淺析電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)的影響及對(duì)策研究*

張 震，張道國(guó)

(1.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100032;2.電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013)

淺析電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)的影響及對(duì)策研究*

張 震1，張道國(guó)2

(1.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100032;2.電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013)

電氣化鐵路牽引負(fù)荷是波動(dòng)性很大的大功率單相整流負(fù)荷，在消耗電能的同時(shí)向電力系統(tǒng)注入大量的高次諧波及負(fù)序電流。本文結(jié)合其對(duì)電網(wǎng)造成的危害進(jìn)行理論分析，并提出相應(yīng)的治理措施。

電氣化鐵路;電網(wǎng);電能質(zhì)量;諧波;負(fù)序

一、引言

眾所周知，電氣化鐵路牽引負(fù)荷是大功率整流負(fù)荷，其用電會(huì)產(chǎn)生大量的諧波和負(fù)序影響，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。因此，應(yīng)提前做好應(yīng)對(duì)措施，將諧波和負(fù)序分量限制在可控范圍內(nèi)。

二、電氣化鐵路簡(jiǎn)介及現(xiàn)狀

電氣化鐵路一般由電力機(jī)車、牽引變電站和接觸網(wǎng)三部分組成，所以常稱其為電氣化鐵路的“三大元件”。電氣化鐵路采用工頻交流制牽引，具有速度快、運(yùn)輸能力強(qiáng)、供電距離長(zhǎng)、節(jié)省能源與造價(jià)、牽引性能好、污染小等優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)展前景廣闊。目前，我國(guó)電氣化鐵路總里程已達(dá)3.2萬(wàn)公里，躍居世界第二。

三、對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量諧波電流流向電力系統(tǒng)，尤其以3、5、7、9、11等奇次諧波為主;同時(shí)，電鐵牽引負(fù)荷屬工頻單項(xiàng)交流供電負(fù)荷，運(yùn)行時(shí)引起供電系統(tǒng)三相不平衡，產(chǎn)生負(fù)序電流和負(fù)序電壓;電鐵牽引負(fù)荷又具有波動(dòng)性和不確定性，具有短時(shí)沖擊負(fù)荷的特征?？梢?jiàn)，電氣化鐵路的電力機(jī)車是移動(dòng)性的單相整流帶沖擊的負(fù)荷，當(dāng)其接入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，將在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生較大的諧波和負(fù)序分量，對(duì)電氣設(shè)備及電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。因此，需要探討電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)尤其是電能質(zhì)量的影響。

1.電鐵牽引負(fù)荷的諧波分量對(duì)電網(wǎng)的危害

諧波分量產(chǎn)生的危害主要表現(xiàn)在能量損失、保護(hù)誤動(dòng)作、計(jì)量不準(zhǔn)確以及對(duì)電力設(shè)備造成損害。

諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，從而降低電網(wǎng)電壓，浪費(fèi)電網(wǎng)的容量。供配電系統(tǒng)中的電力線路與電力變壓器一般采用電磁式繼電器、感應(yīng)式繼電器或晶體管繼電器予以檢測(cè)保護(hù)，它們?nèi)菀资苤C波影響，產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)。當(dāng)諧波較大時(shí)將影響電力測(cè)量的準(zhǔn)確性，特別是使電能表產(chǎn)生計(jì)量混亂，測(cè)量不準(zhǔn)確。諧波使電容器損耗功率增加，電容器異常發(fā)熱，在電場(chǎng)和溫度的作用下絕緣介質(zhì)會(huì)加速老化。在諧波嚴(yán)重的情況下，還會(huì)使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。諧波使變壓器的銅耗和鐵耗增大，降低變壓器的實(shí)際使用容量。諧波導(dǎo)致導(dǎo)體的交流電阻增大，使得電纜的允許通過(guò)電流減小。

2.電鐵牽引負(fù)荷的負(fù)序分量對(duì)電網(wǎng)的危害

負(fù)序分量產(chǎn)生的危害主要表現(xiàn)在對(duì)發(fā)電機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、電力變壓器、輸電線路及繼電保護(hù)裝置等電力系統(tǒng)元件造成損害。

負(fù)序電流對(duì)發(fā)電機(jī)影響最大的是轉(zhuǎn)子的附加損耗與發(fā)熱，其次是附加振動(dòng)。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，較小的負(fù)序電壓會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)序電流和逆轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，影響其效率和安全可靠運(yùn)行。負(fù)序電流造成電力系統(tǒng)三相電流不對(duì)稱，因而有一相電流最大而不能有效發(fā)揮變壓器的額定出力，降低容量利用率。負(fù)序電流流過(guò)輸電線路時(shí)不做功，造成電能損失，降低輸送能力。負(fù)序電流干擾繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的負(fù)序參量啟動(dòng)元件，造成頻繁誤動(dòng)作。

四、危害治理措施

由此可見(jiàn)，電力機(jī)車在用電過(guò)程中產(chǎn)生大量的諧波與負(fù)序，且電力機(jī)車沿鐵路移動(dòng)用電，產(chǎn)生的危害性遠(yuǎn)比其他諧波源更為嚴(yán)重，更為廣泛。隨著電鐵運(yùn)量的增加和向東部發(fā)達(dá)地區(qū)擴(kuò)展，如未在牽引變電站得到及時(shí)治理，將注入電力系統(tǒng)，尤其當(dāng)諧波或負(fù)序分量較大時(shí)，嚴(yán)重影響全網(wǎng)安全及電能質(zhì)量。

1.具體工程實(shí)例

位于山東省境內(nèi)的220kV仁和－高密工程給電鐵供電，其中仁和站為220kV變電站，高密站為電鐵牽引站。

對(duì)于一條鐵軌，它分上行和下行，因此一般都是兩相供電，一路處于帶電待用狀態(tài)，通過(guò)分區(qū)亭斷路器(或負(fù)荷開(kāi)關(guān))的操作，實(shí)行雙邊(或單邊)供電，一旦發(fā)生故障，可以通過(guò)開(kāi)關(guān)的投切，實(shí)現(xiàn)切除故障和恢復(fù)供電。220kV兩相導(dǎo)線為鐵路牽引站供電，這兩相導(dǎo)線形成回路。自高密牽引站至鐵路接觸網(wǎng)段，為保證電壓經(jīng)長(zhǎng)距離傳輸(25km)后末端電壓仍能滿足電氣化牽引的需要，該段線路為27.5kV(鐵路接觸網(wǎng)額定電壓為25kV)單相工頻交流電。該電壓等級(jí)電流通過(guò)鐵軌和大地形成回路，為提高運(yùn)行安全，又增加了架空零線構(gòu)成整個(gè)回路。

可采用數(shù)字仿真模擬計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)等方法，也可利用諧波及負(fù)序計(jì)算軟件，預(yù)測(cè)電氣化鐵路諧波、負(fù)序分量在電網(wǎng)中的分布及影響。

2.諧波分量的治理建議

諧波既降低電網(wǎng)效率，又污染了整個(gè)電網(wǎng)。國(guó)外對(duì)電網(wǎng)諧波污染非常重視，對(duì)電氣化鐵路牽引負(fù)荷等引起電網(wǎng)嚴(yán)重污染的用電負(fù)荷制定了嚴(yán)格的用電標(biāo)準(zhǔn);同時(shí)大量使用電力濾波器、靜止無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備以凈化供電系統(tǒng)。我國(guó)供電系統(tǒng)對(duì)諧波造成的危害也十分重視，對(duì)用電單位制定了嚴(yán)格的獎(jiǎng)懲措施。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外諧波治理經(jīng)驗(yàn)，諧波污染問(wèn)題應(yīng)從全系統(tǒng)出發(fā)、全面規(guī)劃，采取有力措施加強(qiáng)技術(shù)監(jiān)督與管理，審核尚待投入負(fù)荷的諧波水平，已投運(yùn)的諧波源負(fù)載，要求用戶加裝濾波裝置，普遍采用具有法規(guī)和經(jīng)濟(jì)約束的手段，改變先污染后治理的被動(dòng)局面。通過(guò)完善現(xiàn)行的諧波管理規(guī)定，促使各電力部門乃至各電力用戶齊心協(xié)力，有效地治理諧波污染，保證高質(zhì)量的電能。

3.負(fù)序分量的治理建議

從整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)來(lái)看，近年來(lái)隨著電氣化線路的不斷增長(zhǎng)和電力系統(tǒng)容量的增加，使負(fù)序電流對(duì)系統(tǒng)的影響得到緩解，但是從單個(gè)變電站來(lái)看，作為電氣化鐵路負(fù)荷的電力機(jī)車是一個(gè)時(shí)變負(fù)荷，其負(fù)序電流總是存在的，對(duì)鐵路沿線的電力設(shè)備的影響并未完全消除。

可采取以下措施以降低和限制負(fù)序電流:(1)牽引變電站高壓側(cè)接入系統(tǒng)采用換相連接;(2)合理安排列車方式，使單相負(fù)載均衡分配在電氣化鐵路沿線;(3)采用同相供電系統(tǒng)與對(duì)稱補(bǔ)償技術(shù);(4)合理安排牽引站供電電源，使每一個(gè)牽引變保證有可靠的主供電源和備用電源，避免牽引站產(chǎn)生的負(fù)序電流過(guò)于集中，要由多個(gè)電源分擔(dān)，特別要注意離牽引站的電氣距離，容量小的發(fā)電機(jī)組不能接受較多的負(fù)序電流，更不能單獨(dú)做牽引電源。

五、結(jié)束語(yǔ)

電能質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，關(guān)系到用戶的可靠供電，是電網(wǎng)運(yùn)行水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)。提高電能質(zhì)量，減少電力污染，共創(chuàng)高質(zhì)量的潔凈電網(wǎng)。

［1］GB 50545－200X，《110kV ～750kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(報(bào)批稿)［S］.

［2］馬軍，楊媛，高勇.電氣化鐵路對(duì)電力系統(tǒng)的影響［J］.西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，(2).

［3］臧宏志，吳成安，趙兵.動(dòng)車組投運(yùn)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響［J］.山東電力技術(shù)，2007，(6).

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1006－5342(2011)10－0166－01

2011－08－12