牵引网供电质量改善问题的探讨

大家知道，牵引供电系统其不对称性严重影响整个电力系统的三相负荷的平衡。甚至会造成局部事故、故障。对此，我们从事牵引供电事业的同仁们均不懈努力，寻求其改善方法。就目前我所了解的情况形成此文以求与大家共同探讨。
一、各种牵引供电方式造成的影响
1.由于牵引网要保证运动的机车可靠供电，因此必须架设接触网。这样难免造成线路的供电压损耗增加，从而致使接触网大部分区段，尤其是末端电压很难达到额定电压的要求。达不到要求，使铁路运输在间隔段形成“瓶颈”状态，严重制约整体运输能力的发挥。
2.无功功率与功率因数的问题
目前，大部分机车采用直流电传动而直流电传动机车无功率大，功率因数低是众所周知的，虽然我们采用了许多措施，如变电所并联电阻，并联电容电抗等静态或者不同程度的动态无功补偿装置。但牵引负荷变化复杂，在无负荷或负荷小时、容性超前电流形成无功功率，造成个别区段功率因数低到40%左右。
3.谐波污染问题
单相供电的电力机车牵引的感性负载滞后的电流与相电压之间的换相角最大只能达到40多度，这一缺口电压，将引起网压强烈震荡，从而产生高次谐波电流，严重影响供电电网，破坏电网的基波电压电流质量。
4.单相交流电力牵引，负荷对电力系统产生的负序影响
铁道电气化单相供电的牵引负荷，造成电力系统的相电压的严重不平衡而产生负序电流，对三相发电机好电动机的工作状态，产生不稳定的影响，并导致铁道电气化区段周围其它用户不能正常运行。如解决负序问题，虽然曾采用的、过三相中的两相，如A、B两相向变电所相反方向接触网供电好加大变电所主要容量的方法，但由于牵引列车的不均衡波动，仍不能彻底解决负序问题。
5.电磁干扰和噪音的污染
电气化铁道供电网采用27.5KV供电，其本身具有电磁场分布的电磁干扰。另外上述各问题的产生加大了电磁辐射，严重干扰周边环境。
二．现有的解决方法对存在的问题
如上所述，虽然针对不同类型的危害与影响而采用了不同的措施，但还是不能彻底解决，就目前所了解的几种方法简述如下。
1、投运专用变压器而实现牵引供电
牵引变压器本身为专用变压器，不允许接入其它非牵引负荷。但就如上问题有几种变压器比较特殊，如单相有载调压变压器，是通过有载或无载进行调压的方式而提高接触网电压，此方式虽结构简单，只能解网压下降的问题。Y/△接线变压器每个绕组供一相负荷，根据需要，两绕组容量可不相单。这种方法主变利用率稍有提高，投资低，结构简单，同样不能解决负序电流的问题。还有三相Y/△-11接线变压器，使用较广泛，但主要利用率很低，基本上超不过10%，另外变压器本身较复杂。另外，三相绕组YN、d11、d1接线方式的变压器,原边接地Y形，中性点抽出，次边有两套绕组d11和d1。两三角形对顶，并将对顶接地，另外引线接牵引网。这种方法，在两三角形中形成负序后流经顶点，总负序电流较小，在两边负荷对称时几乎不产生负序电流。
另外，目前牵引供电系统采用平衡变压器——斯科特接线变压器，这种变压器能将三相变成两相相差90°.此类变压器还是不能很好的解决负序的问题。
2、采用轮换相序的接线方式
由同一供电系统的牵引变电所产生的多个负序电流（不同相位）相加，其总负序电流减小。因此接入多个不同相序的牵引变电所，可以降低流入同一供电系统总负序电流的影响。
3、对谐波影响的处理方法
（1）在牵引变电所总并联电容补偿装置，改善功率因数、滤波等效果。
（2）在牵引机车上安装并联电容和滤波装置，从而很好的抑制3次、5次等高次谐波。
三、对以上问题目前新的发展及思路
以上所采用的所有方法均在实际运用中起到了相当的作用，尤其对改善供电质量有很大的帮助，目前这一领域，多数资料显示采用大功率变频技术是未来的发展重点及新的突破思路。
1、采用高电压大功率GTC,多电平PWM变换器。
其原理是利用“交—直—交”电压型多点平高电压大功率PWM变换技术来改善牵引供电造成的影响。其原理框图如下：

三相降压变压器三相输入端，通过“交—直—交”变换器的“整流”作用，经中间电压型的电容滤波储能得到恒压直流Ud“直—交”侧变换器是“单相逆变”装置，输出27.5KV到隔离变压器，该变压器次边一端接地，另一端界供电接触网。当然，此方法投资大，维护困难，随着科技发展，应该较实用。
2、（1）采用三相不等容牵引变压器
由于牵引变压器运行时三相负荷严重不对称，在Ynd11三相牵引变压器的基础上，将中相（B）富余量抽出，平均分配到两个边（A,C）相。
这种方法三相容量不等，三相阻抗相等，结构变化小。
（2）三相变四相牵引变压器
这种变压器只适用于AT供电方式。其原理图如下：

AT供电方式原理图
其铁芯是“日”字形，变压器四相侧的零序电流与半零序电流不能变换到三相侧，同样，三相侧的零序电流也不能变换到四相侧。其运行均匀性和制造经济性都优于传统结构的斯考特变压器。
（3）阻抗匹配牵引变压器，承担牵引负荷的过载能力较强，可用于110KV以上的电力系统。
3、采用可控电抗器配合并联电容器组的动态补偿弥补了静态补偿的缺点。其工作原理图如下：

可控电抗器配合并联电容器组工作原理图

动态补偿装置由静态电容器组与动态单相可控电抗器组成，此装置根据机车取流情况而改变电抗器值的大小来抵消容性电流。保证了功率因数，同时电容器组还对3、5次高次谐波形成滤波作用。很好的改善了供电质量，提高里经济效益。
总体来讲，电力牵引造成的“电污染”已经非常严重，也是必须解决的问题之一，仅以此文为同仁们提供思路并相互探讨不对之处望指教。
【参考文献】：
1.接触网，李伟主编，中国铁道出版社，2000年3月
2电力牵引供电系统技术与装备，贺威俊主编，西南交通大学出版社， 1998年10月
3.电气化铁道供电系统，杨玉菲主编，中国铁道出版社，2004年12月
4.牵引变电所（第二版），林永顺主编，中国铁道出版社，2002年