電氣化鐵路供電電能質(zhì)量測(cè)試主要結(jié)果分析

孫平

【摘 ?要】為掌握電氣化鐵路供電電能質(zhì)量現(xiàn)狀，確保電網(wǎng)安全運(yùn)行，滿足電氣化鐵路快速發(fā)展的供電需求，國(guó)家電網(wǎng)公司組織了一次大規(guī)模測(cè)試。通過(guò)對(duì)該電氣化鐵路線牽引用電諧波、負(fù)序、有功、無(wú)功等主要電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行分析，電氣化鐵路采用交直交型電力機(jī)車(chē)比傳統(tǒng)的交直型電力機(jī)車(chē)雖對(duì)電能有所改善，但仍存在諧波超標(biāo)及無(wú)功倒送現(xiàn)象，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)隱患，應(yīng)引起高度重視并積極解決。

【關(guān)鍵詞】電氣化鐵路;電能質(zhì)量;諧波;功率因數(shù);措施

電力系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放的公共系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)著向全社會(huì)提供電能的職責(zé)。因此，在滿足電氣化鐵路供電需求的同時(shí)，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)鐵路與電網(wǎng)雙贏發(fā)展的目標(biāo)是鐵路與電力雙方共同的責(zé)任。為了掌握電網(wǎng)向電氣化鐵路供電地區(qū)的電能質(zhì)量現(xiàn)狀，國(guó)家電網(wǎng)公司組織了一次大規(guī)模的電能質(zhì)量測(cè)試，針對(duì)我國(guó)電氣化鐵路牽引供電的特點(diǎn)，選擇不同供電電壓、不同供電方式、不同地區(qū)、不同機(jī)車(chē)負(fù)荷等有代表性的電力系統(tǒng)變電站，在該條線路正常運(yùn)行后即對(duì)牽引站接入電網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。

一、電氣化鐵路牽引站現(xiàn)狀

電氣化鐵路包括牽引供電系統(tǒng)和電力機(jī)車(chē)兩大部分。電氣化鐵路包括以下特點(diǎn)速度快、運(yùn)輸量大、節(jié)能環(huán)保、運(yùn)行成本低等，因此在運(yùn)輸業(yè)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，我國(guó)從零開(kāi)始建設(shè)電氣化鐵路，經(jīng)過(guò)五十多年的不懈努力，實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有、從常速到高速、從輕載到重載的跨越式發(fā)展。我國(guó)電氣化鐵路事業(yè)取得了跨越式發(fā)展，采用和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組的高速電氣化鐵路客運(yùn)一專(zhuān)線逐漸連接了我國(guó)各大城市，節(jié)省了旅客大量的時(shí)間，方便了人們的出行。根據(jù)鐵道部中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，中國(guó)鐵路將達(dá)到總里程，其中電氣化鐵路里程將達(dá)到百分之60以上。電氣化鐵路是我國(guó)鐵路今后的發(fā)展方向。

為減輕運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)序電流對(duì)電網(wǎng)的影響，電鐵各牽引站變壓器接線均采用V/X 方式。V/X 接線牽引變壓器是由V/V 接線牽引變壓器發(fā)展而來(lái)。V/X 接線牽引變壓器與V/V 接線牽引變壓器特性相同。V/X 接線是將V/V 接線和AT 方式純單相接線的技術(shù)進(jìn)行整合，在變壓器的設(shè)計(jì)和制造方面均比斯科特、十字交叉接線簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)端子標(biāo)志及連接示意圖如圖。

V/V 有兩個(gè)低壓繞組，而V/X 也有兩個(gè)低壓繞組，即T1-F1 和T2-F2 繞組。這兩個(gè)繞組都在中點(diǎn)引出一個(gè)O 點(diǎn)，這兩個(gè)O 點(diǎn)在外部聯(lián)成一個(gè)N 點(diǎn)接鋼軌，并使T1-F1 和T2-F2 組成60°電角，也就是兩個(gè)對(duì)頂?shù)腣，即正V 和反V 連接在一起，成為V/X。在AT 供電方式中，T1-F1 繞組為上行供電，T2-F2繞組為下行供電。T1 和T2 為接觸網(wǎng)線，F(xiàn)1和F2 為回流線。高壓AC 和BC 繞組與低壓繞組的角度仍與原來(lái)的V/V 一樣處于同相位，仍為60°夾角。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：牽引變電所內(nèi)V/X 接線牽引變壓器兩個(gè)副邊繞組中點(diǎn)抽頭可直接與軌道連接形成2×27.5 kV 系統(tǒng)，減少了變電所兩個(gè)自耦變壓器在雙線區(qū)段，每一變電所至少可節(jié)省4 臺(tái)AT，變壓器容量利用率高。由于采用了AT 供電方式，故通信干擾小，綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能優(yōu)越。

V/X 接線這種AT 方式牽引變壓器，與斯科特接線牽引變壓器相比，可節(jié)省出口自耦變壓器;與十字交叉接線牽引變壓器相比，容量利用率高，供電臂電壓水平高;與純單相接線牽引變壓器相比，可使負(fù)序影響減少一半，降低負(fù)序影響的能力適中，與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)相適應(yīng)的程度高;而與采用V/V 接線牽引變壓器相比，V/X 接線牽引變壓器合乎建設(shè)節(jié)約型社會(huì)和可持續(xù)發(fā)展的政策要求，更能順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的潮流。

二、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1、測(cè)試點(diǎn)選擇。由于鐵路牽引站均由鐵路部門(mén)管理，現(xiàn)場(chǎng)安全措施條件不符合電力安全規(guī)范，且采用現(xiàn)場(chǎng)24h掛網(wǎng)測(cè)試，故本次測(cè)試點(diǎn)均選在電網(wǎng)側(cè)變電站電鐵專(zhuān)線。

2、測(cè)試內(nèi)容。包括各牽引站供電的電網(wǎng)側(cè)變電站220kV 母線及供電專(zhuān)線的有功功率、無(wú)功功率及諧波、閃變、不平衡度等各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)。

3、測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法。對(duì)諧波、負(fù)序測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求：按95%概率大值選取測(cè)量值，即將實(shí)測(cè)值由大到小排列，舍棄前面的5%概率大值，取剩余實(shí)測(cè)值的最大值。測(cè)量結(jié)果應(yīng)取測(cè)量時(shí)段內(nèi)三相實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中95%概率大值的最大值作為判斷是否超標(biāo)的依據(jù)。

三、測(cè)試結(jié)果分析

1、功率

（1）有功功率。在測(cè)試時(shí)段，各牽引站均出現(xiàn)短時(shí)有功倒送情況經(jīng)查閱有關(guān)資料：電力機(jī)車(chē)在牽引工況時(shí)，牽引電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，將電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，軸上輸出牽引轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)列車(chē)運(yùn)行;電力機(jī)車(chē)在電氣制動(dòng)時(shí)，列車(chē)的慣性帶動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)，此時(shí)牽引電機(jī)將作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將列車(chē)動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。輸出制?dòng)電流的同時(shí)，在牽引電機(jī)軸上產(chǎn)生反轉(zhuǎn)矩并作用于輪對(duì)，形成制動(dòng)使列車(chē)減速或在下坡道上以一定速度運(yùn)行。部分電力機(jī)車(chē)在制動(dòng)情況下，少量有功電能通過(guò)逆變裝置倒送回電網(wǎng)。

（2）無(wú)功功率。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，各站均存在無(wú)功倒送情況，各牽引站接入電網(wǎng)點(diǎn)多數(shù)時(shí)段處于無(wú)功倒送狀態(tài)。這是因?yàn)檩旊娋€路容性無(wú)功與負(fù)荷大小關(guān)系不大，只由線路長(zhǎng)短和電壓確定，而感性無(wú)功卻取決于負(fù)荷大?。寒?dāng)負(fù)荷功率小于自然功率時(shí)，則感性無(wú)功小于容性無(wú)功，輸電線路就會(huì)向電網(wǎng)倒送容性無(wú)功;反之，由電網(wǎng)向輸電線路提供容性無(wú)功。同一條線路，在重負(fù)荷下可呈現(xiàn)感性，輕負(fù)荷時(shí)則可呈現(xiàn)容性。由于目前溫福鐵路牽引站大部分時(shí)間處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，就會(huì)向系統(tǒng)輸出無(wú)功，造成無(wú)功倒送。

2、諧波。溫福線電力機(jī)車(chē)均是動(dòng)力分散型交直交傳動(dòng)機(jī)車(chē)。該類(lèi)機(jī)車(chē)采用了PWM 調(diào)制技術(shù)，主元件性能有較大改善，且各單元之間可采用不同相位、保持一定的相角差來(lái)補(bǔ)償一部分諧波。因此，高、低次諧波含量均比傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)機(jī)車(chē)要小。

（1）諧波電流。雖然交直交傳動(dòng)機(jī)車(chē)在諧波污染上有了很大的改善，但從測(cè)試數(shù)據(jù)看，高鐵仍會(huì)向電網(wǎng)注入超標(biāo)的諧波電流，主要是較高次的諧波電流超標(biāo)。

（2）諧波電壓。在測(cè)試時(shí)段內(nèi)，向牽引站供電的各220kV 母線諧波電壓指標(biāo)均未超標(biāo)，各次諧波畸變率最大不超過(guò)0.35%，總諧波畸變率不超過(guò)0.8%。這是由于接入的220kV 電網(wǎng)，而220kV 電網(wǎng)的諧波承受能力比110 kV 電網(wǎng)大得多。

四、電氣化鐵路電能質(zhì)量問(wèn)題的解決措施

電氣化鐵路的電能質(zhì)量問(wèn)題主要包括兩個(gè)方面一個(gè)是牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題另一個(gè)是牽引負(fù)荷的電能質(zhì)量問(wèn)題。牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與外部電壓等級(jí)、供電方式、輸入的短路容量、變壓器結(jié)構(gòu)都有著直接的關(guān)系電力機(jī)車(chē)的電能質(zhì)量與電力機(jī)車(chē)的電氣結(jié)構(gòu)、運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)。下面分為牽引供電系統(tǒng)和電力機(jī)車(chē)兩部分，簡(jiǎn)單介紹目前針對(duì)電氣化鐵路的諧波電流、功率因數(shù)偏低、負(fù)序電流等電能質(zhì)量問(wèn)題采取的主要措施。

（1）解決諧波問(wèn)題采取的措施。牽引供電系統(tǒng)在牽引變電所的牽引側(cè)安裝固定無(wú)源濾波器組FC，抑制奇次特征諧波采取電能質(zhì)量治理裝置在牽引變電所的牽引側(cè)進(jìn)行諧波治理，這些電能質(zhì)量治理治理裝置可以有效濾除諧波。

（2）電力機(jī)車(chē).發(fā)展包括動(dòng)車(chē)組在內(nèi)的交直交型電力機(jī)車(chē)，交直交型電力機(jī)車(chē)相比交直型電力機(jī)車(chē)諧波含量非常低其功率因數(shù)很高，具有良好的電能質(zhì)量特性對(duì)于仍在使用的交直型電力機(jī)車(chē)，可以在機(jī)車(chē)上加裝濾波裝置，使其注入牽引供電系統(tǒng)的諧波電流減小。

2、解決功率因數(shù)問(wèn)題采取的措施

（1）牽引供電系統(tǒng)。無(wú)功倒送現(xiàn)象不嚴(yán)重的牽引變電所，在牽引側(cè)采用固定無(wú)源濾波器組，辛卜償無(wú)功功率無(wú)功倒送現(xiàn)象較為嚴(yán)重的牽引變電所，在牽引側(cè)采取動(dòng)態(tài)SVC無(wú)功補(bǔ)償裝置，由于牽引變電所普遍存在無(wú)功倒送的現(xiàn)象，因此采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置十分必要。

（2）電力機(jī)車(chē)。使用交直交型電力機(jī)車(chē)，交直交型電力機(jī)車(chē)的功率因數(shù)很高，普遍能夠達(dá)到0.95以上，可以在交直型電力機(jī)車(chē)上加裝補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償其較低的功率因數(shù)。

（3）解決負(fù)序問(wèn)題采取的措施。電氣化鐵路的電力機(jī)車(chē)是單相負(fù)荷，當(dāng)其運(yùn)行時(shí)，會(huì)通過(guò)牽引變電所向三相電力系統(tǒng)注入負(fù)序電流。對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅。因此，需要抑制電氣化鐵路中的負(fù)序電流。解決負(fù)序問(wèn)題的方法主要有以一幾種牽引變電所一次側(cè)輪流換相，輪流換相使上級(jí)三相電力系統(tǒng)的三相負(fù)荷盡可能的平衡，以抑制負(fù)序電流盡量使接入牽引變電所的電壓等級(jí)為220KV及以上，并盡量提高輸入的短路容量采用三相—兩相的平衡變壓器。

隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，必須重視研究電氣化鐵路負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響及具體治理措施。綜合以上分析可得，目前運(yùn)行在高速電氣化鐵路上的交直交傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)雖然在諧波、負(fù)序、電壓波動(dòng)、功率因數(shù)等方面比傳統(tǒng)交直型機(jī)車(chē)有了很大改善。

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（作者單位：神華包神鐵路公司）