電氣化鐵路負荷的集中接入對接入點電壓的影響分析

胡仁祥，王斌，王福華，張燕

(吐魯番電業(yè)局，新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市，838000)

0 引言

為了貫徹國家能源政策和環(huán)保要求，加強節(jié)能減排和生態(tài)環(huán)境保護，改善鐵路沿線的環(huán)境質(zhì)量，加快資源節(jié)約型、環(huán)境友好型交通運輸體系建設，新疆電網(wǎng)電氣化鐵路進入了飛速發(fā)展時期，出現(xiàn)了220kV電壓等級的電氣化鐵路負荷集中接入現(xiàn)象。

由于電力機車負荷［1-2］是一種急劇變化、隨機性強的負荷，電力牽引負荷波動范圍大。若電氣化鐵路集中接入，將引起接入點的電壓巨大的波動，嚴重影響電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。

本文以新疆吐魯番電網(wǎng)220kV小草湖變電站集中接入2個220kV牽引變電站為例，運用電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP 6.28)仿真分析機車的同時駛?cè)雽π〔莺冸娬?20kV母線電壓波動的影響情況，并針對此情況仿真論證了加裝SVC的解決措施。

1 電氣化鐵路供電系統(tǒng)

1.1 牽引供電系統(tǒng)組成

牽引供電系統(tǒng)［2］如圖1所示，主要由牽引變電所、分區(qū)亭及牽引電網(wǎng)組成。牽引網(wǎng)額定電壓為單相25kV，最高運行電壓為27.5kV。牽引變電所高壓側(cè)一般接于110或220kV電力系統(tǒng)，其主變壓器低壓側(cè)一相接地，另外兩相為兩側(cè)單相供電臂的電源。為了減輕高壓側(cè)三相不平衡度，鐵路全線所有牽引變電所主變壓器低壓側(cè)輪換接地，牽引供電系統(tǒng)2個牽引變電所之間的供電臂在中間設立分區(qū)亭，正常情況下斷開運行，事故情況下合閘后可以作為2個變電所的相互備用電源。由于220kV系統(tǒng)的短路容量大于110kV系統(tǒng)，接入高電壓等級時，電鐵沖擊負荷對接入點的電壓影響要小于接入低電壓等級［3］。

圖1 典型牽引供電系統(tǒng)Fig.1 Typical traction power supply system

1.2 電鐵負荷對系統(tǒng)無功的需求

在電力機車進入牽引變電站的供電范圍之前，變電站基本處于空載狀態(tài);當電力機車進入牽引變電站的供電臂時，需要變電站立刻提供與電力機車相匹配的有功和無功功率;而電力機車離開變電站的供電范圍時，變電站又要迅速進入空載狀態(tài)［4-6］。典型的電氣化鐵路牽引變電站的無功功率變化波形如圖2所示，可看出電鐵負荷的無功功率表現(xiàn)為明顯的階梯狀態(tài)。

圖2 典型電氣化鐵路牽引變電站無功功率波形Fig.2 Reactive power waveform of typical traction station of electrical railway

2 SVC無功動態(tài)補償原理

系統(tǒng)、負荷和補償器的單相等效電路如圖3所示［7］。圖3中U1為無功功率等于0時的系統(tǒng)線電壓;U2為系統(tǒng)工作線電壓;R和X為系統(tǒng)電阻和電抗。設負荷變化很小，ΔU遠小于U2，其中ΔU=U1－U2。

圖3 單相電路無功補償Fig.3 Reactive power compensation of single-phase circuit

投入SVC無功補償裝置之后，系統(tǒng)供給的無功功率為負載和補償裝置提供的無功功率之和，即

式中:QL為負載無功功率;Qc為補償裝置的無功功率。

QL變化時，若Qc總能夠彌補QL的變化，從而使Q維持不變，即ΔQ=0，則ΔU也將為0，使工作電壓U2保持恒定。

3 仿真分析

吐魯番地區(qū)天山和吐魯番牽引變電站均為220kV電壓等級，接入220kV小草湖變電站，接線如圖4所示。

圖4 牽引變電站集中接入示意圖Fig.4 Schematic diagram of centralized access of traction station

運用電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP 6.28)仿真分析機車的同時駛?cè)雽π〔莺冸娬?20kV母線電壓波動的影響情況，天山和吐魯番牽引變電站有功負荷從0變化到最大負荷(90MW)時的無功負荷沖擊仿真波形如圖5所示，牽引沖擊負荷對接入點電壓的影響如圖6所示。

從圖6可以看出，接入點小草湖220kV母線電壓隨牽引負荷發(fā)生變化，負荷無功功率為正時接入點電壓下降，無功負荷越大，電壓下降的幅度也越大;負荷無功為負時，即向系統(tǒng)提供無功功率，接入點電壓下降，若此無功功率等于線路傳輸功率消耗的無功功率時，接入點電壓將不會下降，表現(xiàn)為從最低電壓上升到正常水平，波動較大。這種因無功負荷的波動而引起接入點電壓的波動，將對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生較大影響。

從圖6還可以看出，220kV天山和吐魯番牽引變電站同時運行時，對系統(tǒng)的電壓沖擊較大。接入點母線波動最大接近19.9kV，波動幅度為8.57%，且電壓恢復的過程較緩慢。

由以上分析可知，電氣化鐵路負荷的接入將對電網(wǎng)無功功率控制產(chǎn)生較大影響。

4 改善措施

(1)提高接入點正常運行電壓。將小草湖變電站220kV母線運行電壓適當提高，但必須在電壓合格范圍內(nèi)，即不超過電壓上限242kV。本文將接入點電壓從232.3kV提高到241.2kV。接入點電壓變化時，牽引沖擊負荷對接入點電壓的影響如圖7所示，此時電壓波動情況見表1。

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從圖7和表1可以看出，當接入運行電壓提高后，受到同樣的牽引負荷沖擊時，運行電壓較高時的電壓波動幅度僅為6.35%，比運行電壓低時的電壓波動幅度小2.22%。

可見，適當?shù)靥岣呓尤氲倪\行電壓，承受牽引負荷的沖擊能力可以得到提高。

(2)加裝SVC動態(tài)無功補償。本文還考慮了在天山和吐魯番牽引變電站同時加裝SVC，來改善沖擊負荷對接入的電壓影響。接入點有無SVC時的電壓變化情況如圖8所示，此時電壓波動情況見表2。

從圖8和表2可以看出，有無SVC對接入點的電壓影響非常大，加裝SVC后電壓僅下降6.7kV，波動幅度比沒有SVC時小5.69%，對接入點的電壓改善取得了很好的效果。

可見，牽引變電站加裝SVC后承受牽引負荷的沖擊能力得到明顯提高。

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5 結語

通過對電氣化鐵路負荷集中接入時接入點電壓變化情況的仿真分析，指出了電鐵沖擊負荷中無功負荷的波動，造成接入點電壓的波動，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生了較大影響。

針對上述現(xiàn)象，本文提出了提高接入點正常運行電壓和加裝SVC這2種措施，顯著提高了接入點承受電鐵沖擊負荷的能力，有效降低了接入點電壓的波動幅度。

［1］鐵路部電氣化工程局電氣化勘測設計院.電氣化鐵路設計手冊:牽引供電系統(tǒng)［M］.北京:中國鐵路出版社，1988.

［2］韓柳，談順濤.電氣化鐵路對電網(wǎng)的影響及對策［J］.江蘇電機工程，2005(3):8-11.

［3］張小瑜，吳俊勇.電氣化鐵路接入電力系統(tǒng)的電壓等級問題［J］.電網(wǎng)技術，2007，31(7):12-17.

［4］盧志海，厲吉文，周劍.電氣化鐵路對電力系統(tǒng)的影響［J］.繼電器，2004，32(11):33-36.

［5］賀建閩，黃治清.電壓質(zhì)量問題分析［J］.電氣化鐵道，2002(3):1-4.

［6］中國電力科學研究院.電氣化鐵路供電接入電壓等級及諧波治理問題的研究報告［R］.北京:中國電力科學研究院，2006.

［7］劉凡，楊洪耕，葉茂清.靜止無功補償器對提高電鐵電壓穩(wěn)定水平的研究［J］.繼電器，2003，31(5):30-32.