组。电力机车是电力牵引系统中最重要的谐波源，其谐波含量是最重要的电气性能指标之一。电力机车具有非常低的基本功率，是电力牵引系统的感性负载，并且谐波的存在降低了总功率因数。

在电力系统中，网络节点是交错的，有功功率流、无功功率流、高次谐波和反向电流以光速传输到整个系统，不仅可以传递巨大的力量，还可以立即引起重大的灾难性事故。为了确保系统安全、稳定和经济地运行，必须根据不同的要求在电力系统中配置各种自动控制和通信系统，以形成信息和控制子系统。子系统电气系统的信息和控制是神经元网络，用于在电气系统中传递信息，从而对电力系统进行观察和控制，并且便于在发生事故时进行应急处理。从电气系统的诞生开始，信息和控制子系统就成为电气系统的重要组成部分。影响电网的安全性，可靠性和稳定性，导致正常停电，电网破裂和事故扩大。另外，还会引起严重的问题，例如，设备寿命缩短，电网中的功率损耗增加，接地保护异常，远程控制故障以及线路和设备过热。增加附近磁场的干扰，影响电子仪器和通讯系统的正常运行，会引起局部串联或并联谐振，损坏电压和其他设备，延长灭弧时间，并影响断路器的分断能力。

4 电气化铁路对铁路运输的影响

电气化铁路网的高谐波含量、低功率因数和负序连续性严重影响了电气化铁路的发展。电气化铁路的电力牵引是一种没有能量的电力机车，所需的能量由电牵引系统提供。牵引力供应系统主要涉及牵引力站和接触网。变电站位于铁路线附近，通过高压传输线路将电力从工厂输送到铁路线上的悬链线。悬链线是直接将电能提供给电力机车的设备。电气化铁路是从外部牵引力和能源系统获取电能并被电力机车牵引的铁路，包括电力机车、维修设施、牵引动力系统、各种电器和通信、信号和其他铁路运输设备[2]。电气化铁路是一种现代化的铁路运输方式，它比传统的铁路具有技术和经济优势。由于电力机车由外部电源供电，不需要自己的电源，可减小轻质量，因此，在每个轴的相同负载下，机车功率高，牵引力大，速度快，运输能力大大提高，节能降耗。铁路运输是国家一级的主要能源消耗。因此，牵引方式的选择对合理利用能源具有重要意义。

5 电气化铁路对电气系统的影响

5.1 对发电机的影响

涡轮发电机转子是敏感部件，因为涡轮发电机转子的谐波和负温升大于定子，因此，过热事故会损坏转子组件的安装表面，并且当顺序反向电流流过发电机时，会产生反向磁场。该反向磁场产生反向同步转矩，该反向同步转矩产生附加振动。谐波还会在电动机中引起振动和噪声，而长期的振动会导致金属疲劳和机械损坏。对于靠近牵引站且远离电源（电动遥控器）的异步电动机，应将定子绕组缠绕在敏感位置，具有结构简单、制造方便、价格便宜、运行方便等特点，对驱动球磨机、压缩机等大功率、低转速的机械设备，常采用同步电机。

5.2 对电力变压器的影响

谐波电流会在变压器绕组中产生额外损耗，导致外壳、外部硅钢板和某些紧固件过热以及局部过热，从而加速变压器的老化,并影响其使用。使三相电流不对称，当最大一相电流达到额定值或允许过载值时，较小的两相电流还小于该值，从而使变压器容量利用率下降。负序电流造成变压器的附加电能损失，并在变压器铁芯磁路中造成附加发热。另外，三相电源系统的反向电流不平衡，导致变压器额定输出不足（变压器容量降低）。

5.3 对输电线路的影响

我国目前在线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，这样在运行过程中会产生大量的谐波与负序电流，其通过牵引变电站会注入电力系统，不仅会使电力系统损耗増大、能量损失巨大、降低容量利用率，还会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。

6 结语

铁路和电力是国家的2 个重要基础设施，肩负着促进国民经济的健康、快速发展并满足广大人口不断增长的需求的责任。电力铁路的供电不仅取决于牵引电力系统的供电能力和质量，还影响着电网能量的质量以及电网运行的安全可靠，需要深入研究和科学决策。相关部门应加强与能源部门的沟通和协商，并根据国家的整体情况，共同研究制定合理的供电计划和质量控制措施。电气化铁路用电，促进铁路与能源协调发展，为提高人们的生活水平做出更大贡献。