电气化铁路负荷特性及对电能质量的影响与建议

电气化铁路负荷特性及对电能质量的影响与建议潘美容;杨利兵;杜雅飞【摘要】现代电气化铁路的单相供电、负荷冲击等特点,对电网电能质量的影响不可避免.为了提高铁路运行的稳定性和可靠性,应该对电气化铁路进行整顿和改造,着力提高电能质量,保证电力系统和牵引供电系统的稳定性.【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2015(034)031【总页数】3页(P123-125)【关键词】电气化铁路;负荷特性;电能质量;谐波;负序【作者】潘美容;杨利兵;杜雅飞【作者单位】国网山西省电力公司客户服务中心,太原030008;国网忻州供电公司,忻州034000;国网山西省电力公司客户服务中心,太原030008【正文语种】中文【中图分类】U22电气化铁路是现代运输体系的基础设施，是推进国民经济建设的有力保证。

电力机车负载的三相分布通常是不对称的，并且具有非线性和冲击性的特点，极易使电力系统产生闪变、谐波、负序电流、电压波动等电能质量问题，会对牵引供电系统本身和上级电力系统的供电质量产生不利影响，最终会降低整个电力系统的经济性和安全性。

因此，应该采取必要的治理措施来改善牵引供电系统的稳定性，提高电能质量。

目前，大功率牵引变流器技术日臻成熟，电力机车的谐波和无功的难题被成功攻克，但是其单相（两相）供电造成的负序和冲击性分量还有可能对电能质量产生不利影响，因此必须坚持研究，切不可松懈。

目前世界上68个国家和地区拥有电气化铁路，我国电气化铁路的总里程居世界第一。

2014年山西省境内电气化铁路建设项目中采用220千伏供电的有中南部铁路、大西铁路项目，分别建设14个、11个牵引站。

1.1 定义及工作原理电气化铁路的供电系统又名牵引供电系统，是由电力系统向电力机车传输电能的电力装置的总称。

它包括牵引变电所和接触网两个子系统，图1是其电气原理。

1.2 分类电气化铁路供电系统由电力系统经高压输电、牵引变电所降压、变相或换流等环节，向电气化铁道运行的电力机车、动车组输送电力的全部供电系统。

电气化铁道供电系统通常包括两大部分，即对沿线，牵引变电所输送电力的外部供电系统；以及从牵引变电所经降压、变相或换流（转换为直流电）后，向电力机车、动车组供电的变、直流牵引供电系统。

从供电方式来讲，电气化铁路供电系统有直接供电方式、带回流线的直接供电方式、BT（booste transformer）供电方式、AT（autotransformer）供电方式积累。

（表1）电气化铁路牵引供电系统是为电力机车供电的电力装置。

铁路线路条件、铁道运输组织方案以及电力机车的电气特性都与其负荷特性有密切的联系。

2.1 电力机车的电气特性电力机车包括交直型电力机车和交直交型电力机车两类。

其中，直交型电力机车电气原理如图2所示。

这类机车在整流阶段会产生大量谐波，功率因数较低。

相反，交直交型电力机车的谐波含量很小，但功率因数比较高。

2.2 列车的负荷特性列车负荷特性主要取决于列车的运行速度、机车牵引质量以及线路坡度三个关键因素。

①运行速度。

列车运行时需要克服空气阻力，且持续受流时间长。

在牵引质量和线路坡度不变的条件下，行进速度越快，所受空气阻力越大，相应的牵引功率及能耗量就越大。

②牵引质量。

行进速度和线路坡度不变，牵引质量越高，列车负荷越大。

③线路坡度。

爬坡时，列车需要克服重力保持前行。

如果列车保持低速行进，所受的空气阻力就越小，此时的牵引负荷主要取决于线路坡度的大小。

如果列车高速运行，空气阻力对牵引负荷的影响就上升到了第一位，相比之下，线路坡度的影响程度就不是特别明显。

④客运专线负荷特性。

客运专线高速动车组运行时具有一般电气化铁路的负荷特性，并且还具有牵引负荷大，可靠性要求高；列车负载率高，受电时间长；短时集中负荷特征明显；越区供电能力要求高等特点。

2.3 铁路运输组织方案对牵引负荷的影响线路条件及运量是编制运输调度计划时必须考虑的两个关键因素。

列车会根据调度指挥信号运行。

一般来讲，站间闭塞运行方式是单线铁路的首选运行方式。

站间闭塞即一个区间内只允许一列机车通行。

划分区段闭塞方式是双线铁路的运行模式。

它是以固定间隔时间追踪运行。

一般来讲，客运专线高速列车设计最小追踪时间间隔，远期是3min，近期是4min，货车通常是5耀8min。

高峰期的城际列车追踪时间间隔比市内轨道交通系统还要短。

因此，应该按照远期线路运行指标配备铁路基础设施。

2.4 牵引变电所负荷特性牵引变电所主要负责两侧供电臂的电能供应，其牵引负荷除了受列车行进速度和线路坡度的影响之外，还与供电臂中运行的列车数量有关。

笔者针对某一线路牵引变电所负荷情况进行过实地观测，得到图3所示的实测结果。

由图3可以大致总结出牵引变电所的负荷特性。

①负荷波动频繁。

铁路沿线地形、气候等的差异，导致电力机车在各个路段的行进速度快慢不一。

当列车按照指示信号运行时，铁路运输状态的变化会引起供电臂内列车数量疏密不一。

因此说，牵引变电所两供电臂内列车的数量和列车负荷特点是随时在变动的，并且会使牵引变电所的负荷频繁波动。

②负荷大小不均衡。

两侧供电臂内的列车数量及负荷的变化会使牵引变电所的负荷出现波动，有时轻载，甚至空载。

遇到节假日，或列车故障后恢复正常运行时，负载会增大，引起列车紧密追踪，列车牵引负荷会出现负荷高峰。

③负载率低。

一般来讲，线路运输条件以及列车的行进速度、运量是影响牵引负荷的主要因素。

行进中的列车的受流状态不断变化，平均负荷不会太高，但是牵引变电所也应该具备负荷高峰期的供电能力。

因此大多数牵引变电所的负载率通常在20%以内，仅有个别的是30%。

④电铁负荷向电力系统倒送功率。

通过实地对牵引站数据分析，发现电铁牵引站一天内多次电力系统倒送电。

通过分析发现电力机车在制动时，电机处于发电状态，此时将动能转换为电能，牵引站处于能量回馈状态，相当于一个发电厂，于是就出现了“负”负荷。

制定电气化铁路供电方案时，必须考虑几个关键要素，即电力系统运行要求、铁路沿线运行条件、电力机车牵引负荷以及供电的可靠性。

综合考量之下，笔者划分了常规铁路、重载铁路和客运专线三类分别来讨论每一类铁路的供电方案。

3.1 常规铁路供电方案常规铁路机车的行进速度较低，供电负荷小，牵引质量通常在3000耀5000吨之间，有的地区电网密布，可使用110kV的电源为列车供电。

有的地区电力系统并不发达，系统短路容量较小，或者在爬坡的路段，双机牵引负荷更大，需要提高电压等级，或者进行电力扩容，以满足列车运行要求。

3.2 重载铁路供电方案用来运输煤炭等大宗物料的重载铁路，列车牵引质量一般在一万吨到两万吨之间，供电负荷非常大，应使用220kV电源供电，一是可确保供电状态更加稳定可靠，二是如果日后列车牵引质量发展到两万吨以上，电容空间仍有余量。

3.3 客运专线供电方案客运专线列车行进速度在200耀350km/h之间，机车牵引负荷非常大，列车功率最高可达到24000kVA，牵引变压器规划安装容量通常是100耀120MVA，客观上要求使用更稳定可靠的供电电源。

220kV电压系统是目前全世界高铁系统通用的供电方式，其短路容量一般是10000MVA。

电压等级达不到220kV的电源系统必须有较大的系统短路容量，如韩国“首尔——釜山”段高速铁路电压是154kV，系统短路容量约为8000MVA。

在我国，110kV电力系统短路容量较小，为了确保铁路全线稳定运行，应该尽快改造成220kV供电系统。

电气化铁路供电的公共变电站和铁路牵引站应同步安装或加装电能质量在线监测装置。

牵引站投运前要进行电能质量背景值测试，投运后要进行电能质量实际值测试。

电气化铁路是一种单相不对称波动负荷，由于铁路运输的特殊性，电铁牵引负荷波动频繁、冲击大，并对电力系统产生谐波、负序、三相电压不平衡等不利影响。

本文将以中南部铁路王家庄牵引站为例具体分析电气化铁路给电力系统带来的谐波和负序问题。

案例：中南部铁路王家庄牵引站分从壶关220kV站和平顺220kV站出220kV线路双电源供电，客车参考机型SS9，单机功率为4800kW，功率因数0.81；货车机型为HXD1，单机功率9600kW，功率因数为0.97，客车每天开行2耀3对。

牵引站内，牵引变压器的安装容量为2伊（25+ 31.5）MVA，平顺侧最小短路容量为3602MVA。

4.1 谐波按照国家标准《电能质量公用电网谐波》（GB/T14549-93）中相关要求，电网公共连接点谐波电压允许限值如表2所示。

通过计算可知王家庄牵引站注入平顺站220kV母线谐波电流允许值如表3所示。

经计算，实际王家庄牵引站引起平顺220kV母线的谐波电压与谐波电流如表4。

从表3、表4可见，王家庄牵引站的接入使平顺220kV母线上的三次谐波超出允许范围，因此在设计时必须采取措施减轻电铁负荷对电力系统的谐波影响，目前铁路行业解决以上问题的措施有：①在牵引变电所内安装并联电容无功补偿装置，兼顾滤波作用，一般3次谐波可滤除50豫，5次谐波可滤除20豫，7次谐波可滤除15豫。

于在部分交直型电力机车上加装补偿装置，补偿功率因数，并兼滤部分高次谐波。

③发展交直交型电力机车和动车组牵引，客运专线全部采用交直交动车组，谐波含量大幅度降低，将会缓解电铁谐波问题。

4.2 三相不平衡度按照GB/T14549-93规定，电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%，接于公共连接点的每个用户，引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不得超过2.6%。

王家庄牵引站引起平顺2120kV母线三相电压不平衡度情况如表5。

从表5可见，王家庄牵引站的接入使平顺220kV母线的三相严重不平衡，致使电力系统电能质量下降，因此在设计时必须采取措施减轻电铁负荷对电力系统的不平衡度的影响，目前铁路行业解决以上问题的措施有：①在牵引变电所电源进线侧采取相序轮换接入电力系统的方式，使电铁牵引负荷均衡接入电网。

②牵引变电所供电的二个供电臂负荷尽可能设计均衡。

③考虑到供电系统的稳定性和可靠性，建议采用牵引变压器接线型式。

④在运输组织上尽量使列车均衡发车。

由于电气化铁路接入电网后，造成大量的变电站谐波和负序超标，必须结合供电条件、列车牵引负荷合理调整供电方式，并对牵引站进行无功补偿，以提高电能质量。

通过轮换相序和采用阻抗平衡变压器可以改善其电能质量水平，并应采取分相动态无功补偿（兼滤波）进行综合治理来抑制谐波、电压波动，同时也能改善三相不平衡等电能质量问题。

针对中南部铁路沿线部分牵引站引起三相电压不平衡超标现象，建议牵引站采用三相牵引变压器，有效减少注入系统的负序电流。

铁路和电力是国民经济建设的基础设施，对于社会发展和满足大众出行需要负有共同的责任。

当前，铁路和电力都处于快速发展时期，铁路行业对电铁电能质量影响的治理，不仅关系到铁路牵引供电系统的供电能力和供电质量，也同时影响到电力系统的电能质量及电网的安全可靠运行，需要综合研究、科学决策。