電鐵牽引負(fù)荷對(duì)某地區(qū)電網(wǎng)電壓的影響分析及治理措施

葉樹平，杜嚴(yán)行

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司，寧夏 銀川 750411）

0 引言

為廣大用戶提供具有合格電壓質(zhì)量（滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）的電能是供電企業(yè)的基本任務(wù)，然而隨著科技的快速發(fā)展及大量非線性負(fù)荷的接入，對(duì)電力系統(tǒng)供電電壓產(chǎn)生了不容忽視的影響，尤其是生產(chǎn)過(guò)程或工藝具有“高、精、尖”特征的用戶，由于其對(duì)電壓質(zhì)量敏感性高，異常的供電電壓可能導(dǎo)致產(chǎn)品或者物料報(bào)廢，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，因此必須關(guān)注供電電壓質(zhì)量。其中諧波電流和負(fù)序電流是影響電網(wǎng)電壓質(zhì)量的一個(gè)重要因素，而電鐵牽引系統(tǒng)是主要的諧波源［1-4］。為了從源頭上限制諧波，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電鐵牽引系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，并提出了一系列限制諧波的措施，并且這些措施在電鐵牽引系統(tǒng)中得到了大量的應(yīng)用，可是不論采取什么措施都不能完全消除諧波，而鐵路又是國(guó)家重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施和重大民生工程，截至2020 年底全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程更是達(dá)到了14.63 萬(wàn)km，而且這個(gè)數(shù)字還在不斷增加，與之相應(yīng)的電鐵牽引變電站也在不斷增加。

如何“協(xié)調(diào)”電鐵牽引系統(tǒng)與電網(wǎng)中其他“高、精、尖”用戶更好地“和諧相處”成為電網(wǎng)公司的一大難題［5-6］，通過(guò)對(duì)某地區(qū)電網(wǎng)電壓波動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分析，得出電力系統(tǒng)短路容量的大小也是影響電網(wǎng)電壓穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要因素。

1 電鐵牽引供電系統(tǒng)原理及其負(fù)荷性質(zhì)

1.1 電鐵牽引供電系統(tǒng)原理

鐵路牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所、接觸網(wǎng)、回流線及火車鋼軌組成，牽引變電所從地區(qū)電網(wǎng)引入電源，然后通過(guò)主變壓器將電能變換為符合電力機(jī)車牽引要求的電能并輸送到鐵路接觸電網(wǎng)上。接觸網(wǎng)懸掛在鋼軌上方，沿軌道敷設(shè)，并和鐵路軌頂保持一定的距離，當(dāng)火車通過(guò)時(shí)，火車的受電弓和接觸網(wǎng)的滑動(dòng)接觸供給機(jī)車電能，從而驅(qū)動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)使火車運(yùn)行，而回流線和鋼軌作為導(dǎo)通回的流組成部分把軌道中的回路電流導(dǎo)入牽引變電站的主變壓器，其基本結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。

1.2 電鐵牽引負(fù)荷性質(zhì)

電氣化鐵路牽引系統(tǒng)內(nèi)有大量的電力電子設(shè)備，通過(guò)這些設(shè)備的整流和逆變后會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波電流，另外電力機(jī)車是一種單相負(fù)荷，在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)對(duì)稱分量法還會(huì)向系統(tǒng)輸送負(fù)序分量。除此之外由于電力機(jī)車的數(shù)量、位置、取流大?。ㄅc線路峽道及彎道、牽引重量、運(yùn)行速度、行車密度等有關(guān)）是不斷變化的，因而負(fù)荷具有明顯的波動(dòng)性和間歇性。文獻(xiàn)［7］通過(guò)分析電鐵的運(yùn)行工況，指出電鐵負(fù)荷本質(zhì)上是一種隨機(jī)性、波動(dòng)性、沖擊性、不對(duì)稱性的非線性負(fù)荷。

2 電鐵牽引對(duì)地區(qū)電網(wǎng)電壓影響

2.1 變電站運(yùn)行方式

GSW牽引變電站為某地區(qū)某鐵路的一所牽引變電站，接線方式如圖2 所示，其有兩條進(jìn)線供電電源，一條為110 kV F 高牽線接自110 kV XF 變電站（如圖3所示），另外一條為110 kV J高牽線接自330 kV JJN 變電站（如圖4 所示），其中110 kV J 高牽線為該牽引變電站的主供電源，110 kV F 高牽線為該牽引變電站備供電源［8］。根據(jù)圖3 可知，110 kV XF 變電站接線較為簡(jiǎn)單，而且該變電站為單電源供電，其110 kV 系統(tǒng)除111 ZF 線進(jìn)線電源外只有兩條出線，其中121 F 利線為該地區(qū)一個(gè)能源化工企業(yè)的供電電源（該用戶為氨綸生產(chǎn)企業(yè)，對(duì)電網(wǎng)電壓質(zhì)量要求特別高），112 F 高牽線為GSW 電鐵牽引變電站的備供電源。如圖4 所示330 kV JJN 變電站接線則較為復(fù)雜，不僅電壓等級(jí)較高，且只110 kV 系統(tǒng)出線就達(dá)16 條之多，其中也不乏帶有“高、精、尖”用戶［9］。

圖2 GSW牽引變電站運(yùn)行方式

圖3 110 kV XF變電站接線及運(yùn)行方式

圖4 330 kV JJN變電站110 kV系統(tǒng)接線及運(yùn)行方式

2.2 電網(wǎng)電壓異常波動(dòng)分析

2021年5月30日J(rèn)JN變電站111 J高牽線需要更改定值而將GSW牽引變電站的負(fù)荷臨時(shí)倒至110 kV XF 變電站112 F高牽線供電。10：31該變電站所帶氨綸生產(chǎn)用戶向調(diào)控中心值班調(diào)度員反映他們對(duì)側(cè)電壓波動(dòng)很大，調(diào)度員立即查看該110 kV 母線ABC 三相電壓曲線，如圖5—圖7所示。

圖5 XF變電站110 kV母線A相電壓

圖6 XF變電站110 kV母線B相電壓

圖7 XF變電站110 kV母線C相電壓

為GSW 電鐵牽引變電站供電的112 F 高牽線的負(fù)荷曲線如圖8所示，112 F高牽線負(fù)荷波動(dòng)較大，與電鐵牽引變電站聯(lián)系得知此刻火車通過(guò)。

圖8 XF變電站112 F高牽線的負(fù)荷曲線

根據(jù)圖5—圖8曲線圖可以看出，當(dāng)GSW牽引變電站有火車通過(guò)時(shí)XF 變電站110 kV 母線三相電壓都發(fā)生了不同程度的突降，其中A 相和B 相電壓降幅較大，最大降幅近2 kV，而C 相電壓波動(dòng)相對(duì)前兩相較小，也就是說(shuō)XF變電站110 kV母線三相電壓在過(guò)火車時(shí)發(fā)生了明顯的不平衡。除此之外還可以看出XF 變電站110 kV 母線三相電壓的波動(dòng)幅度跟電鐵牽引負(fù)荷的大小也有關(guān)系，當(dāng)電鐵牽引負(fù)荷較大時(shí)三相電壓波動(dòng)幅度也跟著變大，當(dāng)電鐵牽引負(fù)荷較小時(shí)三相電壓波動(dòng)幅度則相對(duì)較小［9-10］。

2.3 XF變電站110 kV母線電壓波動(dòng)分析

2.3.1 XF變電站與JJN變電站特點(diǎn)

GSW 電鐵牽引變電站的負(fù)荷常年由330 kV JJN變電站的110 kV J高牽線所供，在110 kV J高牽線供電期間，無(wú)論什么時(shí)候過(guò)火車或者過(guò)什么類型的火車，JJN 變電站110 kV 母線三相電壓一直平穩(wěn)，JJN變電站所帶用戶也從未反映其站內(nèi)電壓有波動(dòng)現(xiàn)象［11］。比較兩座變電站的接線及運(yùn)行方式發(fā)現(xiàn)兩座變電站主要有兩處不同點(diǎn)：1）XF 變電站電壓等級(jí)最高為110 kV，JJN 變電站電壓等級(jí)最高為330 kV；2）XF 變電站由110 kV ZF 線單電源供電，110 kV 系統(tǒng)除了110 kV F 高牽線外只有110 kV F 利線一條出線，而JJN變電站110 kV系統(tǒng)有16條出線。

2.3.2 諧波電流和負(fù)序電流對(duì)電網(wǎng)的影響

電力機(jī)車在運(yùn)行時(shí)會(huì)向電網(wǎng)輸送諧波電流，而我國(guó)電力系統(tǒng)中對(duì)母線諧波電壓、諧波電流的限值是有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的，公共電網(wǎng)諧波電壓值見(jiàn)表1，注入公共連接點(diǎn)（Point Common Connection，PCC）的諧波電流值見(jiàn)表2。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）

表2 注入PCC的諧波電流限制

如果PCC 點(diǎn)的最小短路容量與基準(zhǔn)短路容量不一致時(shí)，則流入PCC 點(diǎn)諧波電流需要進(jìn)行限制，其值可由式（1）算出［12］。

式中：SJ為基準(zhǔn)短路容量；SX為PCC 點(diǎn)最小短路容量；IhJ為基準(zhǔn)短路容量對(duì)應(yīng)的第h次諧波電流的限值；IhX為短路容量為SX時(shí)的第h次諧波電流的限值。

如果有多個(gè)諧波源的諧波電流同時(shí)注入一個(gè)PCC 點(diǎn)時(shí)，則這個(gè)PCC 點(diǎn)第P個(gè)用戶流入的第h次諧波電流值需要進(jìn)行限制，其限值可由式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：IhP為由式（2）進(jìn)行計(jì)算得出的第h次諧波電流限值；Ih為第h次諧波電流；I為流入PCC 點(diǎn)的總電流；SP為第P個(gè)用戶的用電協(xié)議容量；Sd為電網(wǎng)PCC點(diǎn)的短路容量；α為疊加系數(shù)，其值按表3選取。

表3 疊加系數(shù)

除此之外由于電鐵牽引負(fù)荷是不對(duì)稱負(fù)荷，根據(jù)對(duì)稱分量法可分解出負(fù)序分量，再加上電力機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的諧波電流大量注入電網(wǎng)PCC點(diǎn)，其和諧波電流在電網(wǎng)PCC 點(diǎn)產(chǎn)生三相電壓不平衡度εU和諧波電壓UHRh為［13-14］：

式中：UN為電網(wǎng)的額定電壓；I2為負(fù)序電流。

由式（1）和式（2）得知，根據(jù)電網(wǎng)PCC 點(diǎn)短路容量的大小不同需要對(duì)流入PCC 點(diǎn)諧波電流需要進(jìn)行限制，電網(wǎng)PCC 點(diǎn)短路容量大則允許流入的諧波電流大。從式（3）和式（4）可以更直觀地看出，電鐵牽引負(fù)荷在PCC 點(diǎn)引起的電壓不平衡度和諧波電壓與PCC 點(diǎn)的短路容量成反比，與電鐵牽引負(fù)荷注入的負(fù)序電流和諧波電流成正比，而XF 變電站為110 kV變電站且為單電源供電，再加上出線較少，其110 kV母線短路容量相對(duì)來(lái)說(shuō)很小根本不可能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于三相電壓不平衡度允許值2%、短時(shí)不超過(guò)4%的要求［15］。因此可以分析出諧波電流和負(fù)序電流是造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)的第一原因，而GSW 電鐵牽引站在由短路容量較大330 kV JJN 變電站供電時(shí)其110 kV 母線電壓平穩(wěn)運(yùn)行的現(xiàn)象可以得出XF 變電站110 kV 母線電壓波動(dòng)的原因應(yīng)該是其110 kV 母線短路容量較小。

2.3.3 電力系統(tǒng)短路容量抗?fàn)恳?fù)荷干擾能力分析

根據(jù)式（3）—式（4）及GSW 電鐵牽引站在由不同短路容量變電站供電時(shí)變電站110 kV母線電壓運(yùn)行情況，可以初步判斷GSW 牽引負(fù)荷在由XF 變電站110 kV F高牽線供電時(shí)，引起XF變電站110 kV母線電壓的波動(dòng)的原因?yàn)閄F 變電站110 kV 母線短路容量較?。?6］。短路容量是反映電力系統(tǒng)中某一供電點(diǎn)電氣性能的一個(gè)特征量，電力系統(tǒng)中某點(diǎn)的短路容量Sd等于該點(diǎn)三相短路電流Id和電網(wǎng)額定電壓UN的乘積，即

根據(jù)電鐵牽引系統(tǒng)原理，可將電鐵牽引負(fù)荷等效為單相負(fù)荷。圖9 為單相負(fù)荷接入電網(wǎng)引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)分析模型。圖中，UA、UB、UC為系統(tǒng)相電壓，IL為負(fù)荷電流，ΔU為電壓降。

圖9 單相負(fù)荷的供電系統(tǒng)簡(jiǎn)化電路

按照?qǐng)D9 給出的電路模型，依據(jù)歐姆定律我們可以計(jì)算出負(fù)荷電流IL為

式中：U0系統(tǒng)線電壓；ZL為單相負(fù)荷阻抗。

依據(jù)歐姆定律可繼續(xù)算出單相負(fù)荷的容量SA為系統(tǒng)阻抗上的電壓降ΔU為

式中：Z0為系統(tǒng)阻抗。

短路容量可以由式（10）計(jì)算。

利用式（7）—式（10）可以推導(dǎo)出相對(duì)電壓波動(dòng)d的公式為

從式（11）可以看出，在負(fù)荷變化量相同的條件下，負(fù)荷引起的電壓波動(dòng)與負(fù)荷接入PCC 點(diǎn)的系統(tǒng)短路容量成反比，也就是說(shuō)系統(tǒng)短路容量越大，引起的波動(dòng)量就小，相反則越大。

用系統(tǒng)短路容量從側(cè)面可以區(qū)分電力系統(tǒng)是強(qiáng)系統(tǒng)還是弱系統(tǒng)，短路容量較大的系統(tǒng)稱為強(qiáng)系統(tǒng)，就強(qiáng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其電網(wǎng)端口的伏安特性比較硬，承受擾動(dòng)的能力自然也強(qiáng)；相反，電網(wǎng)短路容量比較小的系統(tǒng)則稱為弱系統(tǒng)，對(duì)于弱系統(tǒng)而言，其電網(wǎng)端口的伏安特性較軟，同理，承受擾動(dòng)的能力就比較弱［17］。

從表4 可以看出XF 變電站110 kV 母線短路容量?jī)H為432.74 MVA，而JJN 變電站的110 kV 母線短路容量約是XF變電站的8倍，實(shí)際中XF變電壓最高等級(jí)為110 kV，JJN 變電站電壓最高等級(jí)為330 kV。即同樣是110 kV 母線供電，JJN 變電站相比XF 變電站是強(qiáng)系統(tǒng)，除此之外由于JJN 變電站110 kV 系統(tǒng)有較多的出線可以多分散負(fù)序電流，所以GSW 電鐵牽引負(fù)荷由XF 變電站供電時(shí)對(duì)XF 變電站110 kV母線電壓影響較大，也就是說(shuō)當(dāng)諧波電流和負(fù)序電流一定的情況下，決定PCC 點(diǎn)母線電壓是否能保持平穩(wěn)運(yùn)行的因素就取決于該P(yáng)CC 點(diǎn)母線短路容量的大小。

表4 XF變電站與JJN變電站110 kV母線短路容量對(duì)比單位：MVA

3 解決措施

根據(jù)式（3）和式（4）可知，造成PCC 點(diǎn)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的最根本原因就是電鐵牽引負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流和負(fù)序電流注入了電網(wǎng)，所以限制諧波電流跟負(fù)序電流是解決電壓波動(dòng)的最有效的途徑，而限制諧波電流和負(fù)序電流最好最有效的方法就是從源頭上來(lái)解決。限制諧波電流的措施可以采取在牽引變電站內(nèi)裝設(shè)濾波裝置，比如有源濾波器、無(wú)源濾波器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器、并聯(lián)補(bǔ)償電容裝置等，除此之外也可通過(guò)增加電力機(jī)車整流器的脈動(dòng)數(shù)來(lái)限制諧波電流。牽引變電站內(nèi)裝設(shè)有源濾波器和靜止無(wú)功補(bǔ)償器也可以達(dá)到限制負(fù)序電流的效果，在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，可以抑制電壓波動(dòng)、閃變和三相不平衡［18］。

根據(jù)式（3）和式（4）以及單相負(fù)荷的供電系統(tǒng)簡(jiǎn)化電路分析模型分析下還可以得出系統(tǒng)短路容量也是影響電壓波動(dòng)的一個(gè)非常重要因素，牽引變電站的電源盡量從330 kV 及以上電壓等級(jí)的變電站引出，因?yàn)橄鄬?duì)于110 kV變電站短路容量，330 kV變電站短路容量更大，短路容量越大系統(tǒng)承受負(fù)荷的非線性擾動(dòng)程度越強(qiáng)，牽引負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響就越小。除此之外330 kV 變電站供電可靠性也較110 kV 變電站高。

對(duì)于不方便從短路容量大的變電站引源情況，則需要在為牽引變電站供電的電源側(cè)變電站內(nèi)安裝對(duì)于諧波電流有抑制作用的電容器，并且要求隨時(shí)投入運(yùn)行，而且還需要多配出線來(lái)分散電鐵牽引負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序電流，從而增強(qiáng)該變電站運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)與鐵道部門溝通，要求其提高調(diào)度電力機(jī)車的自動(dòng)化水平，盡量使火車勻速運(yùn)行。除此之外該變電站最好不要帶有對(duì)供電電壓質(zhì)量敏感的高科技企業(yè)用戶。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，高科技企業(yè)越來(lái)越多，這些高科技企業(yè)對(duì)于電網(wǎng)供電電壓質(zhì)量要求是越來(lái)越高，而電鐵牽引系統(tǒng)的諧波電流和負(fù)序電流是影響電網(wǎng)電壓質(zhì)量的一個(gè)重要因素，現(xiàn)階段的技術(shù)水平只能將電鐵牽引系統(tǒng)內(nèi)的諧波電流和負(fù)序電流進(jìn)行一定的限制而卻無(wú)法做到完全消除。結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)象，對(duì)電鐵牽引負(fù)荷引起對(duì)某地區(qū)電網(wǎng)電壓波動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了分析，分析得出強(qiáng)大的電力系統(tǒng)可以完全抵御電鐵牽引負(fù)荷諧波電流和負(fù)序電流的影響。我國(guó)電力系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，現(xiàn)已建成了強(qiáng)大的高壓、特高壓電網(wǎng)，在徹底消除電鐵諧波技術(shù)欠缺下，完全可以依靠我國(guó)先進(jìn)的、強(qiáng)大的電力系統(tǒng)來(lái)承受經(jīng)限制后剩余的諧波電流和負(fù)序電流從而保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，建議今后電鐵負(fù)荷盡量接入電壓等級(jí)較高、較強(qiáng)的電力系統(tǒng)。