高速電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行影響的測(cè)試

周水金　翟嚴(yán)

電氣化鐵路具有速度快、運(yùn)輸能力強(qiáng)、供電距離長(zhǎng)、節(jié)約能源與造價(jià)、牽引性能好等優(yōu)點(diǎn)，因而具有廣闊的發(fā)展前景，是世界以及我國(guó)鐵路發(fā)展的方向，廣泛地應(yīng)用于鐵路運(yùn)輸之中。2010年全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到90000公里以上，復(fù)線、電氣化率均達(dá)到45%以上。根據(jù)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2020年，我國(guó)鐵路總里程將達(dá)到10000公里，其中電氣化50000公里，主要干線鐵路將實(shí)現(xiàn)電氣化。鐵路電氣化率約為50%，承擔(dān)80%以上的運(yùn)量。其中，將建成以京滬、京廣、京哈、滬涌深及徐蘭、杭長(zhǎng)、青太及滬漢蓉“四縱四橫”客運(yùn)專線（高速鐵路）12000公里，客貨混跑快速線路20000公里，形成我國(guó)鐵路快速客運(yùn)網(wǎng)。

一、高鐵對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行存在較大影響

我國(guó)采用的單相工頻交流牽引是當(dāng)今世界比較先進(jìn)也是應(yīng)用比較廣泛的鐵路電力牽引制式。但是，自其出現(xiàn)以來，就存在著一些電能質(zhì)量問題。負(fù)序功率、諧波含量豐富、功率因數(shù)低是電氣化鐵道的三個(gè)主要特征。而牽引負(fù)荷的劇烈波動(dòng)則使問題進(jìn)一步復(fù)雜嚴(yán)重。

江蘇鐵路規(guī)劃表明，未來將有多條高鐵線路運(yùn)行。目前電網(wǎng)缺少高鐵運(yùn)行方面的經(jīng)驗(yàn)，本文將為電網(wǎng)規(guī)劃和調(diào)度運(yùn)行提供參考依據(jù)，為保護(hù)提供優(yōu)化配置方案，提出高鐵的治理合理措施。

二、國(guó)內(nèi)外研究水平綜述

自1964年10月1日日本建成開通世界上第一條高速鐵路以來，經(jīng)過幾十年的實(shí)踐和發(fā)展，各國(guó)高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)都有了很大的改進(jìn)，達(dá)到了很高的水平，而且都各具特色。最具有代表性的是日本、法國(guó)和德國(guó)高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)。

1.牽引供電方式。高速鐵路要求接觸網(wǎng)受流質(zhì)量高，分段和分相點(diǎn)數(shù)量少。目前各國(guó)大多采用自耦變壓器（AT）供電方式和帶回線的直接（RT）供電方式。日本、法國(guó)采用AT供電方式；德國(guó)及以德國(guó)高速鐵路為技術(shù)原型建設(shè)高速鐵路的國(guó)家多采用RT供電方式。AT供電方式的優(yōu)點(diǎn)是：供電質(zhì)量高、變電所數(shù)量少、便于牽引變電所選址和電力部門的配合、牽引變電所間距大、分相點(diǎn)少。因此，便于高速列車運(yùn)行，防干擾效果也好。

2.電源電壓等級(jí)。由于牽引負(fù)荷為單相系統(tǒng)，隨著高速鐵路負(fù)荷電流的增大，對(duì)電力系統(tǒng)的不平衡影響也越來越大。為了減少對(duì)電力系統(tǒng)的影響，高速鐵路一般都采用較高的電源電壓。日本采用154kV、220kV和275kV三種電壓等級(jí)、德國(guó)采用110kV電壓等級(jí)、意大利采用150kV電壓等級(jí)、西班牙采用220kV和400kV兩種電壓等級(jí)、韓國(guó)采用154kV。

3.接觸網(wǎng)電壓。接觸網(wǎng)的電壓對(duì)電力機(jī)車功率發(fā)揮及機(jī)車運(yùn)行速度有很大影響，而且直接關(guān)系到牽引供電設(shè)備技術(shù)參數(shù)的選定和供電系統(tǒng)的工程投資，各國(guó)都非常重視這一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。日本接觸網(wǎng)的標(biāo)稱電壓為25kV，最高電壓為30kV，最低電壓為22.5kV。歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（EN50163）：接觸網(wǎng)額定電壓為25kV，最高長(zhǎng)期電壓為27.5kV，最高瞬時(shí)電壓為29kV（smin），最低設(shè)計(jì)長(zhǎng)期工作電壓為19kV。

4.牽引變壓器接線型式。牽引變壓器是牽引供電系統(tǒng)中最重要的設(shè)備。它對(duì)牽引供電系統(tǒng)和工程投資起決定性的影響，不同類型的牽引變壓器對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生不同的不平衡影響。

日本采用斯科特接線和變形伍德橋接線三相變壓器。法國(guó)、德國(guó)、意大利和西班牙采用單相變壓器。單相變壓器的優(yōu)點(diǎn)是變壓器容量利用率高、經(jīng)濟(jì)效果好，并能有效減少分相點(diǎn)的數(shù)量，最適合在高速鐵路上應(yīng)用。國(guó)內(nèi)高鐵目前主要采用三相V/V（V/X）變壓器。

高鐵的固有兩相供電存在較大的負(fù)序電流問題，需要從電能質(zhì)量、保護(hù)等方面進(jìn)行評(píng)估。

目前，國(guó)外學(xué)者對(duì)高速鐵路做了較為深入的研究。文獻(xiàn)指出，由于現(xiàn)代高速鐵路牽引供電系統(tǒng)（TPS）的容量需求越來越大，動(dòng)態(tài)負(fù)荷評(píng)估方法已經(jīng)不僅僅是牽引供電系統(tǒng)規(guī)劃的重要工具，也是評(píng)估牽引系統(tǒng)的不平衡特性對(duì)電網(wǎng)影響的一個(gè)工具。如果沒有一個(gè)優(yōu)良的動(dòng)態(tài)負(fù)荷評(píng)估算法，不平衡的影響很容易被低估，導(dǎo)致電力系統(tǒng)不穩(wěn)定。一個(gè)好的動(dòng)態(tài)負(fù)荷評(píng)估方法實(shí)施必須以電力工程的角度出發(fā)，同時(shí)結(jié)合實(shí)際的鐵路運(yùn)行原則和方法。文章提出了一種準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)負(fù)荷評(píng)估算法實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，這種算法能滿足所有的原則和參數(shù)要求。文獻(xiàn)介紹了一種系統(tǒng)評(píng)估高速鐵路對(duì)電網(wǎng)影響的方法。文章指出，大功率的牽引負(fù)荷將導(dǎo)致系統(tǒng)電壓和電流的不平衡，由此引起的旋轉(zhuǎn)電機(jī)發(fā)熱，系統(tǒng)損耗增加，對(duì)鄰近通信系統(tǒng)的干擾，并導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置和測(cè)量?jī)x器出現(xiàn)故障。其中有些問題可能嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)和其他與之相連設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，該方法是面向系統(tǒng)運(yùn)行分析，而不是系統(tǒng)規(guī)劃分析。文獻(xiàn)對(duì)即將運(yùn)行的臺(tái)灣高鐵對(duì)臺(tái)灣電力系統(tǒng)的影響進(jìn)行了深入研究。運(yùn)用一種新開發(fā)的三相牛頓最優(yōu)潮流法作為分析工具，對(duì)電壓不平衡率，高速鐵路供電電壓及靜態(tài)電壓穩(wěn)定性問題進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，臺(tái)灣電力系統(tǒng)在有單相高速機(jī)車負(fù)荷接人的情況下，仍保持了良好的特性。文獻(xiàn)分析了在機(jī)車負(fù)荷情況下為高鐵線路供電的電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。文獻(xiàn)說明了靠三相電力系統(tǒng)供電的高速鐵路負(fù)荷，在電力系統(tǒng)中是一個(gè)重要的不平衡擾動(dòng)源。電壓和電流不平衡度取決于機(jī)車的型號(hào)，負(fù)載模型和電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。文章提出了一種分辨電壓不平衡值超過標(biāo)準(zhǔn)限值脆弱區(qū)域的方法和一種在高速鐵路規(guī)劃和設(shè)計(jì)期間評(píng)估其對(duì)電力系統(tǒng)造成電壓不平衡度的方法。

三、理論和實(shí)踐依據(jù)

通過普速電氣化鐵路的研究分析和對(duì)已投運(yùn)高鐵的測(cè)試，牽引負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)：

1.負(fù)序電流對(duì)電力系統(tǒng)的影響。由于牽引站兩相供電的特點(diǎn)，電氣化鐵路存在負(fù)序不平衡等問題，尤其是高速列車由于速度很高，列車運(yùn)行時(shí)空氣阻力明顯增大，牽引功率和能耗相應(yīng)增加。與普通交直型電力機(jī)車相比，高速列車需要的牽引功率大幅增加，注入電力系統(tǒng)的負(fù)序電流顯著增大。同時(shí)，高速列車負(fù)載率高，受電時(shí)間長(zhǎng)，高速電氣化鐵路的負(fù)序電流具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特征。由于高速列車牽引功率大的特點(diǎn)，高速鐵路將給沿線的電力系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的負(fù)序問題。

負(fù)序電流對(duì)同步發(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)來說，負(fù)序電壓產(chǎn)生負(fù)序電流和逆轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。負(fù)序電壓對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是十分不利的，較小的負(fù)序電壓加到異步電動(dòng)機(jī)上將會(huì)引起較大的負(fù)序電流及負(fù)序逆轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩，直接影響異步電動(dòng)機(jī)的效率和安全可靠運(yùn)行；負(fù)序電流造成電力系統(tǒng)三相電流不對(duì)稱，因而系統(tǒng)中的三相變壓器有一相電流最大而不能有效發(fā)揮變壓器的額定出力（即變壓器容量利用率下降）。

隨著高速機(jī)車中的變壓器容量增大，在過分區(qū)停及啟動(dòng)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生更大的勵(lì)磁涌流，系統(tǒng)的保護(hù)將承受更大的沖擊，會(huì)產(chǎn)生比較大的影響，需要對(duì)相關(guān)接人站的保護(hù)進(jìn)行分析。

2.諧波電流對(duì)電力系統(tǒng)的影響。高速交流動(dòng)車組采用交直交傳動(dòng)方式。該種傳動(dòng)方式產(chǎn)生的諧波總量相對(duì)較小，但諧波頻譜寬，高次諧波電流成分高。諧波導(dǎo)致電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率；引起發(fā)電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過電壓；可能造成電容、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短、以致?lián)p壞；干擾繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置，引起保護(hù)誤動(dòng)作，影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；造成電氣測(cè)量?jī)x器計(jì)量精度下降。

在諧波頻率下，系統(tǒng)中各個(gè)元件對(duì)地和相間分布電容存在，使得電力系統(tǒng)中構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的由電容、電抗、電阻組成的網(wǎng)絡(luò)，加上系統(tǒng)本來存在的補(bǔ)償電容器等大電容元件和電磁式電壓互感器、變壓器等非線性磁性元件的相互作用，會(huì)在系統(tǒng)的局部存在諧波振蕩或?qū)χC波敏感的點(diǎn)，因此高鐵負(fù)荷注入系統(tǒng)的諧波可能引起諧振或者諧波放大。

3.對(duì)電力系統(tǒng)的其他影響。電氣化鐵路是典型的沖擊型負(fù)載，所引起的電壓波動(dòng)非常大。電壓波動(dòng)的范圍與供電系統(tǒng)的容量、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、負(fù)載容量等相關(guān)。如果220kV牽引變電站在公共連接點(diǎn)有其它負(fù)荷，則這些負(fù)荷會(huì)受到電壓波動(dòng)的影響。由于電氣化鐵路牽引站主要是牽引負(fù)荷，在這種情況下，電氣化鐵路牽引系統(tǒng)自身就是電壓波動(dòng)的最大受害者。

功率因數(shù)低、負(fù)序功率大、諧波含量豐富是電氣化鐵道的三個(gè)主要特征。一方面高速鐵路牽引負(fù)荷的大大增加以及負(fù)荷本身的大幅波動(dòng)使問題進(jìn)一步復(fù)雜，影響程度進(jìn)一步加大。電氣化鐵路產(chǎn)生的負(fù)序、諧波、沖擊惡化了電網(wǎng)電能質(zhì)量，降低了電網(wǎng)供電的安全可靠性。另一方面隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，設(shè)備自動(dòng)化水平的提高，用戶對(duì)電能質(zhì)量提出了比傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品更新更高的要求，由于電壓暫降、諧波等電能質(zhì)量問題使產(chǎn)品質(zhì)量下降甚至導(dǎo)致生產(chǎn)過程中斷，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。