電氣化鐵路供電系統(tǒng)及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響

姚彥東

【摘 要】論文簡(jiǎn)要概述了電氣化鐵路供電系統(tǒng)和電氣化鐵路對(duì)電力系統(tǒng)的影響，并探討了改善這種不良影響的有效措施，以期能推進(jìn)我國(guó)電氣化鐵路進(jìn)一步發(fā)展。

【Abstract】This paper briefly outlines the influence of electrified railway power supply system and electrified railway on power system， and discusses the effective measures to improve the adverse effects，in order to promote the further development of electrified railway in China.

【關(guān)鍵詞】電氣化鐵路供電系統(tǒng)；電力系統(tǒng)；影響

【Keywords】electrified railway power supply system； power system； influence

【中圖分類(lèi)號(hào)】TM711 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）04-0189-02

1 引言

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和新型材料的應(yīng)用，我國(guó)電氣化鐵路得到空前發(fā)展，為我國(guó)鐵路運(yùn)輸業(yè)提供了巨大的推動(dòng)力。但是，在電氣化鐵路系統(tǒng)日漸完善的同時(shí)，其對(duì)電力系統(tǒng)的影響也更加明顯，由于電氣化鐵路系統(tǒng)中，電力機(jī)車(chē)帶有沖擊性負(fù)荷，如果將其接入電網(wǎng)，必然會(huì)在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生巨大的諧波電流，如果并未實(shí)施科學(xué)且合理的治理措施，必然會(huì)嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性。

2 電氣化鐵路供電系統(tǒng)概述

2.1電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)

電氣化鐵路相較于傳統(tǒng)鐵路，其帶動(dòng)列車(chē)運(yùn)行的電力機(jī)車(chē)缺乏自帶能源，電能供給主要依靠牽引供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括接觸網(wǎng)和牽引變電站，前者主要采取的供電方式包括：吸流變壓器供電方式、帶回流線的直接供電方式和自耦變壓器供電方式等[1]?，F(xiàn)階段，在我國(guó)普速電氣化鐵路中，帶回流線的直接供電方式較為常見(jiàn)，而自耦變壓器供電方式則多應(yīng)用于諸如客運(yùn)專(zhuān)線等高速電氣化鐵路中；牽引變電站的建設(shè)主要集中在鐵路沿線，根據(jù)鐵路的電氣化區(qū)段，充分考慮接觸網(wǎng)供電性能和牽引負(fù)荷等情況，在鐵路沿線設(shè)置多個(gè)牽引站，每?jī)蓚€(gè)牽引站之間的距離固定。并且在具體供電過(guò)程中采取雙線雙變的供電方式，具體分成兩路供電，二者互為熱備用，并且每個(gè)牽引變電站擁有兩個(gè)供電臂，如果有一個(gè)變電站出現(xiàn)供電故障，則通過(guò)接觸網(wǎng)網(wǎng)臂在相鄰變電站的作用下完成供電，此時(shí)會(huì)對(duì)行車(chē)密度以及速度產(chǎn)生影響，但不會(huì)導(dǎo)致停運(yùn)，如進(jìn)行合理調(diào)度，必然會(huì)減少不良影響。

2.2 牽引變壓器接線方式

目前，單相接線、SCOTT接線和阻抗平衡接線等方式多用于牽引變壓器接線種，其中后兩者屬于平衡變接線。首先，通常情況下，單相接線為鐵道部的首選接線方式，在我國(guó)220kV牽引變電站中多采用此種變壓器，其操作簡(jiǎn)單、容量利用率可達(dá)到100%，并且在具體運(yùn)行過(guò)程中與自耦變壓器供電方式相配合，從而增大了牽引變電站供電半徑，能夠有效地降低造價(jià)和運(yùn)行成本。但是其負(fù)序電流產(chǎn)生概率較大，給電力系統(tǒng)電能質(zhì)量帶來(lái)不利影響。其次，SCOTT變壓器具有兩臂，如果其與自耦變壓器供電方式相配合，牽引變電站半徑增加的距離甚至超出單相變所增加的距離，但其造價(jià)成本較后者有所增加，如果綜合分析考慮用戶(hù)及電網(wǎng)的綜合情況，其應(yīng)用價(jià)值仍然較高。最后，阻抗匹配平衡接線變壓器為我國(guó)自主研制的，并且在中性點(diǎn)接地系統(tǒng)作業(yè)中，工作人員對(duì)電流和電壓進(jìn)行調(diào)整，使得兩相或者三相變換達(dá)到平衡狀態(tài)。

3 電氣化鐵路對(duì)電力系統(tǒng)的影響

3.1 負(fù)序電流對(duì)電力系統(tǒng)的危害

在運(yùn)行過(guò)程中，負(fù)序電流會(huì)影響發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行現(xiàn)象，以此限制了發(fā)電機(jī)出力。電力系統(tǒng)中由負(fù)序分量控制的繼電保護(hù)裝置較為常見(jiàn)，受負(fù)序電流影響，該類(lèi)裝置會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作，并且在負(fù)序電流作用時(shí)間延長(zhǎng)的影響下，常規(guī)距離保護(hù)會(huì)處于閉鎖狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致距離保護(hù)退出運(yùn)行。此外，變壓器會(huì)受到負(fù)序電流的影響，出現(xiàn)三相電流中一相增大的現(xiàn)象，影響變壓器的額定出力，降低了變壓器的附加量，使得變壓器中的鐵芯磁路附加發(fā)熱。而如果送電線路存在負(fù)序電流，其自身不做功，但會(huì)損失電能，以此導(dǎo)致網(wǎng)損增加，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)中送電線路的輸送能力。

3.2 諧波電流對(duì)電力系統(tǒng)的危害

諧波電流對(duì)電力系統(tǒng)的影響主要集中在如下三個(gè)方面：①當(dāng)諧波電流過(guò)大時(shí)，其流入電氣設(shè)備會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱或者超負(fù)荷等現(xiàn)象，并在特定條件的作用下產(chǎn)生諧振現(xiàn)象；②如果諧波電流作用于計(jì)量設(shè)備和儀表，并且設(shè)備和儀表受電壓波形控制，則諧波電流必然會(huì)引起計(jì)量誤控和誤差，使得計(jì)量準(zhǔn)確性降低；③對(duì)變壓器的影響，變壓器本身便是諧波的源頭，同時(shí)也是諧波傳送的主要路徑，如果變壓器勵(lì)磁電流中的諧波含量處于正常值，則并不會(huì)增加鐵損或者發(fā)熱情況，但是如果發(fā)生諧振現(xiàn)象，便會(huì)對(duì)變壓器造成嚴(yán)重?fù)p害。并且如果變壓器采取全星型接線模式，繞組中性點(diǎn)接地且所屬電網(wǎng)中分布較大的電容，則會(huì)給諧振現(xiàn)象的發(fā)生創(chuàng)造條件。

4 改善電氣化鐵路對(duì)電力系統(tǒng)不良影響的有效措施

4.1 危害案例

近年來(lái)，我國(guó)電氣化鐵路運(yùn)行中發(fā)生事故較多，其中以某市電廠#3號(hào)機(jī)單車(chē)運(yùn)行時(shí)發(fā)生的事故影響較大，在具體運(yùn)行過(guò)程中因系統(tǒng)中電磁諧波和負(fù)序電流的共同作用，機(jī)車(chē)的負(fù)序電流保護(hù)動(dòng)作跳閘，造成的甩負(fù)荷高達(dá)145MW，最終導(dǎo)致該市大部分供電中斷，大面積停電事故嚴(yán)重影響了城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)?；陬?lèi)似事故，現(xiàn)提出相應(yīng)的改善措施。

4.2 鐵路系統(tǒng)相應(yīng)采取的解決措施

為了避免類(lèi)似于上述惡性事故的發(fā)生，鐵路系統(tǒng)必須針對(duì)電氣化鐵路的發(fā)展實(shí)際情況，制定有效的事故解決措施，以此避免對(duì)電力系統(tǒng)造成的不良影響，其具體措施如下。①牽引變電站的調(diào)整，在具體設(shè)計(jì)中，相關(guān)單位及人員應(yīng)充分考慮抑制負(fù)序電流的問(wèn)題，可通過(guò)電氣化區(qū)段牽引站換相減少注入電力系統(tǒng)中的負(fù)序電流。此外，在具體設(shè)計(jì)中同樣要考慮抑制諧波，可在牽引站的接觸網(wǎng)的A、B相線上安裝濾波器，專(zhuān)門(mén)致力于三次諧波的濾除，但是在電力機(jī)車(chē)實(shí)際運(yùn)行中，其產(chǎn)生的諧波電流仍有大部分進(jìn)入到電力系統(tǒng)中，危害仍然不能小覷，因此必須在此基礎(chǔ)上配合其他措施，已達(dá)到有效抑制諧波電流的目的。②機(jī)車(chē)本身的調(diào)整，機(jī)車(chē)本身是無(wú)功電流與諧波電流的主要源頭，因此為了保證電能質(zhì)量，必須對(duì)其本身進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，工作人員可將三次諧振電容補(bǔ)償電路設(shè)置在機(jī)車(chē)牽引繞組上，每輛機(jī)車(chē)設(shè)置4組，能夠?qū)χC波電流進(jìn)行有效吸收。此外也可根據(jù)機(jī)車(chē)無(wú)功大小情況，設(shè)置相應(yīng)的諧振補(bǔ)償裝置，以此有效降低諧振現(xiàn)象發(fā)生的概率。

4.3 優(yōu)化牽引供電方式

為了降低事故對(duì)用戶(hù)和系統(tǒng)的不良影響，鐵路部門(mén)在采取輪轉(zhuǎn)換相接入方式接入系統(tǒng)的同時(shí)，在牽引供電系統(tǒng)中接入外部電源，以220 kV 電壓等級(jí)系統(tǒng)為主，能夠充分利用電力系統(tǒng)電能承載力。此外，最好選擇平衡接線變壓器，以此對(duì)三相不平衡造成較小的影響。在具體運(yùn)行過(guò)程中，電網(wǎng)運(yùn)行方式的選擇受負(fù)序電流呈現(xiàn)模式影響，當(dāng)負(fù)序電流具有明顯的臨時(shí)性或者過(guò)渡性，則選擇臨時(shí)的電網(wǎng)運(yùn)行方式，比如切換電網(wǎng)中某一段的線路或者變壓器的投入與退出，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)中負(fù)序電流分配情況實(shí)現(xiàn)改變，通常情況下，這種方式適用于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較薄弱的地區(qū)。此外，還應(yīng)該在電氣化鐵路外部電源的變電站裝設(shè)線路保護(hù)裝置，并調(diào)整線路距離保護(hù)震蕩閉鎖模式，以突出快速?gòu)?fù)位功能為主，確保當(dāng)發(fā)生沖擊負(fù)荷等情況時(shí)，距離保護(hù)能快速進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。

4.4 設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償裝置

在電氣化鐵路牽引變電站中，在無(wú)機(jī)車(chē)通過(guò)的情形下，變電站會(huì)向電網(wǎng)發(fā)送無(wú)功，因此在電氣化鐵路牽引變電站中無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)選擇動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)哪Ｊ?，并?yīng)結(jié)合牽引變電站的實(shí)際情況，將無(wú)功補(bǔ)償與諧波電流等治理進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以此保證電力系統(tǒng)的安全性。在本次事故后牽引變電站調(diào)整中，引進(jìn)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)措施，其中三相動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置、單相固定補(bǔ)償兼濾波裝置等為較為常見(jiàn)的無(wú)功補(bǔ)償裝置。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電氣化鐵路是電力需求增長(zhǎng)的重要推動(dòng)力，而電力系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行也給電氣化鐵路發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。因此相關(guān)部門(mén)必須采取有效措施，加強(qiáng)對(duì)負(fù)序電流和諧波電流等的治理工作，以此推動(dòng)我國(guó)電力系統(tǒng)和電氣化鐵路共同發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

【1】蔣慶舉.電氣化鐵路供電系統(tǒng)遷移施工工藝[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，36（4）：408-413.