牽引負(fù)荷數(shù)字特征分析及其對(duì)供電品質(zhì)的影響

李 旸

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)交通運(yùn)輸?shù)男枨笕找嬖鲩L(zhǎng)，電氣化鐵路建設(shè)更是飛速發(fā)展[1，2]。截至2020年底，我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)14.63萬(wàn)公里，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，其中高速鐵路里程已達(dá)3.8萬(wàn)公里，中國(guó)高鐵總運(yùn)營(yíng)里程超過(guò)世界高鐵運(yùn)營(yíng)總里程的2/3。我國(guó)鐵路總體技術(shù)水平邁入世界先進(jìn)行列，高速、高原、高寒、重載鐵路技術(shù)均已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

隨著“四縱四橫”高鐵網(wǎng)提前建成，“八縱八橫”高鐵網(wǎng)也在加密成形；與此同時(shí)，在優(yōu)先利用高速鐵路、普速鐵路開(kāi)行城際列車(chē)服務(wù)城際功能的基礎(chǔ)上，有效連接大中城市與中心城鎮(zhèn)、服務(wù)通勤功能的城市群城際客運(yùn)鐵路也在緊鑼密鼓地開(kāi)展建設(shè)。京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等地區(qū)城際鐵路網(wǎng)和城際鐵路骨干通道的建成也將支撐和引領(lǐng)新型城鎮(zhèn)化發(fā)展[3～5]。與此同時(shí)，隨著鐵路運(yùn)量及列車(chē)速度的不斷提升，列車(chē)的單車(chē)功率以及牽引負(fù)荷的總功率不斷上升，對(duì)牽引變電所供電能力的要求也隨之提高[6～8]。為了評(píng)估電氣化鐵路的供用電品質(zhì)，對(duì)牽引負(fù)荷的數(shù)字特征進(jìn)行研究具有重要意義。

本文以典型新建電氣化鐵路為例，對(duì)某牽引變電所進(jìn)行供電質(zhì)量綜合測(cè)試，定量分析牽引變電所的電壓偏差及牽引負(fù)荷基波和諧波特性，并研究牽引負(fù)荷的主要數(shù)字特征。其中，牽引變電所高壓三相進(jìn)線電壓等級(jí)為110 kV，牽引側(cè)電壓等級(jí)為27.5 kV，牽引變電所牽引變壓器安裝容量為2×25 MV·A，采用Vv接線形式，實(shí)現(xiàn)直接供電方式。

1 牽引負(fù)荷數(shù)字特征

從實(shí)用的角度看，隨機(jī)過(guò)程的數(shù)字特征參數(shù)最典型的是均值、均方根（二階原點(diǎn)矩）、方差（二階中心矩）等，但最基本的是均值的自相關(guān)函數(shù)。均值和有效值可體現(xiàn)牽引負(fù)荷在某些方面的重要特征和主要的統(tǒng)計(jì)特征，便于運(yùn)算和實(shí)際測(cè)量，因此應(yīng)用廣泛。

牽引供電系統(tǒng)中最常用的負(fù)荷過(guò)程數(shù)字特征參數(shù)為均值和均方根值（平均有效值），由于按運(yùn)行圖運(yùn)行的電氣化鐵路的負(fù)荷過(guò)程具有日周期性，故均值和平均有效值常常是針對(duì)典型日負(fù)荷過(guò)程的日平均值和日平均有效值。牽引負(fù)荷過(guò)程的數(shù)字特征參數(shù)還包括空載概率、日有效系數(shù)、帶電平均值、帶電平均有效值和帶電有效系數(shù)等[9]。

設(shè)全日時(shí)間為T(mén)（1 440 min），饋線帶電（有負(fù)荷）總時(shí)間為T(mén)g（min），空載總時(shí)間為T(mén)0（min），饋線電流為i，則有

定義日帶電概率Pg和日空載概率P0為

日平均電流I和帶電平均電流Ig分別為

定義日平均電流I和帶電平均電流Ig的平均有效值（均方根值）分別為日平均電流有效值Iε和帶電平均電流有效值Iεg，即

進(jìn)一步引入日有效系數(shù)Kε和帶電有效系數(shù)Kεg，即

2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

2.1 電壓基波

牽引所牽引側(cè)實(shí)測(cè)電壓曲線見(jiàn)圖1。其中，牽引側(cè)電壓額定值為27.5 kV，其α相電壓最大值為27.999 8 kV，最小值為26.603 9 kV，平均值為27.504 2 kV，β相電壓最大值為28.181 3 kV，最小值為26.829 9 kV，平均值為27.580 7 kV。由此可見(jiàn)，牽引所牽引側(cè)電壓在額定值附近上下波動(dòng)。

圖1 牽引變電所牽引側(cè)實(shí)測(cè)電壓曲線

2.2 電流基波

牽引變電所牽引側(cè)α相、β相實(shí)測(cè)電流如圖2所示，其中，α相電流最大值為976.4 A，最小值為0.168 A，β相電流最大值為514.8 A，最小值為0.045 8 A?？梢钥闯?，牽引負(fù)荷主要集中在4：00～23：30時(shí)段內(nèi)，且隨時(shí)間不斷變化，具有沖擊性和波動(dòng)性。

圖2 牽引變電所牽引側(cè)實(shí)測(cè)電流曲線

2.3 諧波

圖3為牽引變電所牽引側(cè)α相和β相各次諧波電壓95%概率值含量。

圖3 牽引變電所牽引側(cè)各次諧波電壓95%概率值

從圖3可以看出，牽引變電所牽引側(cè)諧波電壓主要集中在3、5、7等奇數(shù)次諧波，并且隨著交直交機(jī)車(chē)的普及，該類(lèi)機(jī)車(chē)變流器采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）技術(shù)，會(huì)產(chǎn)生19、21、23等高次奇數(shù)次諧波。

圖4為牽引變電所α相和β相各次諧波電流95%概率值含量。可以看出，諧波電流的分布規(guī)律與諧波電壓大致相同，諧波電流主要分布在3、5、7等奇數(shù)次諧波，也分布有19、21、23等高次奇數(shù)次諧波。

圖4 牽引變電所牽引側(cè)各次諧波電流95%概率值

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)字特征

對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到其數(shù)字特征如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)字特征

從表1中可以看出，α相和β相牽引負(fù)荷的日有效系數(shù)分別為1.42和1.20，日帶電有效系數(shù)分別為1.19和1.10，符合我國(guó)一般經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)。

對(duì)實(shí)測(cè)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，可以得到牽引變電所電壓偏差，如表2所示。

表2 牽引變電所電壓偏差

從表2中可以看出，α相和β相電壓在26～28.5 kV范圍內(nèi)，滿(mǎn)足列車(chē)運(yùn)行的要求[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)開(kāi)展?fàn)恳冸娝╇娖焚|(zhì)綜合測(cè)試，研究了牽引負(fù)荷的日平均值、日有效值、帶電平均值、帶電有效值及日有效系數(shù)和帶電有效系數(shù)等數(shù)字特征，通過(guò)對(duì)電壓偏差以及基波諧波進(jìn)行定量分析，評(píng)估了牽引變電所的供電品質(zhì)。牽引變電所諧波主要集中在3、5、7等奇數(shù)次諧波，也分布有19、21、23等高次奇數(shù)次諧波。牽引變電所電壓的額定值在27.5 kV上下波動(dòng)，滿(mǎn)足列車(chē)運(yùn)行要求。