铁路牵引系统三相不平衡对功率因数的影响研究

摘 要：电能涉及发电、供电、用电三方面的经济利益，随着电气化铁路的大量投入使用，使电力系统的电能质量问题日益严重。由于电力机车负荷的随机性，同时为整流驱动，会给电力系统带来三相不平衡、谐波等电能质量问题，严重影响牵引供电网及上级电力系统的电能质量。文章通过对电力机车工作方式进行理论分析，并通过电能质量测试仪器FLUKE435对某牵引变电站110kV侧进行电能质量检测，建立仿真模型得出电力机车的三相不平衡对等效功率因数的影响，最后给出了电力机车110kV侧电能治理的措施。

关键词：电气化铁路；电能质量；功率因数

引言

目前，我国电气化铁路中的电能质量问题主要为：三相不平衡、功率因数和谐波问题[1-4]。电力机车产生大量的谐波、负序电流注入到牵引供电系统中，引起牵引供电系统电能质量的下降，增加线路的损耗[5]、减少变压器的使用寿命、降低电气铁路供电系统继电保护装置的可靠性、增加线路跳闸次数、降低开关设备使用寿命、使电气铁路供电系统补偿电容器发生过压，威胁电网的安全运行以及其他用户设备的安全和正常工作。

三相不平衡度、谐波和功率因数是评价电力机车性能的重要指标，其大小表明了机车的电能利用效果及其对供电电网的污染情况。文章通过分析电力机车的工作方式，测试得出其110kV侧三相电流的不平衡问题，并通过MALATB进行仿真，得出其三相不平衡对等效功率因数[6]的影响。

1 三相不平衡定义

三相不平衡是指在电力系统中三相电压或电流幅值或相位差不一致，且差值超过规定范围。三相不平衡度[7]是描述电力系统中三相不平衡的程度。在电力系统正常运行方式下，指由于负序分量而引起的PCC连接点的电压不平衡。发生三相不平衡既与用户负荷特性有关，同时与电力系统的规划、负荷分配也有关。为了考核电网三相平衡情况，制定了相应的国家标准，即《电能质量三相电压允许不平衡度》（GB/T15543-1995）标准。该标准规定：电力系统公共连接点电压不平衡度限值为正常运行情况下负序电压不平衡度不超过2%，短时间不得超过4%。电网电压不平衡主要由于三相系统参数、负荷情况等引起三相电流不平衡，从而造成三相电压的不平衡。

2 铁路牵引系统三相不平衡产生原因分析

我国交流铁路是由电力系统110kV（或220kV）经牵引变变压器降为27.5kV（或55kV）后向牵引网及电力机车单相供电，由于是单相供电方式，造成了供电电网的三相不平衡。牵引变压器[8]的不同接线方式及牵引负荷的负荷水平对牵引负荷负序特性起到决定性的作用。不同的接线方式，对牵引负荷注入电力系统的负序电流抑制能力大为不同。三相YNd11接线牵引变压器中最常见的接线形式，下面主要分析AT供电方式下YNd11接线牵引变压器产生的负序电流和三相不平衡情况。

普通的电力机车供电大多采用AT供电方式，其原理如图1所示。

AT供电方式下YNd11牵引变压器接线如图2所示，变压器一次侧绕组为Y型连接，二次侧绕组为△连接，二次侧两个单相绕组分别作为牵引电源给电力机车供电。

图2中，牵引变压器二次侧右边为a相供电臂，左边为b相供电臂。为了方便分析负序电流，假设系统电流只含有基波成分，不考虑谐波情况。图中两供电臂源电流分别为Ia和Ib，变压器一次侧电流分别为IA、IB和IC，YNd11变压器原副边变压比为K，可以得出：

假设两供电臂功率因数角相同，即？渍a=？渍b=？渍，两供电臂电流有效值之比定义为Ib/Ia=k。

三相电流不平衡度KI随着两臂电流有效值之比k向1靠近而降低。在k=0，即只有一臂有机车负载时，负序电流最大，三相电流不平衡度达到100%；在k=1，即两供电臂电流同幅值同功率因数角时，一次侧三相电流平衡。在同一k值下，？渍取0？燮？渍？燮90°之间的任意值，三相电流不平衡保持不变。

3 铁路牵引系统电能质量测试分析

通过对铁路牵引系统110kV侧有火车通过时刻进行电能质量的测试，可以得出铁路牵引系统110kV侧瞬时功率因数如表1，其系统110kV侧三相电流波形如图3和图4所示。其中图3是电力机车在上行和下行都有通过时，测得的波形图；图4是电力机车上行通过时刻，测得的波形图。

由测试结果可以得出，铁路牵引系统110kV侧的功率因数瞬时值不满足功率因数的限制要求，而且系统还出现过补偿。由图3和图4可以看出，在电力机车只有单行通过时刻，其110kV侧三相流严重不平衡，其三相电流的不平衡随着不同电力机车的通行时刻而变化。

4 铁路牵引系统三相不平衡仿真分析

根据上述测试分析可以得到，在电力机车只有上行或下行的时刻，其电流三相不平衡是最严重的，因此下面主要分析电力机车在上行情况下对等效功率因数的因数的影响。

建立图5的仿真模型，可以看出在电力机车只有上行负载时，110kV系统的功率因数不为1，而是0.7133，显然不满足系统功率因数的要求。由图6可以看出铁路牵引110kV侧三相电流严重不对称，与实测数据很接近，然而电力机车在实际运行当中，还会有无功补偿装置，在电力机车运行过程当中，会导致无功过补偿，而使瞬时功率因数为负值，增加了电能的线路损耗。

5 铁路牵引系统三相不平衡治理措施

电力机车供电系统主要存在电流三相不平衡、功率因数低和含谐波电流的电能质量问题。针对这些问题，提出如下措施建议：

（1）针对铁路牵引，在各种负荷条件不变的情况下，可以通过管理火车的通行时刻表来合理分布三相负荷，只要合理安排负荷所在的端口顺序，就能最大程度地使构成负序电流的各分量互相抵消，从而减少总的负序电流，使三相不平衡对电网的影响降至最低。

（2）对于新建的铁路线路，可以要求铁路方面采用特殊接线的平衡变压器。

（3）对于铁路牵引变电站，可以要求牵引变电站安装动态无功补偿装置。

（4）由于铁路牵引装有无功补偿设备，可能向电网倒送无功电量，在计费计量点安装有防止无功倒送装置的反向无功电度表[8]，按倒送无功电量与实用无功电量的绝对值之和计算月平均功率因数。

6 结束语

文章对电力机车的工作方式进行了理论分析，并进行了现场实测，得出了其电能质量测试结果，最后文章通过建立仿真模型，分析了电力机车对等效功率因数的影响，为电力机车的无功补偿和电能计量提供了理论依据。

参考文献

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[2]王果，田铭兴，任恩恩.降低电气化铁路混合有源补偿装置有源支路容量的分析[J].电力自动化设备，2010，30（9）：18-23.

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