DQZHAN讯：电气化铁路与电能质量那些事儿
以高铁为代表的中国电气化铁路让中国版图不断“缩小”，在切实改变人们生活的同时其高速发展的成就举世瞩目。到2013年，我国高速铁路运营里程达到11028 km，居****位。电网作为电气化铁路的动力承载，电能质量问题无疑是至关重要的。

在近日的第七届电能质量研讨会上，记者就电气化铁路发展问题专访了西南交通大学钱清泉院士，让钱院士与我们谈谈电气化铁路与电能质量的那些事儿。

记者：钱院士您好!非常感谢您就电能质量问题接受专访。我们知道，在我国，电力部门对电气化铁道电能质量的关注重点是谐波、负序和电压偏差。我国电气化铁道牵引负荷是整流型负荷，产生大量谐波(主要是3、5、7次)注入电力系统，电气化铁道作为少数直接接入高压电网的大宗电力用户，其对电力系统和其它用户产生的影响不容忽视。请钱院士介绍下我国电气化铁路电能质量问题的现状?

钱院士：到2013年，我国高速铁路运营里程达到11 028 km，居****位。目前我国铁路完成的旅客周转量、货物发送量、货物周转量、换算周转量居****位。可以说，我国高速铁路的建设，无论列车*高运行速度、行车密度，还是供电负荷大小，都达到世界**。改革开放以来，中国电力工业的发展也取得了举世瞩目的成就。无论是高速铁路、重载铁路，还是城市轨道交通都采用电力牵引，因此，轨道交通的发展离不开电力工业的发展，轨道交通的发展又拉动了电力工业的发展。

我国电气化铁路采用单相工频交流制，接入公用电网。因采用换相接入方式，牵引变电所出口和分区所处均设置电分相。电分相造成列车速度和牵引力损失，列车过分相引起暂态过程对**运行产生**影响。同时，由于使用电力系统三相中的两相分别通过供电臂向电力机车供电，为不对称负荷，造成三相不平衡，即负序。

我国以前普遍使用的交直型电力机车都是采用相控方式，正常工作时功率因数较低。当导通角不同时，其谐波含量变化较大。相控机车3次谐波电流含有率达到21 %，5次为10 %，7次为5 %，9次为3 % 左右。目前我国广泛采用的交直交型电力机车由于采用了PWM整流方式，功率因数接近1，与交直型机车相比谐波含量大大降低。另外，交直型电力机车已于2006年停产，虽然目前仍有一定保有量，但在一段时间内将退出运营，新建线路均采用交直交型电力机车，谐波问题将得到缓解。

对于负序问题，牵引变压器的接线方式对牵引负荷产生的三相不平衡有一定影响。目前牵引变电所多采用Vv(Vx)接线，由于其自身特点限制，单纯靠牵引变压器无法消除三相不平衡。另外一种应用较多的是三相-两相平衡接线方式，其特点是在牵引负荷满足一定条件下，可将牵引侧不对称负荷变换为电力系统侧三相对称负荷。但是由于牵引负荷随机车波动剧烈，完全满足条件的几率小，因此阻抗匹配平衡变压器也不能完全消除牵引负荷引起的三相不平衡。

目前，我国高速铁路牵引负荷的负序特点主要为牵引负荷大：客运专线的单列车功率可达23 000 kW;牵引主变安装容量达到63 MVA以上，远期甚至达到120 MVA。还有再生制动对供电系统的负序造成一定影响。一供电臂负荷牵引而另一供电臂负荷再生制动时产生的负序大于两供电臂负荷同为牵引或制动的情况。高速铁路牵引负荷比普速铁路大，但同时电力系统供电能力也不断增强，通常情况下能够满足高铁供电需求。
关于电压偏差的问题，目前高速铁路一般采用220 kV电源供电，电力系统短路容量大，牵引电流在电力系统内产生的电压降较小，电压偏差一般满足标准要求。普速铁路大都采用110 kV电源供电，由于牵引负荷较小，在电网发达地区电压偏差一般能满足标准要求。对于电网薄弱地区由于电力系统短路容量较小，电力系统电压降大，电压偏差可能超标较多。

总体来说，对于谐波问题，可采用交直交机车减少牵引负荷谐波含量，及采取无源及有源等谐波补偿技术;对于负序问题可在牵引变电所采取相序轮换接入电力系统的方式，牵引变电所供电的两个供电臂负荷尽可能设计均衡，采用负序指标较好的牵引变压器接线形式;对于电压偏差问题，可以提高负荷功率因数，减小无功，减小系统阻抗。

随着各种技术措施的采用和电力系统的联网，轨道交通电能质量问题得到了显著改善。

记者：钱院士您刚刚提到高速铁路的负序问题，我们也关注到高速铁路由于采用交 - 直 - 交型电力机车，相比于普通电气化铁路，其谐波含量已大大减小，但其负序问题仍比较严重，且可能因高速铁路牵引功率增大而变得更为突出。而对负序问题较为严重的高速铁路，一般接入220 kV电压等级电网以提高短路容量，但接入高电压等级同时也缩短了牵引负荷与电网中发电机组的电气距离，使注入临近发电机组的负序电流更有可能超标，请钱院士再谈一谈您如何看待高速铁路负序问题对电网电能质量的影响?针对这一问题目前如何解决?

钱院士：对于高铁的负序问题，在我刚刚的演讲中有提到，高速铁路牵引负荷比普速铁路大，但同时电力系统供电能力也不断增强，通常情况下能够满足高铁供电需求。远期随着牵引负荷的进一步增大，的确存在以负序为主的电能质量问题。此外，既有牵引供电系统还存在过分相引起的机电过程复杂，自动过分相结构复杂，动作频繁，寿命短，可靠性低;电分相造成的列车速度和牵引力损失等问题。为此，西南交通大学自1988年率先提出同相供电概念以来，经二十余年的系统研究，形成了同相供电系统理论体系和配套技术方案，为解决长期困扰电气化铁路的电分相和电能质量两大难题，奠定了基础。

同相供电系统是指为电力机车或动车组提供电能的各供电区间具有相同电压相位的牵引供电系统。西南交通大学自2007年起主持研究“十一五”国家科技支撑重大专项“电力电子关键器件及重大装备研制”课题：电气化铁路同相供电装置，完成的电气化铁路同相供电装置于2010年10月在成昆铁路眉山牵引变电所成功投入试运营，并于2011年7月17日高质量通过科技部组织的验收。此后，研究团队通过深化研究发现眉山方案存在局限性，提出了组合式同相供电方案，主要包括单三相组合式同相供电及单相组合式同相供电。
单三相组合式同相供电当牵引负荷功率小于等于同相补偿装置容量的2倍时，牵引变压器的同相补偿装置分别供给牵引负荷功率的1 / 2，此时负序电流得以完全补偿，由此引起的三相电压不平衡为零;当牵引负荷功率大于同相补偿装置容量的2倍时，同相补偿装置按自身额定容量供给牵引负荷功率，其余部分由牵引变压器供给，此时有剩余负序电流流通，但产生的三相电压不平衡度满足国标要求。

2013年7月中国铁路总公司签发文件，由西南交通大学总体负责，在沙峪牵引变电所供电范围内开展单三相组合式同相供电技术试验。初步安排2014年4月开始上线试验，2014年11月完成。采用同相供电装置，将原有牵引变电所的两相变换为一相，取消了变电所处电分相，可大大提高列车运行的技术速度，提高线路通过能力;改善电气化铁路牵引负荷负序，满足国标要求;提高牵引变压器容量利用率;进一步增强牵引供电系统的节能效果。

记者：钱院士您长期从事铁道电气化与自动化领域的科研与教学工作，曾主持研制成功了我国**套电气化铁道多微机远动监控系统。SCADA系统可通过各被控站 RTU采集电网的静态测量值，实现遥测。而柔性SCADA系统更具有数据管理和按需交互信息的智能终端，可采集电网的正常静态信息、动态信息和故障信息，旨在提高铁路配电网的供电可靠性。未来SCADA系统在铁路配电网中的应用是否也会将电能质量指标纳入监测范围，对改善电网电能质量起到积极作用?

钱院士：应该是这样，你刚刚讲的**套SCADA系统已经过去了很多年，今天的SCADA系统可能概念都已经不一样了，功能已经强大多了，随着科技的发展，这些功能当然会包含，包括刚刚讲的同相供电，也有监测、监控功能。目前来讲，SCADA系统的管理、信息共享等功能都已经高度集成，目前我国国内主要电气化铁路干线均采用西南交通大学研制的电力调度管理自动化系统，监测点可以达到100多万点。今后随着科技发展，不仅是对电能质量的监控，还包括节能等各个方面的指标都应该纳入进来，以保障电网的**可靠。

目前，在地铁这种城市轨道交通系统中，SCADA系统已经高度集成，包括电力SCADA、FAS / BAS、广播、电视、自动屏蔽门等5 ~ 6个系统均已经高度集成，将来肯定是这个趋势。

记者：电能作为一种商品，势必存在质量问题，而在电能的整个传输应用过程中，不仅电气化铁路是谐波源，建筑中的大量非线性负荷(如节能灯)也是谐波源，且建筑是能耗大户，其能耗可能占到总发电量的40 %，所以虽然单个非线性负荷的影响看似很小但其总量十分惊人，不容忽视。目前无论是在电气化铁路还是在民用建筑中，谐波的治理措施一般是采用无源及有源滤波器进行综合治理，均属于问题发生后的补救性处理，钱院士认为在未来随着技术的发展，是否会有更好的措施，可以在产品或设计源头改善或解决电能质量问题?
钱院士：肯定有，随着科技的发展不断会有新的技术应用到实际工程中，比如我刚刚提到的同相供电技术，就是从源头上解决高速铁路的负序问题的一种前沿技术。以前我们研究阻抗匹配平衡变压器等都是试图解决电能质量问题，但这是一个综合的问题，不仅只有一个角度，所以还需要一步步地深入研究，协调多方面共同解决这一问题。

节能是个永恒的主题，在建筑物中，以商场举例，夏天空调温度调得非常低，冬天又非常高，其实完全没有这种必要，这些都是问题，浪费能源。按照现在的科技来讲，应该很容易解决这些问题。那么对于大型的公共建筑，空调采暖是一方面，采光、电梯的变频控制是另一方面，在照明方面，现在大量采用的声控、光控技术就可以有效地节能，同样采用变频技术后电梯可以节能达到70 %，这些技术都是上世纪90年代以后才开始应用的，从建筑节能来说，我觉得进步很大。

记者：钱院士您非常了解咱们建筑电气领域的这些节能措施，包括您提到的空调系统、照明控制和变频技术都是我们行业本身十分关注的节能问题。

钱院士：这些可以说都是我的亲身感受。

记者：钱院士您作为我国铁路电气化自动化的老一辈工作者，亲历了我国电气化铁道的从无到有的逐步建设，为我国铁道电气化与自动化学科的发展和人才的培养做出了杰出贡献。是值得我们尊敬与学习的老一辈科技工作者，*后请钱院士寄语建筑电气行业的广大一线科技工作者们。

钱院士：你们年轻一辈取得的成绩我也感到十分骄傲，我想说的主要是**和奋斗两点，还有就是踏踏实实地工作。当初我为何要投身我们国家的电气化铁路建设呢，主要还是响应国家四个现代化建设的号召，那么对于当前来说，国家强调改革转型，那么我们广大科技工作者就更要积极**、奋斗。

记者：感谢钱院士接受本社的采访!

钱清泉院士简介

西南交通大学教授，长期从事铁道电气化与自动化领域的科研与教学工作;主持研制成功了我国**套电气化铁道多微机远动监控系统，在10多项国家、省部级重点工程中推广应用;参与组织和筹建牵引动力国家重点实验室，实验室建成后通过国家验收，达到世界先进水平。在电气化智能监控系统与综合自动化研究领域取得了丰硕成果;获十余项国家、省部级科技进步奖和国内“五一”劳动奖章等荣誉;1997年当选为中国工程院院士。

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