高速鐵路車-網(wǎng)電氣耦合匹配特性研究

馮慶鵬，王越，劉思陽，朱遠(yuǎn)帆，陳民武

（1. 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2. 西南交通大學(xué)，四川 成都 610031）

0 引言

當(dāng)前我國軌道交通行業(yè)高速發(fā)展，根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2025年高速鐵路規(guī)模將達(dá)到38 000 km左右[1]。高速鐵路在推廣采用自耦變壓器（AT）牽引供電方式的同時，大量新型大功率交-直-交型動車組上線運行[2-3]，現(xiàn)場出現(xiàn)了各類“車-網(wǎng)”耦合匹配問題，例如，牽引網(wǎng)電壓波動導(dǎo)致車載主變流器過流保護(hù)啟動、諧波電流注入引起輔助變流器直流側(cè)過壓故障、高次諧波諧振造成地面和車載電氣設(shè)備異常等一系列供用電品質(zhì)相關(guān)問題[4-5]。為保障高速鐵路安全、高質(zhì)和高效運營，需要對典型區(qū)段牽引供電系統(tǒng)-動車組群電氣耦合匹配特性開展綜合測試與評估。

以某高鐵線路為例，采用專業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備，對典型區(qū)段牽引變電所、AT所和分區(qū)所以及在線運行動車組開展供電品質(zhì)綜合測試，定量評估車-網(wǎng)電氣耦合系統(tǒng)匹配關(guān)系，給出主要參數(shù)的分布特性與變化規(guī)律，闡明影響供用電品質(zhì)的主要因素，并提出相關(guān)優(yōu)化建議。

1 車-網(wǎng)耦合系統(tǒng)供用電品質(zhì)測試方法

對牽引變電所、AT所和分區(qū)所高壓側(cè)電壓、饋線側(cè)電壓、饋線側(cè)諧波以及饋線側(cè)功率因數(shù)進(jìn)行測量，測試點布置示意見圖1（▲為測點位置）。同時，對動車組用電特性進(jìn)行測試，測試布置示意見圖2。

高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放置在車廂內(nèi)，電壓和電流測試用電腦由車載電源供電。測試設(shè)備帶抗混疊濾波器的輸入回路含有采樣/保持單元的A/D轉(zhuǎn)換器，同時測試窗口寬度為10個周期，滿足GB/T 17626.7—2008[6]標(biāo)準(zhǔn)的要求。

此外，測試設(shè)備應(yīng)進(jìn)行可靠固定，防止動車組運行中甩脫或振壞。測試時動車組處于正常狀態(tài)，實時記錄動車組過分相前后網(wǎng)壓、牽引變壓器原邊電流等。

2 電能質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及計算方法

2.1 供電電壓偏差

圖1 牽引供電系統(tǒng)測試點布置示意圖

圖2 動車組測試布置示意圖

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量：供電電壓允許偏值》[7]規(guī)定：35 kV及以上供電電壓正、負(fù)偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%。如供電電壓上下偏差同號（均為正或負(fù)）時，按較大的偏差絕對值為衡量依據(jù)。電壓偏差的計算方式如下：

鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》[8]規(guī)定：對牽引變壓器27.5 kV側(cè)母線電壓，認(rèn)定其母線電壓大于29 kV或者小于20 kV為不合格電壓，牽引網(wǎng)的最高電壓為29 kV，最低電壓為20 kV。因此，對牽引變壓器27.5 kV側(cè)母線電壓，認(rèn)定其母線電壓大于29 kV或者小于20 kV為不合格的電壓。基于時間的電壓不合格率（%）=（＞29 kV概率）%+（＜20 kV概率）%。

2.2 諧波畸變率及等效干擾電流

GB/Z 17625.4—2000《電磁兼容 限值 中、高壓電力系統(tǒng)中畸變負(fù)荷發(fā)射限值的評估》[9]規(guī)定：總諧波電壓綜合畸變率THDU計算方式如下：

式中：UH為總諧波電壓含量；Uh為第h次諧波電壓；h為諧波次數(shù)；U1為基波電壓。

在此對動車組等效干擾電流JP進(jìn)行計算與分析，具體計算方式如下[10]：

式中：IW為機車全電流；Sn為雜音評價系數(shù)；I2n為第2n次諧波電流；N為機車牽引電機臺數(shù)；Id為1臺牽引電機的持續(xù)電流；KB為變壓器的變比。

屋里空了，老田提醒侯大同，別落下什么。老田很亢奮，拔了釘子戶，他又立新功了。老田像男主人一樣指揮搬家公司的人裝車。

為了對牽引變電所、AT所和分區(qū)所的諧波特征進(jìn)行全面分析，分別統(tǒng)計各所50次以內(nèi)的諧波含量，并通過錄波數(shù)據(jù)分析機車在供電區(qū)間內(nèi)運行時各所測得的頻譜特性。

2.3 功率因數(shù)

《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》規(guī)定：功率因數(shù)考核指標(biāo)為0.90。依據(jù)TB/T 2517—1995《電力機車功率因數(shù)和諧波的測試方法》[11]中給出的方法計算功率因數(shù)，其計算公式如下：

式中：P為有功功率；Q為無功功率；在此通過錄波數(shù)據(jù)計算機車在供電區(qū)間內(nèi)運行時牽引變電所的功率因數(shù)，U為基波電壓、I為基波電流。

3 所內(nèi)測試數(shù)據(jù)分析

本次測試選取某高鐵線路中的1個供電區(qū)間，分別對其中的牽引變電所、AT所和分區(qū)所進(jìn)行測試，評估其供電能力。牽引變電所外部電源電壓等級為220 kV。

3.1 進(jìn)線側(cè)數(shù)據(jù)分析

在某一典型時間段內(nèi)，對牽引變電所一次側(cè)A、B以及AB相電壓信號進(jìn)行連續(xù)的實時測量，并將上述電壓信號繪制成電壓波形信號（見圖3—圖5）。從10：32：32開始，動車組進(jìn)入供電區(qū)間。當(dāng)動車組駛?cè)牒螅珹相、B相、AB相電壓出現(xiàn)明顯跌落，其中A相最低電壓為130.4 kV，B相最低電壓為127.8 kV，AB相最低電壓為222.1 kV，均滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求，供電質(zhì)量良好。

圖3 牽引變電所進(jìn)線側(cè)A相電壓變化

圖4 牽引變電所進(jìn)線側(cè)B相電壓變化

圖5 牽引變電所進(jìn)線側(cè)AB相電壓變化

3.2 饋線側(cè)數(shù)據(jù)分析

3.2.1 網(wǎng)壓分布特性分析

在某一典型時間段內(nèi)，分別對牽引變電所饋線側(cè)、AT所和分區(qū)所母線的電壓信號進(jìn)行連續(xù)的實時測量，其錄波數(shù)據(jù)見圖6—圖8。從10：32：32開始，動車組進(jìn)入供電區(qū)間。當(dāng)動車組駛?cè)牒?，牽引變電所、AT所和分區(qū)所母線電壓均出現(xiàn)跌落，持續(xù)時間為8 s。其中牽引變電所最低電壓為21.64 kV，AT所最低電壓為20.62 kV，分區(qū)所最低電壓為19.70 kV，牽引變電所與AT所母線電壓滿足標(biāo)準(zhǔn)TB 10009—2005中規(guī)定的最低電壓要求，但分區(qū)所母線電壓存在低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的情況。

圖6 牽引變電所饋線側(cè)母線電壓

圖7 AT所母線電壓

圖8 分區(qū)所母線電壓

為了評估車-網(wǎng)耦合系統(tǒng)諧波傳遞特性，當(dāng)動車組運行至上述供電區(qū)間時，得到牽引變電所、AT所和分區(qū)所的母線諧波電壓頻譜（見圖9—圖11）。牽引變電所和分區(qū)所處高次諧波含量較為突出，其中，牽引變電所的總諧波畸變率THDU=2.99%，AT所的總諧波畸變率THDU=1.81%，分區(qū)所的總諧波畸變率THDU=3.27%。整體來看,該供電區(qū)段未出現(xiàn)諧波諧振現(xiàn)象。

3.2.3 負(fù)荷過程分布特性分析

牽引變電所典型時間段的負(fù)荷過程和功率因數(shù)分布見圖12—圖14。牽引負(fù)荷波動性和沖擊性突出，但功率因數(shù)基本穩(wěn)定在1.0左右。在動車組駛?cè)朐摴╇妳^(qū)段時，由于再生制動，功率因數(shù)降低至接近-1.0。同時，在10：32：46最大視在功率達(dá)到75.21 MVA，超出變電所額定容量2.38倍，牽引變電所的牽引變壓器具有良好的過負(fù)荷能力。

圖9 牽引變電所諧波電壓頻譜

圖10 AT所諧波電壓頻譜

圖11 分區(qū)所諧波電壓頻譜

4 車載測試數(shù)據(jù)分析

本次測試選取在線運行動車組進(jìn)行測試，分析其過分相時車載電壓波動、等效干擾電流以及功率因數(shù)變化。

4.1 車載電壓數(shù)據(jù)分析

新型動車組運行過程中牽引網(wǎng)側(cè)電壓變化趨勢見圖15。當(dāng)動車組進(jìn)入牽引變電所供電臂開始取流時，新型動車組瞬時沖擊電壓有效值為35 kV，穩(wěn)態(tài)電壓有效值為28.3 kV，滿足TB 10009—2005規(guī)定，過分相時并未出現(xiàn)顯著過電壓過程。

圖12 牽引變電所輸出視在功率

圖13 牽引變電所功率因數(shù)

圖14 動車組駛?cè)朐摴╇妳^(qū)段對應(yīng)的功率因數(shù)

圖15 動車組過分相過程牽引網(wǎng)側(cè)電壓變化趨勢

4.2 諧波特性分析

動車組網(wǎng)側(cè)諧波電流頻譜分布見圖16，動車組等效干擾電流見表1。動車組諧波電流畸變率THDI=1.04%，滿足設(shè)計對諧波電流的要求。

圖16 動車組網(wǎng)側(cè)諧波電流頻譜分布

表1 動車組等效干擾電流

4.3 功率因數(shù)分析

選取動車組過分相過程為例，當(dāng)通過電分相環(huán)節(jié)后重新取流并達(dá)到最大功率時，整個過程對應(yīng)的功率因數(shù)變化趨勢見圖17。測試過程中動車組過分相取流加速過程約為2 s，在牽引功率不斷增加的同時，功率因數(shù)可以穩(wěn)定在0.983，滿足該新型動車組設(shè)計要求。

圖17 動車組過分相后重新取流加速時功率因數(shù)分布

5 結(jié)論

為了定量評估牽引供電系統(tǒng)和動車組之間的電氣耦合匹配關(guān)系，選擇某高鐵線路開展同步測試，重點分析車-網(wǎng)耦合系統(tǒng)電氣匹配特性，主要結(jié)論如下：

（1）典型供電區(qū)段內(nèi)牽引變電所、AT所和分區(qū)所主要供電品質(zhì)指標(biāo)良好，基本滿足國標(biāo)和鐵標(biāo)相關(guān)限值的要求。

（2）新型動車組上線運行過程用電特性良好，過分相過程未出現(xiàn)顯著過電壓現(xiàn)象，諧波電流畸變率較低，等效干擾電流滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

（3）在緊密運行時間段，牽引變壓器過載達(dá)到2.45倍額定容量，導(dǎo)致牽引網(wǎng)末端電壓偏低，考慮牽引負(fù)荷短時沖擊特性，建議進(jìn)一步提升牽引供電系統(tǒng)的供電能力。