電氣化鐵路對山東電網電能質量影響

劉祥國，王慶玉

(1.濟寧供電公司，山東 濟寧 272000；2.山東電力科學研究院，山東 濟南 250002)

0 引言

電氣化鐵路，是電力機車通行的鐵路，是一種現代化的鐵路運輸工具。 牽引動力是電力機車，由架設在鐵路上方的接觸網向電力機車直接輸送電能。與內燃、蒸汽機車牽引的鐵路相比，電氣化鐵路具有運輸能力大、行駛速度快、消耗能源少、運營成本低、工作條件好等優點，對運量大的干線鐵路和具有陡坡、長大隧道的山區干線鐵路實現電氣化，在技術上、經濟上均有明顯的優越性，鐵路電氣化、高速化是大勢所趨。

從2006年膠濟鐵路電氣化改造至今，山東境內目前運行的有膠濟線、京滬線、京九線、新菏兗日線、京滬高鐵等多條電氣化鐵路。

1 電氣化鐵路的供電特點

我國電氣化鐵路均由電力系統以220 kV或110 kV電壓供電。電力機車牽引負荷為一類負荷，供電可靠性要求高，故電氣化鐵路牽引站設置兩臺牽引變壓器(220/27.5 kV或110/27.5 kV)，并由電力系統提供兩組相對獨立的供電電源(兩個不同的變電站或同一變電站的兩段母線)。 牽引站接線方式為線路變壓器組接線，正常運行為一主一備。

電力機車從接觸網得到27.5 kV單相工頻交流電，經機車內部的設備相應處理后供給牽引電動機。因此，牽引負荷為單相整流負荷，是一種呈隨機特性、不對稱的非線性負荷，功率大、波動性大、分布廣泛，對電力系統的安全經濟運行影響較大。

2 電氣化鐵路對電網的危害

電氣化鐵路牽引動力來自電力機車，單相分段半控橋變流方式或單相全波不控變流方式，機車運行過程中，具有嚴重的非線性，向電力系統注入大量的諧波電流，成為電力系統中最大的諧波源；電力機車為單相負荷，具有嚴重的不對稱性，向電力系統注入了大量的負序電流；開停頻繁，有功沖擊大，造成電力系統電壓波動和閃變。其中對電網影響最為嚴重的是諧波和負序電流［1-2］。

2.1 諧波危害

諧波注入電力系統后，使變電站的變壓器噪音增大，含烴量增高，局部過熱，介損和溫升增大，增加變壓器的渦流損耗和鐵芯損耗。

諧波會引起無功補償設備、高壓電纜、PT、CT等一次設備局部過熱，介損和溫升增大，嚴重影響到這些一次設備的使用壽命。

不對稱的3次諧波可能使部分站內配置5%(6%)電抗率的無功補償設備發生串聯諧振，使無功補償裝置電容器組產生諧振過電壓，導致無功補償設備損毀，甚至爆炸。

對通信系統產生電磁干擾，使電信質量下降。另外，在諧波的影響下，電能計量將出現測量誤差［3］。

2.2 負序電流的危害

負序電流對電氣設備的影響主要是熱累積效應。系統中的發電機和電動機，由于一般在滿載或接近滿載的情況下運行，其熱容量沒有余地或余地很小，額外的電流會帶來額外的溫升和附加損耗，容易使電機過熱而縮短絕緣壽命，并引起機組振動；因此，發電機承受負序電流有一定的限制(見GB755-2008《旋轉電機 定額和性能》)。

不平衡的負序電流會引起電網繼電保護負序元件頻繁啟動，以負序電流濾序器(單相式及三相式)為起動元件的繼電保護及自動裝置，都會連續引起誤動作，同時也干擾其他保護的正常運行。電力機車的沖擊電流(啟動、涌流)也會引起電網繼電保護電流突變量啟動元件頻繁啟動［4］。

負序電流對計量表計的準確度也會有一定影響，間接影響電網運行安全性和經濟性。

3 電氣化鐵路對山東電網電能質量的影響

3.1 普通速度電氣化鐵路對電網電能質量的影響

表1為新菏兗日電氣化鐵路投運前后，為其供電的某變電站110 kV母線電壓諧波含有率、總畸變率及三相不平衡度對比。

表1 110 kV母線電壓各次諧波含有率、總畸變率及三相不平衡率 %

6 0.01 0.01 0.01 0.046 0.035 0.04 0.8 7 0.47 0.44 0.47 1.205 1.136 1.167 1.6 8 0.01 0.01 0.01 0.072 0.062 0.07 0.8 9 0.02 0.04 0.02 0.242 0.166 0.233 1.6 10 0.01 0.01 0.01 0.053 0.047 0.045 0.8 11 0.14 0.14 0.14 0.528 0.511 0.536 1.6 12 0.01 0.01 0.01 0.033 0.024 0.028 0.8 13 0.06 0.05 0.06 0.269 0.224 0.272 1.6 14 0.01 0.01 0.01 0.035 0.023 0.029 0.8 15 0.02 0.02 0.02 0.216 0.131 0.196 1.6 16 0.02 0.02 0.02 0.041 0.027 0.033 0.8 17 0.07 0.08 0.09 0.265 0.166 0.229 1.6 18 0.03 0.03 0.03 0.047 0.026 0.037 0.8 19 0.09 0.08 0.07 0.303 0.184 0.265 1.6 20 0.04 0.04 0.04 0.054 0.03 0.043 0.8 21 0.05 0.04 0.05 0.299 0.195 0.292 1.6 22 0.03 0.02 0.03 0.059 0.033 0.048 0.8 23 0.12 0.12 0.13 0.402 0.3 0.36 1.6 24 0.01 0.01 0.01 0.066 0.039 0.053 0.8 25 0.11 0.10 0.10 0.335 0.308 0.355 1.6總畸變率 0.92 0.88 0.93 1.824 1.565 1.767 2三相不平衡度 0.30 0.742 2

圖1 普速電氣化鐵路諧波電流頻譜圖

3.2 高速電氣化鐵路對電網電能質量的影響

表2為京滬高鐵投運前后，為其供電的某變電站220 kV母線電壓諧波含有率、總畸變率及三相不平衡度對比。

表2 110 kV母線電壓諧波含有率、總畸變率及三相不平衡率 %

圖2 高速電氣化鐵路諧波電流頻譜圖

由于京滬高鐵采用了交—直—交型電力機車，諧波的頻帶被擴大，覆蓋了從低次到高次很大范圍。諧波頻譜已超出現有國家諧波標準的范圍(現有國標只規定至25次)。

圖3 電流不平衡度趨勢圖

高鐵單相負載特性沒有發生改變，圖3為京滬高鐵某牽引站電流不平衡度變化曲線，由此可見，高鐵負序問題依然嚴重，且接入電壓等級越高，負序的影響范圍越大。

高鐵均以220 kV電壓等級接入電網，因接入點電壓等級的提高，接入點短路容量較110 kV接入點大大增加，減小了對電網的影響；與普速電鐵相比，高鐵諧波電流總有效值大幅度下降，但低次諧波依然存在，并占據一定比重。

4 結語

由測試數據發現，山東境內電氣化鐵路對山東電網電能質量的影響較大，其中某些變電站的電能質量已經超標或接近超標，對電網的安全穩定運行帶來了一定的危害。 隨著藍煙線(藍村—煙臺)、膠新線(膠州—江蘇新沂)、邯濟線(邯鄲—濟南)、石家莊—濟南客運專線、青島—榮成城際鐵路、山西瓦塘—日照等電氣化鐵路的逐漸投運，山東境內的電氣化鐵路越來越多，電能質量問題也將越來越嚴峻，應當引起各方面的重視。