李曉婷，孫 威

（陜西省電力設(shè)計院，西安 710054）

1 陜西電網(wǎng)及已投產(chǎn)電氣化鐵路總體概況

截至目前，陜西省建成運營的電氣化鐵路有隴海鐵路、陽安鐵路、寶中電鐵、寶成鐵路、襄渝鐵路、神朔鐵路、寶天鐵路、西南鐵路、西康鐵路、西安鐵路樞紐北環(huán)線、包神鐵路總計11條，非電氣化鐵路1條，為西延鐵路。電氣化鐵路在陜西西安、咸陽、寶雞、渭南、榆林、漢中、安康、商洛8個城市均有分布，電鐵牽引站總計61座。電氣化鐵路變電站的外部供電電壓等級均采用110 kV。陜西境內(nèi)電氣化鐵路年最大用電負荷約86萬kW，占全省用電負荷的9.1%；年用電量約23.2574億kW·h，占全省全社會用電量的3.6%左右；電氣化鐵路系統(tǒng)總體最大負荷利用小時數(shù)約2 600 h[1-2]。

2 目前電氣化鐵路外部供電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及基本要求

2.1 電力牽引系統(tǒng)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1）牽引站主接線方式：均為線路分支接線；

2）牽引變壓器形式：大多為Yn,d11接線型式、個別為三相VV接線型式；

3）牽引系統(tǒng)供電方式：均為帶回流線的直接供電方式；

4）牽引機車形式大都采用客機SS7E、SS9，貨機SS4；

5）電力牽引站主變構(gòu)成以及運行方式：現(xiàn)狀運行的電力牽引站均為2臺變壓器，單臺主變?nèi)萘繌?5MV·A、16MV·A、20MV·A、31.5MV·A、50MV·A不等，2臺變壓器容量構(gòu)成不盡相同，且均有較大的過負荷能力。正常方式下2臺變壓器一臺運行一臺熱備用。

2.2 電氣化鐵路外部供電工程對電力系統(tǒng)的基本要求

電氣化鐵路機車牽引負荷為一類負荷，要求可靠性高，一般由電力系統(tǒng)以110 kV電壓供電。牽引變電站除要求安裝2臺主變，一臺運行一臺熱備用外，還必須有2個獨立的電源，且牽引變的2個供電線路要求有各自桿塔和走徑，保證一回供電線路故障切除時，另一回線路迅速投運，縮短牽引變的停運時間。

3 電氣化鐵路外部供電對電力系統(tǒng)的影響

3.1 電氣化鐵路電力牽引系統(tǒng)運行特性對供電系統(tǒng)的影響及應(yīng)對措施

電氣化鐵道電力機車牽引負荷為波動性大的大功率單相整流負荷，在電力系統(tǒng)中具有隨機性、沖擊性、不對稱性和非線性等特點，從而對電力系統(tǒng)設(shè)備及電能質(zhì)量產(chǎn)生諸多影響，歸結(jié)起來主要有以下幾點：

1）機車運行的隨機性和沖擊性造成系統(tǒng)電壓波動。

2）不對稱性供電會在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生負序分量，進而造成系統(tǒng)中運行的發(fā)電機產(chǎn)生振動或轉(zhuǎn)子局部過熱現(xiàn)象，直接危害發(fā)電設(shè)備，影響運行狀況及壽命，也可能使負序分量起動的保護發(fā)生誤動。

3）非線性。電力機車從接觸網(wǎng)得到的單相工頻交流電，需經(jīng)機車內(nèi)部大容量的硅整流變成直流，因此在機車運行過程中整流設(shè)備會在系統(tǒng)中產(chǎn)生高次諧波。由此產(chǎn)生的高次諧波會造成高頻保護誤動、電容器誘發(fā)諧振甚至燒壞、對通訊線路造成干擾、網(wǎng)損增加、電度表計量精度下降等問題，對電網(wǎng)供電可靠性、運行經(jīng)濟性都會產(chǎn)生不利。減小負序電流和高次諧波的措施主要有：

①牽引變采用限制負序電流和諧波效果較好的變壓器，如“SCOTT”變壓器、平衡變壓器等。

②牽引變電站采用換相連接，盡量使電力系統(tǒng)平衡運行以減小負序電流。

③合理安排牽引機車的運行方式，使三相負荷平衡以減小負序電流。

④系統(tǒng)中安裝濾波器、SVC等設(shè)備以吸收諧波、減小負序電流[3]。

3.2 電力鐵路走徑、牽引變電所落點等固有特點對供電工程的影響

3.2.1 電氣化鐵路路徑方面

牽引變電所都沿鐵路走向分布，由于電氣化鐵路大多路段途經(jīng)偏遠地帶；僻遠地段交通、經(jīng)濟相對落后，往往此類區(qū)域也正是電網(wǎng)薄弱區(qū)域甚至是電網(wǎng)覆蓋盲區(qū)。因此，在電氣化鐵路外部供電工程中，不可避免地需要新建大量電力線路；同時為滿足電氣化鐵路高可靠性的要求，電鐵外部供電電源線路原則上應(yīng)從電力系統(tǒng)變電站直接出線，因此電力系統(tǒng)需要為電氣化鐵路供電儲備大量的出線間隔；從而必然引起電力系統(tǒng)已有變電站的改擴建。已有電網(wǎng)無法解決的區(qū)域，在低電壓供電技術(shù)本身能滿足要求的地方需考慮采用更高等級電壓供電或采用大量技術(shù)難度大、運行復(fù)雜的技術(shù)手段。

比如，在太中銀電氣化鐵路從東自吳堡縣進入陜西，一路向西到定邊縣出陜西境，陜西境內(nèi)全長約300 km。所經(jīng)地區(qū)均處于電網(wǎng)末端，缺乏電源及電網(wǎng)支撐。為滿足沿線7座牽引變電所供電，電力系統(tǒng)須建設(shè)綏德、靖邊和定邊3座330 kV變電站；同時需建設(shè)110 kV輸電線路約500 km，電網(wǎng)總投資約12億元。僅110 kV線路投資約3億元[4]。在包西電氣化鐵路供電工程中張興莊牽、綏德牽、呼家塔牽、子長牽、北塬牽仍存在上述問題。

3.2.2 電力牽引變電所所址落點對電力系統(tǒng)的影響

大多電力牽引變電所落點都在人口密集、廠房集中、交通發(fā)達的火車站附近。從而導(dǎo)致牽引變電所外供電源進出線異常困難；理想的、技術(shù)性優(yōu)越的外部供電方案落實困難。例如包西電氣化鐵路的閆莊則、子長、蟠龍、延安、甘泉、洛川東共6座牽引變電所，由于牽引變所址所處區(qū)域人口密集、廠房集中直接影響架空出線，為此牽引變電所進線段不得不采用電纜，共計采用電纜約14 km，較普通架空線路投資約高6 000萬元[5]。不僅如此，而且在采用電纜時，由于受電氣化高次諧波影響，電力電纜將產(chǎn)生的集膚效應(yīng)等不利于電纜安全運行和電纜使用壽命的不良影響[6]。

3.2.3 電力牽引變電所固有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對供電工程系統(tǒng)方案的影響

現(xiàn)已運行、在建以及正在設(shè)計的電氣化鐵路牽引變電所主接線方式均為線路分支接線,電源側(cè)接線簡易，嚴重制約了牽引所之間供電電源側(cè)互聯(lián)。因此，為保證電力牽引變電所供電可靠性，電氣化鐵路供電線路連接必須從電網(wǎng)方面解決。比如，電力牽引所要么從系統(tǒng)變電站直出電源、要么為沿線電力牽引所建設(shè)單獨的開關(guān)站，這樣一來一方面制約著電氣化鐵路供電方案的優(yōu)越性發(fā)揮，另一方面造成電網(wǎng)建設(shè)投資增大。比如太中銀、包西電氣化鐵路等供電方案中，為滿足電氣化鐵路供電需要，受牽引變電所接線形式限制不但占用了系統(tǒng)大量的出線間隔位置，而且須配套建設(shè)數(shù)座系統(tǒng)變電站或開關(guān)站。尤其在太中銀電氣化鐵路供電工程中：

1）若采用電力牽引變電所固有的線路分支接線，采用系統(tǒng)直出接線方式向牽引變供電，至少須系統(tǒng)12個110 kV出線間隔，須新建約620 km線路，建1座110 kV開關(guān)站（或變電站），投資約4.2億元；

2）同樣如果采用系統(tǒng)直出接線方式向牽引變供電，電力牽引變電所不采用固有電氣主接線的情況下，較采用固有電氣主接線形式，須出線10個110 kV出線間隔，建線路約442 km，也不需要專門建設(shè)開關(guān)站，投資約2.8億元?？梢?，僅通過電力牽引變電所優(yōu)化完善電氣主接線形式，可節(jié)省電網(wǎng)建設(shè)投資1.4億元。

3.4 電氣化鐵路用電與供電工程建設(shè)工期差異對供電工程的影響

由于電氣化鐵路本體工程中，外部供電系統(tǒng)站總體工程比例甚小，往往在本體施工階段才與電力部門溝通，因此造成供電工程建設(shè)被動；加之電網(wǎng)建設(shè)前期審批、核準(zhǔn)等程序復(fù)雜、流程周期長，故而為滿足鐵路按時供電，直接導(dǎo)致供電工程建設(shè)周期短、壓力大。

4 結(jié)論及建議

1)考慮電力牽引負荷為單相的非線性負荷，由于功率大，分布廣，而且三相不對稱，在其運行過程中必然會有較大的負序電流和高次諧波注入電網(wǎng)，從而使電能質(zhì)量受到影響。一方面，作為電力系統(tǒng)應(yīng)完善網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，加大電網(wǎng)容量、提高電網(wǎng)抗負序及諧波能力，合理安排電網(wǎng)運行方式，在保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下，可以利用電力系統(tǒng)中所能允許的某些元件如線路、變壓器、電抗器的投入或退出來改變系統(tǒng)中負序電流的分配，以達到減少流入監(jiān)視負序電流的目的。另一方面，鐵路設(shè)計、運行等部門在電鐵設(shè)計、運行過程中對運行方式應(yīng)予以充分重視，無論是在相序安排或是考慮限制電氣化鐵路的運行方式等多方面進行考慮，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行[7]。

2)有關(guān)鐵路設(shè)計、建設(shè)等部門應(yīng)與供電部門加強溝通，在執(zhí)行有關(guān)電鐵標(biāo)準(zhǔn)的同時應(yīng)充分考慮電力行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在規(guī)程規(guī)范許可范圍內(nèi)適當(dāng)采用加強型電氣主接線形式。

3)有關(guān)鐵路部門，須對電氣化牽引負荷采取有效的諧波管理和抑制措施，盡量減少各次諧波電壓含有率及負序電流，并在鐵路列車正式投運前提交對諧波及負序治理效果的專題測試報告。

4）隨著電鐵運輸量的不斷增大，電鐵牽引站引起的負序電流分量仍可能會相應(yīng)增大。因此，為保證發(fā)電機組的安全運行，必須在發(fā)電機組的入口處加強對負序電流的監(jiān)測和保護。對機車注入電網(wǎng)的負序、諧波電流及高次諧波電壓含量進行監(jiān)視。

5）建議供電部門在保證電氣化鐵路安全供電的同時，在供電質(zhì)量、報裝容量與實際運行差異性方面采取相應(yīng)的考核措施。

[1] 李曉婷，孫紅麗.陜西境內(nèi)電氣化鐵路供電工程調(diào)研報告[R].西安：陜西省電力設(shè)計院，2009.

[2]張車正，姚金雄，楊柳.“十二五”陜西電氣化鐵路供電規(guī)劃研究[J].陜西電力,2009，37（11）:37-40.

[3] 徐政,鄭翔.SVC抑制SSR的機理及控制器設(shè)計[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2010（3）:57-61.

[4] 姚金雄.太中銀電氣化鐵路（陜西段）供電方案研究[R].西安：陜西省電力設(shè)計院，2007.

[5] 張超.包西電氣化鐵路（陜西段）供電方案研究[R].西安：陜西省電力設(shè)計院，2009.

[6] 王星,尚濤,黃賢球,等.海南聯(lián)網(wǎng)海底電纜護套絕緣監(jiān)測方法[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2009,3（1）:62-65.

[7]姚金雄.“十二五”陜西境內(nèi)電氣化鐵路供電工程規(guī)劃專題[R].西安：陜西省電力設(shè)計院，2009.