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【摘 要】为掌握电气化铁路供电电能质量现状，确保电网安全运行，满足电气化铁路快速发展的供电需求，国家电网公司组织了一次大规模测试。通过对该电气化铁路线牵引用电谐波、负序、有功、无功等主要电能质量指标进行分析，电气化铁路采用交直交型电力机车比传统的交直型电力机车虽对电能有所改善，但仍存在谐波超标及无功倒送现象，给电网安全稳定经济运行带来隐患，应引起高度重视并积极解决。
【关键词】电气化铁路;电能质量;谐波;功率因数;措施
电力系统是一个开放的公共系统，担负着向全社会提供电能的职责。因此，在满足电气化铁路供电需求的同时，确保电网的安全稳定运行，实现铁路与电网双赢发展的目标是铁路与电力双方共同的责任。为了掌握电网向电气化铁路供电地区的电能质量现状，国家电网公司组织了一次大规模的电能质量测试，针对我国电气化铁路牵引供电的特点，选择不同供电电压、不同供电方式、不同地区、不同机车负荷等有代表性的电力系统变电站，在该条线路正常运行后即对牵引站接入电网点进行电能质量各项指标的现场实测，并对大量数据进行深入分析。
一、电气化铁路牵引站现状
电气化铁路包括牵引供电系统和电力机车两大部分。电气化铁路包括以下特点速度快、运输量大、节能环保、运行成本低等，因此在运输业中具有明显的优势，我国从零开始建设电气化铁路，经过五十多年的不懈努力，实现了从无到有、从常速到高速、从轻载到重载的跨越式发展。我国电气化铁路事业取得了跨越式发展，采用和谐号动车组的高速电气化铁路客运一专线逐渐连接了我国各大城市，节省了旅客大量的时间，方便了人们的出行。根据铁道部中长期发展规划，中国铁路将达到总里程，其中电气化铁路里程将达到百分之60以上。电气化铁路是我国铁路今后的发展方向。
为减轻运行产生负序电流对电网的影响，电铁各牵引站变压器接线均采用V/X 方式。V/X 接线牵引变压器是由V/V 接线牵引变压器发展而来。V/X 接线牵引变压器与V/V 接线牵引变压器特性相同。V/X 接线是将V/V 接线和AT 方式纯单相接线的技术进行整合，在变压器的设计和制造方面均比斯科特、十字交叉接线简单。设计端子标志及连接示意图如图。
V/V 有两个低压绕组，而V/X 也有两个低压绕组，即T1-F1 和T2-F2 绕组。这两个绕组都在中点引出一个O 点，这两个O 点在外部联成一个N 点接钢轨，并使T1-F1 和T2-F2 组成60°电角，也就是两个对顶的V，即正V 和反V 连接在一起，成为V/X。在AT 供电方式中，T1-F1 绕组为上行供电，T2-F2绕组为下行供电。T1 和T2 为接触网线，F1和F2 为回流线。高压AC 和BC 绕组与低压绕组的角度仍与原来的V/V 一样处于同相位，仍为60°夹角。该系统结构的优点是：牵引变电所内V/X 接线牵引变压器两个副边绕组中点抽头可直接与轨道连接形成2×27.5 kV 系统，减少了变电所两个自耦变压器在双线区段，每一变电所至少可节省4 台AT，变压器容量利用率高。由于采用了AT 供电方式，故通信干扰小，综合经济技术性能优越。
V/X 接线这种AT 方式牵引变压器，与斯科特接线牵引变压器相比，可节省出口自耦变压器;与十字交叉接线牵引变压器相比，容量利用率高，供电臂电压水平高;与纯单相接线牵引变压器相比，可使负序影响减少一半，降低负序影响的能力适中，与电网结构的发展趋势相适应的程度高;而与采用V/V 接线牵引变压器相比，V/X 接线牵引变压器合乎建设节约型社会和可持续发展的政策要求，更能顺应时代发展的潮流。
二、现场测试
1、测试点选择。由于铁路牵引站均由铁路部门管理，现场安全措施条件不符合电力安全规范，且采用现场24h挂网测试，故本次测试点均选在电网侧变电站电铁专线。
2、测试内容。包括各牵引站供电的电网侧变电站220kV 母线及供电专线的有功功率、无功功率及谐波、闪变、不平衡度等各项电能质量指标。
3、测试数据的统计方法。对谐波、负序测量数据的统计处理按照国家标准要求：按95%概率大值选取测量值，即将实测值由大到小排列，舍弃前面的5%概率大值，取剩余实测值的最大值。测量结果应取测量时段内三相实测数据中95%概率大值的最大值作为判断是否超标的依据。
三、测试结果分析
1、功率
（1）有功功率。在测试时段，各牵引站均出现短时有功倒送情况经查阅有关资料：电力机车在牵引工况时，牵引电机作电动机运行，将电网的电能转变为动能，轴上输出牵引转矩以驱动列车运行;电力机车在电气制动时，列车的惯性带动牵引电动机，此时牵引电机将作发电机运行，将列车动能转变为电能。输出制动电流的同时，在牵引电机轴上产生反转矩并作用于轮对，形成制动使列车减速或在下坡道上以一定速度运行。部分电力机车在制动情况下，少量有功电能通過逆变装置倒送回电网。
（2）无功功率。从现场测试数据分析，各站均存在无功倒送情况，各牵引站接入电网点多数时段处于无功倒送状态。这是因为输电线路容性无功与负荷大小关系不大，只由线路长短和电压确定，而感性无功却取决于负荷大小：当负荷功率小于自然功率时，则感性无功小于容性无功，输电线路就会向电网倒送容性无功;反之，由电网向输电线路提供容性无功。同一条线路，在重负荷下可呈现感性，轻负荷时则可呈现容性。由于目前温福铁路牵引站大部分时间处于轻载运行状态，就会向系统输出无功，造成无功倒送。
2、谐波。温福线电力机车均是动力分散型交直交传动机车。该类机车采用了PWM 调制技术，主元件性能有较大改善，且各单元之间可采用不同相位、保持一定的相角差来补偿一部分谐波。因此，高、低次谐波含量均比传统的直流传动机车要小。
（1）谐波电流。虽然交直交传动机车在谐波污染上有了很大的改善，但从测试数据看，高铁仍会向电网注入超标的谐波电流，主要是较高次的谐波电流超标。 （2）谐波电压。在测试时段内，向牵引站供电的各220kV 母线谐波电压指标均未超标，各次谐波畸变率最大不超过0.35%，总谐波畸变率不超过0.8%。这是由于接入的220kV 电网，而220kV 电网的谐波承受能力比110 kV 电网大得多。
四、电气化铁路电能质量问题的解决措施
电气化铁路的电能质量问题主要包括两个方面一个是牵引供电系统的电能质量问题另一个是牵引负荷的电能质量问题。牵引供电系统的电能质量与外部电压等级、供电方式、输入的短路容量、变压器结构都有着直接的关系电力机车的电能质量与电力机車的电气结构、运行状态相关。下面分为牵引供电系统和电力机车两部分，简单介绍目前针对电气化铁路的谐波电流、功率因数偏低、负序电流等电能质量问题采取的主要措施。
（1）解决谐波问题采取的措施。牵引供电系统在牵引变电所的牵引侧安装固定无源滤波器组FC，抑制奇次特征谐波采取电能质量治理装置在牵引变电所的牵引侧进行谐波治理，这些电能质量治理治理装置可以有效滤除谐波。
（2）电力机车.发展包括动车组在内的交直交型电力机车，交直交型电力机车相比交直型电力机车谐波含量非常低其功率因数很高，具有良好的电能质量特性对于仍在使用的交直型电力机车，可以在机车上加装滤波装置，使其注入牵引供电系统的谐波电流减小。
2、解决功率因数问题采取的措施
（1）牵引供电系统。无功倒送现象不严重的牵引变电所，在牵引侧采用固定无源滤波器组，辛卜偿无功功率无功倒送现象较为严重的牵引变电所，在牵引侧采取动态SVC无功补偿装置，由于牵引变电所普遍存在无功倒送的现象，因此采用动态无功补偿装置十分必要。
（2）电力机车。使用交直交型电力机车，交直交型电力机车的功率因数很高，普遍能够达到0.95以上，可以在交直型电力机车上加装补偿装置，补偿其较低的功率因数。
（3）解决负序问题采取的措施。电气化铁路的电力机车是单相负荷，当其运行时，会通过牵引变电所向三相电力系统注入负序电流。对电力系统的安全稳定运行造成威胁。因此，需要抑制电气化铁路中的负序电流。解决负序问题的方法主要有以一几种牵引变电所一次侧轮流换相，轮流换相使上级三相电力系统的三相负荷尽可能的平衡，以抑制负序电流尽量使接入牵引变电所的电压等级为220KV及以上，并尽量提高输入的短路容量采用三相—两相的平衡变压器。
随着我国高速铁路建设的飞速发展，必须重视研究电气化铁路负荷对电网电能质量的影响及具体治理措施。综合以上分析可得，目前运行在高速电气化铁路上的交直交传动电力机车虽然在谐波、负序、电压波动、功率因数等方面比传统交直型机车有了很大改善。
参考文献：
[1]曾建军，林知明，张建德.地铁制动能量分析及再生技术研究[J].电气化铁道，2016，（6）.
[2]于坤山，周胜军，王同勋，乔光尧.浅谈电气化铁路供电与电能质量[M]. 中国电力版社，2015.
[3]杨少兵，吴命利. 基于改进蚁群算法的客运专线电力负荷建模与参数辨识[J].中国电机工程学报，2015，.
[4]游诚曦，雷亚隽.关于电气化铁路牵引供电的探讨[J].电源技术应用，2017，3.
[5]王志杰，陈勇.切实加强铁路供电系统的安全生产与管理[J]. 建筑工程技术与设计，2015，19.
（作者单位：神华包神铁路公司）
【关键词】电气化铁路;电能质量;谐波;功率因数;措施
电力系统是一个开放的公共系统，担负着向全社会提供电能的职责。因此，在满足电气化铁路供电需求的同时，确保电网的安全稳定运行，实现铁路与电网双赢发展的目标是铁路与电力双方共同的责任。为了掌握电网向电气化铁路供电地区的电能质量现状，国家电网公司组织了一次大规模的电能质量测试，针对我国电气化铁路牵引供电的特点，选择不同供电电压、不同供电方式、不同地区、不同机车负荷等有代表性的电力系统变电站，在该条线路正常运行后即对牵引站接入电网点进行电能质量各项指标的现场实测，并对大量数据进行深入分析。
一、电气化铁路牵引站现状
电气化铁路包括牵引供电系统和电力机车两大部分。电气化铁路包括以下特点速度快、运输量大、节能环保、运行成本低等，因此在运输业中具有明显的优势，我国从零开始建设电气化铁路，经过五十多年的不懈努力，实现了从无到有、从常速到高速、从轻载到重载的跨越式发展。我国电气化铁路事业取得了跨越式发展，采用和谐号动车组的高速电气化铁路客运一专线逐渐连接了我国各大城市，节省了旅客大量的时间，方便了人们的出行。根据铁道部中长期发展规划，中国铁路将达到总里程，其中电气化铁路里程将达到百分之60以上。电气化铁路是我国铁路今后的发展方向。
为减轻运行产生负序电流对电网的影响，电铁各牵引站变压器接线均采用V/X 方式。V/X 接线牵引变压器是由V/V 接线牵引变压器发展而来。V/X 接线牵引变压器与V/V 接线牵引变压器特性相同。V/X 接线是将V/V 接线和AT 方式纯单相接线的技术进行整合，在变压器的设计和制造方面均比斯科特、十字交叉接线简单。设计端子标志及连接示意图如图。
V/V 有两个低压绕组，而V/X 也有两个低压绕组，即T1-F1 和T2-F2 绕组。这两个绕组都在中点引出一个O 点，这两个O 点在外部联成一个N 点接钢轨，并使T1-F1 和T2-F2 组成60°电角，也就是两个对顶的V，即正V 和反V 连接在一起，成为V/X。在AT 供电方式中，T1-F1 绕组为上行供电，T2-F2绕组为下行供电。T1 和T2 为接触网线，F1和F2 为回流线。高压AC 和BC 绕组与低压绕组的角度仍与原来的V/V 一样处于同相位，仍为60°夹角。该系统结构的优点是：牵引变电所内V/X 接线牵引变压器两个副边绕组中点抽头可直接与轨道连接形成2×27.5 kV 系统，减少了变电所两个自耦变压器在双线区段，每一变电所至少可节省4 台AT，变压器容量利用率高。由于采用了AT 供电方式，故通信干扰小，综合经济技术性能优越。
V/X 接线这种AT 方式牵引变压器，与斯科特接线牵引变压器相比，可节省出口自耦变压器;与十字交叉接线牵引变压器相比，容量利用率高，供电臂电压水平高;与纯单相接线牵引变压器相比，可使负序影响减少一半，降低负序影响的能力适中，与电网结构的发展趋势相适应的程度高;而与采用V/V 接线牵引变压器相比，V/X 接线牵引变压器合乎建设节约型社会和可持续发展的政策要求，更能顺应时代发展的潮流。
二、现场测试
1、测试点选择。由于铁路牵引站均由铁路部门管理，现场安全措施条件不符合电力安全规范，且采用现场24h挂网测试，故本次测试点均选在电网侧变电站电铁专线。
2、测试内容。包括各牵引站供电的电网侧变电站220kV 母线及供电专线的有功功率、无功功率及谐波、闪变、不平衡度等各项电能质量指标。
3、测试数据的统计方法。对谐波、负序测量数据的统计处理按照国家标准要求：按95%概率大值选取测量值，即将实测值由大到小排列，舍弃前面的5%概率大值，取剩余实测值的最大值。测量结果应取测量时段内三相实测数据中95%概率大值的最大值作为判断是否超标的依据。
三、测试结果分析
1、功率
（1）有功功率。在测试时段，各牵引站均出现短时有功倒送情况经查阅有关资料：电力机车在牵引工况时，牵引电机作电动机运行，将电网的电能转变为动能，轴上输出牵引转矩以驱动列车运行;电力机车在电气制动时，列车的惯性带动牵引电动机，此时牵引电机将作发电机运行，将列车动能转变为电能。输出制动电流的同时，在牵引电机轴上产生反转矩并作用于轮对，形成制动使列车减速或在下坡道上以一定速度运行。部分电力机车在制动情况下，少量有功电能通過逆变装置倒送回电网。
（2）无功功率。从现场测试数据分析，各站均存在无功倒送情况，各牵引站接入电网点多数时段处于无功倒送状态。这是因为输电线路容性无功与负荷大小关系不大，只由线路长短和电压确定，而感性无功却取决于负荷大小：当负荷功率小于自然功率时，则感性无功小于容性无功，输电线路就会向电网倒送容性无功;反之，由电网向输电线路提供容性无功。同一条线路，在重负荷下可呈现感性，轻负荷时则可呈现容性。由于目前温福铁路牵引站大部分时间处于轻载运行状态，就会向系统输出无功，造成无功倒送。
2、谐波。温福线电力机车均是动力分散型交直交传动机车。该类机车采用了PWM 调制技术，主元件性能有较大改善，且各单元之间可采用不同相位、保持一定的相角差来补偿一部分谐波。因此，高、低次谐波含量均比传统的直流传动机车要小。
（1）谐波电流。虽然交直交传动机车在谐波污染上有了很大的改善，但从测试数据看，高铁仍会向电网注入超标的谐波电流，主要是较高次的谐波电流超标。 （2）谐波电压。在测试时段内，向牵引站供电的各220kV 母线谐波电压指标均未超标，各次谐波畸变率最大不超过0.35%，总谐波畸变率不超过0.8%。这是由于接入的220kV 电网，而220kV 电网的谐波承受能力比110 kV 电网大得多。
四、电气化铁路电能质量问题的解决措施
电气化铁路的电能质量问题主要包括两个方面一个是牵引供电系统的电能质量问题另一个是牵引负荷的电能质量问题。牵引供电系统的电能质量与外部电压等级、供电方式、输入的短路容量、变压器结构都有着直接的关系电力机车的电能质量与电力机車的电气结构、运行状态相关。下面分为牵引供电系统和电力机车两部分，简单介绍目前针对电气化铁路的谐波电流、功率因数偏低、负序电流等电能质量问题采取的主要措施。
（1）解决谐波问题采取的措施。牵引供电系统在牵引变电所的牵引侧安装固定无源滤波器组FC，抑制奇次特征谐波采取电能质量治理装置在牵引变电所的牵引侧进行谐波治理，这些电能质量治理治理装置可以有效滤除谐波。
（2）电力机车.发展包括动车组在内的交直交型电力机车，交直交型电力机车相比交直型电力机车谐波含量非常低其功率因数很高，具有良好的电能质量特性对于仍在使用的交直型电力机车，可以在机车上加装滤波装置，使其注入牵引供电系统的谐波电流减小。
2、解决功率因数问题采取的措施
（1）牵引供电系统。无功倒送现象不严重的牵引变电所，在牵引侧采用固定无源滤波器组，辛卜偿无功功率无功倒送现象较为严重的牵引变电所，在牵引侧采取动态SVC无功补偿装置，由于牵引变电所普遍存在无功倒送的现象，因此采用动态无功补偿装置十分必要。
（2）电力机车。使用交直交型电力机车，交直交型电力机车的功率因数很高，普遍能够达到0.95以上，可以在交直型电力机车上加装补偿装置，补偿其较低的功率因数。
（3）解决负序问题采取的措施。电气化铁路的电力机车是单相负荷，当其运行时，会通过牵引变电所向三相电力系统注入负序电流。对电力系统的安全稳定运行造成威胁。因此，需要抑制电气化铁路中的负序电流。解决负序问题的方法主要有以一几种牵引变电所一次侧轮流换相，轮流换相使上级三相电力系统的三相负荷尽可能的平衡，以抑制负序电流尽量使接入牵引变电所的电压等级为220KV及以上，并尽量提高输入的短路容量采用三相—两相的平衡变压器。
随着我国高速铁路建设的飞速发展，必须重视研究电气化铁路负荷对电网电能质量的影响及具体治理措施。综合以上分析可得，目前运行在高速电气化铁路上的交直交传动电力机车虽然在谐波、负序、电压波动、功率因数等方面比传统交直型机车有了很大改善。
参考文献：
[1]曾建军，林知明，张建德.地铁制动能量分析及再生技术研究[J].电气化铁道，2016，（6）.
[2]于坤山，周胜军，王同勋，乔光尧.浅谈电气化铁路供电与电能质量[M]. 中国电力版社，2015.
[3]杨少兵，吴命利. 基于改进蚁群算法的客运专线电力负荷建模与参数辨识[J].中国电机工程学报，2015，.
[4]游诚曦，雷亚隽.关于电气化铁路牵引供电的探讨[J].电源技术应用，2017，3.
[5]王志杰，陈勇.切实加强铁路供电系统的安全生产与管理[J]. 建筑工程技术与设计，2015，19.
（作者单位：神华包神铁路公司）