交流電氣化鐵道的負(fù)序電流對電力系統(tǒng)的影響及整改措施

李松楠

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林132200）

目前，我國電氣化鐵路的供電是沿線路建立若干個牽引變電所，一般由110 kV雙電源進(jìn)行供電，再經(jīng)牽引變降為電力機(jī)車用的27.5kV或55kV，電力機(jī)車采用的是25kV單相工頻交流電壓，經(jīng)整流后驅(qū)動直流牽引電動機(jī)，在架空接觸導(dǎo)線和鋼軌之間行駛。由于工頻單相交流電氣化鐵道負(fù)荷是單相的，當(dāng)三相電力系統(tǒng)向它供電時，三相不均衡的負(fù)荷將在電力系統(tǒng)中引起負(fù)序電流，同時，整流型電力機(jī)車使?fàn)恳W(wǎng)的電流畸變，產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)入電力系統(tǒng)，這對電力系統(tǒng)的運(yùn)行會產(chǎn)生不良的影響。所以，深入研究這些不良影響和改善措施是十分必要的。

1 負(fù)序電流對電力系統(tǒng)的影響

據(jù)電工知識，任意一個不平衡負(fù)荷都可用對稱分量法分為正序、負(fù)序和零序三組對稱分量。對牽引供電系統(tǒng)來說，因?yàn)闋恳儔浩鞫蝹?cè)都采用三角形或不完全三角形結(jié)線，所以零序電流無法流通。即牽引供電系統(tǒng)二次側(cè)不會產(chǎn)生零序分量。所以牽引供電系統(tǒng)的不平衡負(fù)荷對電力系統(tǒng)的影響問題，實(shí)質(zhì)上就是負(fù)序電流對電力系統(tǒng)的影響。研究負(fù)序電流對電力系統(tǒng)的影響，可以從電源和負(fù)載兩方面進(jìn)行討論。

（1）電源方面。電源方面主要是對同步發(fā)電機(jī)的影響。制造廠生產(chǎn)的同步發(fā)電機(jī)，都是按三相平衡負(fù)荷運(yùn)行來考慮的。此時設(shè)備可達(dá)到額定出力。同步發(fā)電機(jī)在正常的三相平衡負(fù)荷下，發(fā)電機(jī)定子繞組中產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子同向同速的旋轉(zhuǎn)磁場，這個旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子間沒有相對運(yùn)動，所以轉(zhuǎn)子中不會產(chǎn)生感應(yīng)現(xiàn)象。

當(dāng)同步發(fā)電機(jī)向不平衡負(fù)荷供電時，其電流除了正序電流分量外，還有負(fù)序電流分量。

當(dāng)負(fù)序電流通過發(fā)電機(jī)定子繞組時，將在定子繞組中產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)電場，該磁場的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相同，而方向卻與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反。所以負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子間的相對速度為同步轉(zhuǎn)速的兩倍，它必將在轉(zhuǎn)子的激磁繞組、阻尼繞組中感應(yīng)產(chǎn)生兩倍工頻的附加電流，在轉(zhuǎn)子表面感應(yīng)產(chǎn)生渦流。這些附加電流和渦流形成附加損耗，引起額外溫升。由于集膚效應(yīng)，轉(zhuǎn)子的表面升溫較為明顯。當(dāng)負(fù)序電流達(dá)一定值時，此額外溫升將影響發(fā)電機(jī)的動力，甚至使絕緣受到損害。因此，從發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行考慮，其每相電流均不應(yīng)超過額定值。否則，電流最大的一相將超過額定的溫升。當(dāng)最大一相電流達(dá)到額定值時，較小的兩相卻小于額定值，所以就限制了發(fā)電機(jī)的動力。同時，轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)產(chǎn)生的兩倍同步頻率的電流，會在轉(zhuǎn)子中造成脈動轉(zhuǎn)距，引起兩倍同步頻率的振動，在電機(jī)中造成額外的機(jī)械應(yīng)力。當(dāng)負(fù)序電流超過一定值時，可使電機(jī)的振動達(dá)到不充許的程度。

（2）用戶方面。①對感應(yīng)電動機(jī)的影響。電力牽引的單相負(fù)荷使三相系統(tǒng)中的各相線路產(chǎn)生不同的電壓降，對接在該線路上的其他動力負(fù)荷供給一個不對稱的三相電壓。這個不對稱的電壓同樣也分為正序、負(fù)序、零序三組對稱分量。由于感應(yīng)電動機(jī)一般沒有中線連接，所以零序不能流通。其正序分量將產(chǎn)生正序轉(zhuǎn)距，這是使電動機(jī)轉(zhuǎn)動的主轉(zhuǎn)距。負(fù)序分量將產(chǎn)生負(fù)序轉(zhuǎn)距，在電動機(jī)中產(chǎn)生制動的反力距，直接影響了電動機(jī)的動力，而降低運(yùn)行效率。②對電力變壓器的影響。由于負(fù)序電流流入電力系統(tǒng)而使三相電流不對稱，從電力變壓器的安全運(yùn)行考慮，其每相電流均不應(yīng)超過額定值或允許過載值，當(dāng)最大一相電流達(dá)到額定值時或允許過載值時，較小的兩相卻小于額定值，從而使變壓器的容量利用率下降。另外負(fù)序電流還造成變壓器附加能量損失并在變壓器鐵心磁路中造成附加發(fā)熱。③對輸電線路的影響。負(fù)序電流流過電力網(wǎng)時，負(fù)序功率實(shí)際上并不作功，而只造成電能損失，從而降低了電力網(wǎng)的輸送能力。④對繼電保護(hù)的影響。負(fù)序電流容量使系統(tǒng)中由負(fù)序分量起動的繼電保護(hù)及自動裝置誤動作，從而增加保護(hù)的復(fù)雜性。

2 減少負(fù)序影響的措施

為了盡量減輕單相牽引負(fù)荷給電力系統(tǒng)造成的影響，必要時可在電力系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)采取改善措施。

（1）電力系統(tǒng)采取的措施。①可在發(fā)電廠或樞紐變電所安裝特殊的同期調(diào)相機(jī)。這種同期調(diào)相機(jī)，允許承受負(fù)序電流能力較大，負(fù)序阻抗較小，吸收負(fù)序電流時不存在相位選擇問題，而且有良好的防震功能。而且可以吸收部分高次諧波電流，而不會引起共振，因此采取調(diào)相機(jī)是比較有效的措施，但調(diào)相機(jī)投資較大，占地較多，一般不采用。②臨時性的過渡措施。如果負(fù)序電流的增大是臨時性和過渡性的，則電力系統(tǒng)可采取一些臨時運(yùn)行方式。如將某些線路、變壓器、電抗器投入或退出，以此來改變系統(tǒng)中負(fù)序電流的分配，達(dá)到減少負(fù)序電流流入那些承受負(fù)序影響能力較弱的設(shè)備的目的。

（2）牽引供電系統(tǒng)采取的措施。①采取牽引變電所換相連接的供電方式。②牽引變電所采用Scott結(jié)線、平衡牽引變壓器。

3 結(jié)語

電氣化鐵道負(fù)荷對電力系統(tǒng)的影響不僅與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、容量大小有較大的聯(lián)系，而且還與鐵路運(yùn)輸?shù)脑鲩L、牽引變壓器的接線方式有一定的關(guān)系。因此，電氣化鐵道技術(shù)的發(fā)展，必須充分研究和解決這些問題，才能保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，并有利于電氣化鐵道的發(fā)展，給社會也會帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

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