青海電網(wǎng)電氣化高速鐵路特性分析

叢貴斌 劉可 閆涵

摘要：青海電網(wǎng)所轄區(qū)域內(nèi)蘭新第二雙線電氣化鐵路，是國(guó)家“八縱八橫”鐵路網(wǎng)主骨架之一，研究交直型電力機(jī)車、交交型電力機(jī)車的電氣特性，機(jī)車的負(fù)荷特性，牽引負(fù)荷與鐵路運(yùn)輸組織的關(guān)系，對(duì)分析負(fù)序指標(biāo)中的PCC點(diǎn)負(fù)序電壓允許值，公共連接點(diǎn)負(fù)序電壓不平衡度，牽引站的電壓不平衡度，諧波電流等指標(biāo)有著積極作用，繼而研究提高電氣化鐵路供電可靠性方法，消除電鐵對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；負(fù)荷特性；諧波特性

1.引言

青海電網(wǎng)所轄區(qū)域內(nèi)蘭新第二雙線為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)、雙線電氣化鐵路。新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線東起甘肅省省會(huì)蘭州市，途經(jīng)青海省民和縣、樂都縣、平安縣至青海省省會(huì)西寧，后折向北經(jīng)大通縣、門源縣，穿越祁連山山脈進(jìn)入甘肅省河西走廊西行，經(jīng)民樂縣、張掖市、臨澤縣、酒泉市、嘉峪關(guān)市、玉門市以及新疆自治區(qū)哈密市、鄯善縣、吐魯番市，西至新疆維吾爾自治區(qū)首府烏魯木齊市。是國(guó)家“八縱八橫”鐵路網(wǎng)主骨架之一。

2.電鐵特性及特點(diǎn)

2.1 電力機(jī)車的電氣特性

（1）交直型電力機(jī)車

我國(guó)目前在既有電鐵線路上，主要采用交直型電力機(jī)車。除少數(shù)從國(guó)外引進(jìn)的電力機(jī)車（如日本的6K型，法國(guó)的8K型）外，絕大多數(shù)是我國(guó)自行設(shè)計(jì)制造的SS（韶山）型單相工頻電力機(jī)車。如：適用于重載貨運(yùn)的SS4型，客貨兩用的SS6和SS7型，以及快速客運(yùn)和準(zhǔn)高速客運(yùn)的SS5、SS8和SS9型。機(jī)車從接觸網(wǎng)取得25kV工頻單相電壓，經(jīng)車載變壓器降壓到1500V，整流后向牽引電動(dòng)機(jī)供電。牽引電動(dòng)機(jī)采用直流串勵(lì)式，額定電壓為1020V，功率約為700—900kW。交直型電力機(jī)車的原理結(jié)線如圖2-1所示。

交直型電力機(jī)車采用半控橋式整流裝置，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)機(jī)車出力的調(diào)節(jié)。這一控制方式，使得交直型機(jī)車的功率因數(shù)較低（0.8左右），并產(chǎn)生較大的高次諧波（三次諧波電流分量占18%以上）。

（2）交直交型電力機(jī)車

高速鐵路采用高速列車，要求其起動(dòng)快，使其能在最短的時(shí)間和距離內(nèi)達(dá)到額定最高運(yùn)行速度。為此，必須加大牽引功率，以提高起動(dòng)牽引力。同時(shí)，當(dāng)列車速度達(dá)到額定最高運(yùn)行速度時(shí)，為保持其恒定速度，必須有足夠的持續(xù)牽引力來克服列車運(yùn)行阻力。列車運(yùn)行時(shí)的空氣阻力與列車速度的幾何關(guān)系成正比，因此，隨著列車速度的提高，列車單位重量所需的牽引力成倍增加，機(jī)車額定功率也隨之增加。高速列車對(duì)牽引動(dòng)力的基本要求是：功率大、軸重輕、自重小、黏著利用好、整機(jī)控制好等。交流機(jī)車牽引能夠同時(shí)滿足上述技術(shù)要求。交直交型電力機(jī)車的工作原理如圖2-2所示。

交直交型交流傳動(dòng)機(jī)車，采用四象限整流+PWM逆變器（VVVF）+三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)方式。通過GTO或IGBT器件進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷角的控制。這種供電方式的最大優(yōu)點(diǎn)在于：在牽引與制動(dòng)的整個(gè)功率范圍內(nèi)，網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)接近1（0.95以上）；采用多重的四象限脈沖整流，可以使網(wǎng)側(cè)的電流諧波最小（三次諧波電流小于2.5%）；通過控制可以使中間直流回路的電壓比較穩(wěn)定。

2.2 列車的負(fù)荷特性

（1）列車負(fù)荷與牽引重量的關(guān)系

在運(yùn)行、線路坡度相同的情況下，列車負(fù)荷與牽引重量成正比。

（2）列車負(fù)荷與運(yùn)行速度的關(guān)系

列車運(yùn)行速度越高，空氣阻力越大。在牽引重量、線路坡度相同的情況下，運(yùn)行速度越高，牽引功率和能耗大幅度提高。并且在高速時(shí)，列車主要克服空氣阻力運(yùn)行，持續(xù)受流時(shí)間長(zhǎng)。圖2-3為單位重量牽引功率隨速度的變化曲線。

2.3 牽引負(fù)荷與鐵路運(yùn)輸組織的關(guān)系

鐵路根據(jù)運(yùn)量和線路條件編制運(yùn)輸組織計(jì)劃，列車在行車調(diào)度的指揮下，在鐵路上按信號(hào)運(yùn)行。單線鐵路一般采用站間閉塞方式，一個(gè)區(qū)間只能有一列車運(yùn)行。復(fù)線鐵路采用劃分區(qū)間段閉塞方式，按固定間隔時(shí)間追蹤運(yùn)行。目前，貨車一般追蹤間隔8分鐘，最小追蹤間隔5分鐘；高速列車設(shè)計(jì)最小追蹤時(shí)間間隔，近期為4分鐘，遠(yuǎn)期為3分鐘。

鐵路建設(shè)時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)施均按遠(yuǎn)期線路能力一次規(guī)劃建設(shè)到位，運(yùn)輸設(shè)備按近期需要配置。

2.4 牽引變電所負(fù)荷特性

（1）負(fù)荷的沖擊性特點(diǎn)

牽引變電所一般為兩側(cè)單相供電，其負(fù)荷的大小與供電區(qū)間運(yùn)行的列車數(shù)量、鐵路線路坡度以及列車運(yùn)行的速度等因素有關(guān)。圖2-4所示為實(shí)測(cè)的某牽引變電所負(fù)荷曲線圖。可以看出，牽引負(fù)荷具有如下特點(diǎn)：牽引負(fù)荷的波動(dòng)大、兩供電臂負(fù)荷不均衡、功率因數(shù)低、無功沖擊大。

電氣化鐵路沿線路況千差萬別，列車在運(yùn)行時(shí)速度、線路坡度、風(fēng)速等隨時(shí)發(fā)生變化，列車按信號(hào)運(yùn)行，供電區(qū)間內(nèi)的列車數(shù)量疏密不等。這些因素造成列車數(shù)量及每一列車的負(fù)荷隨時(shí)變化，使?fàn)恳冸娝呢?fù)荷呈現(xiàn)波動(dòng)性。

（2）兩供電臂負(fù)荷的不均衡性

牽引變電所的負(fù)荷隨著兩供電臂內(nèi)列車數(shù)量以及列車負(fù)荷而變化，有時(shí)輕載甚至空載、有時(shí)嚴(yán)重過載。如在節(jié)假日、鐵路故障后恢復(fù)行車時(shí)會(huì)出現(xiàn)列車緊密追蹤情況，在軍運(yùn)、煤電運(yùn)、農(nóng)運(yùn)等特殊情況下，也會(huì)出現(xiàn)列車緊密追蹤的情況。 此時(shí)，牽引變電所會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷高峰值。

（3）負(fù)荷率低

牽引變電所的負(fù)荷是由鐵路運(yùn)量、列車速度、線路條件等因素決定的。列車運(yùn)行時(shí)的受流狀態(tài)隨時(shí)都在發(fā)生變化。其平均負(fù)荷較低。但牽引變電所的供電能力必須適應(yīng)短時(shí)出現(xiàn)的高峰負(fù)荷的需要。所以，牽引變電所的負(fù)荷率很低，一般不超過20%，個(gè)別達(dá)到30%。

（4）負(fù)序特性

由于機(jī)車為單相負(fù)荷，無論牽引變壓器采取何種結(jié)線方式，都將向系統(tǒng)注入較大的負(fù)序電流，從而造成系統(tǒng)的三相電壓不平衡。

（5）諧波特性

國(guó)產(chǎn)韶山型電力機(jī)車諧波含有率的試驗(yàn)值（單臺(tái)）如表2-1所示。

3、結(jié)論

針對(duì)青海電氣化鐵路四種機(jī)車運(yùn)行特性分析，依據(jù)負(fù)序指標(biāo)中的PCC點(diǎn)負(fù)序電壓允許值標(biāo)準(zhǔn)，接于公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶，引起該點(diǎn)負(fù)序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時(shí)不得超過2.6%，牽引站的電壓不平衡度均滿足國(guó)標(biāo)要求。同時(shí)存在諧波電流超標(biāo)現(xiàn)象，應(yīng)在未來規(guī)劃中考慮在牽引站內(nèi)加裝濾波裝置，消除超標(biāo)電流。

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