高速鐵路接觸網網壓波動的研究及應對措施

張國棟

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高速鐵路接觸網網壓波動的研究及應對措施

張國棟

針對蘭新高速鐵路運行過程中網壓波動的情況，通過跟蹤試驗動車組及變電所網壓監測情況，結合國網電力公司對蘭新高鐵外部電網采取的供電方式，系統性研究高速鐵路接觸網網壓波動的原因，對類似高速鐵路接觸網網壓波動的應對措施提出合理化建議。

接觸網；網壓波動；電制動；調壓；諧波

0 引言

隨著我國高速鐵路的飛速發展，高速動車組列車對電氣化鐵路接觸網網壓的平穩提出了更高的要求。動車組受電弓直接從接觸網受流取壓，接觸網網壓直接影響動車組列車的運行狀態，同時網壓的平穩與否也直接關系到變電所內供電設備的正常運行。

蘭新高速鐵路地處我國西北地區，橫跨甘肅、青海、新疆三省區，由于風力資源巨大，風力等新能源發電形式在電網構成中占比較大。風電、光伏發電等屬于波動性可再生能源，風力發電系統中風電機組的不穩定性、電網調峰能力缺乏以及電網系統倒切等因素都會導致鐵路牽引變電所330 kV進線電壓波動，從而引起接觸網網壓的異常波動。動車組列車通過接觸網分相時的操作過電壓等因素也會影響高速動車組列車的正常運行。

1 變電所進線電壓及網壓波動監測情況

蘭新高鐵管段內木蘭城、軍墾、首井、左公變電所地處嘉峪關、酒泉地區，330 kV外部電源中風力發電占比較大，自牽引變電所送電以來，330 kV進線電壓較高，且頻繁出現突變波動，高鐵牽引變電所主變壓器共5個檔位，3檔為平衡檔位，每檔的電壓調節幅值為±2.5%，通過主變壓器調檔方式無法滿足正常電壓要求，造成牽引變電所饋出電壓較高，無法滿足動車安全運行要求。

為進一步掌握高鐵接觸網網壓波動情況，對牽引變電所330 kV進線電壓、27.5 kV母線電壓以及接觸網線路電壓進行監測。

（1）蘭新高鐵首井變電所330 kV進線及 27.5 kV母線電壓監測。

通過2016年4月14日監測情況可知：自5時11分，330 kV進線電壓開始上升至363.33 kV，進線電壓最大值為363.33 kV，最小值為350.79 kV，平均值為356.49 kV（圖1）。

圖1 首井變電所進線電壓監測曲線圖

通過2016年4月14日監測情況可知：母線電壓最大值為28.76 kV，最小值為27.97 kV，平均電壓為28.42 kV（圖2）。

圖2 首井變電所母線電壓監測曲線圖

（2）蘭新高鐵軍墾變電所330 kV進線及 27.5 kV母線電壓監測。

通過2016年4月14日監測情況可知：自5時11分，330 kV進線電壓開始上升至365.31 kV，進線電壓最大值為365.31 kV，最小值為352.11 kV，平均值為358.71 kV（圖3）。

通過2016年4月14日監測情況可知：母線電壓最大值為29.20 kV，最小值為28.02 kV，平均電壓為28.61 kV（圖4）。

圖4 軍墾變電所母線電壓監測曲線圖

（3）蘭新高鐵木蘭城變電所330 kV進線及27.5 kV母線電壓監測。

通過2016年4月14日木蘭城變電所監測情況可知：自5時12分，330 kV進線電壓開始上升至363 kV，進線電壓最大值為363 kV，最小值為350.46 kV，平均值為356.73 kV（圖5）。

圖5 木蘭城變電所進線電壓監測曲線圖

通過2016年4月14日監測情況可知：木蘭城牽引變電所母線電壓最大值為28.76 kV，最小值為27.42 kV，平均電壓為28.09 kV（圖6）。

圖6 木蘭城變電所母線電壓監測曲線圖

上述各所330 kV進線電壓及27.5 kV母線電壓統計如表1所示。

表1 變電所電壓統計表

4月14日通過監測木蘭城、首井、軍墾變電所330 kV進線電壓及27.5 kV網壓發現3座牽引變電所進線電壓及接觸網網壓同時在4月14日5時11分左右突變波動達到峰值。按照國家電力行業技術標準變壓器進線電壓不得超過額定電壓的10%的規定，現場監測5時11分左右3座變電所330 kV進線電壓均超過額定電壓的10%。

2 網壓波動造成的影響

（1）網壓波動對動車組列車恒速、恒功率運行的影響。

高速鐵路技術管理規程規定：“正常運行時接觸網的標稱電壓為25 kV，最高工作電壓為 27.5 kV，短時（5min）最高工作電壓為29 kV，最低工作電壓為20 kV”。

通過觀察CRH5型動車組檢測列車監測的接觸網網壓參數，了解動車組運行工況，與車輛段、客車廠技術人員探討網壓波動的狀況。

動車組網壓監控裝置顯示（圖7）：網壓在動態許可范圍內時，動車組正常平穩運行；而在動車組通過牽引變電所、分區所附近的接觸網關節式分相時，機車主斷路器在合閘的瞬間，會出現機車操作過電壓的情況，動車組列車監測到的接觸網網壓會出現短時（4 s左右）波動現象，網壓瞬時達到29 kV或超過29 kV。網壓過高可導致動車組列車電制動失效從而影響機車的恒速運行。

圖7 動車組檢測列車網壓監測曲線圖

參見圖8，可發現：16：33：24～17：10：21時間段內接觸網網壓持續大于29 kV，持續時間 37 min；17：15：56～17：22：47時間段內接觸網網壓持續大于29 kV，持續時間近7 min；17：41：21～17：49：50時間段內接觸網網壓持續大于 29 kV，持續時間超過8 min。

圖8 網壓監控結果圖

接觸網網壓突變波動導致電制動失效的原因分析：根據時速250 km動車組技術條件和動車組設計要求（網壓在29～31.5 kV之間輸出功率線性下降至零），CRH5型動車組在TCU軟件中設定了接觸網網壓與輸出功率的關系曲線，見圖9。

圖9 接觸網網壓與輸出功率關系曲線圖

同時，根據電制動故障條件，當動車組在電制動狀態，輸出功率小于預設電制動功率50%時，延時3 s電制動失效，見圖10。

圖10 電制動失效原理圖

由圖10可見，當TCU檢測到接觸網網壓在29～31.5 kV范圍時，輸出功率線性下降至零，根據電制動故障條件，車組在電制動狀態下，輸出功率小于預設電制動功率50%時，延時3 s電制動失效。電制動失效時，動車組啟動空氣制動模式，需由動車組司機人工控速，影響動車組自動恒速運行。空氣制動是動車組列車低速運行時的主制動方式，在動車組高速運行時長期頻繁使用空氣制動輕則導致制動力減弱，延長制動距離，嚴重情況下可能導致空氣制動失效，動車失控。

（2）網壓波動造成動車組列車牽引離線、丟失的影響及分析。

通過下載CRH5G動車組MPU-LT數據并對其進行分析即可得知，動車組列車在通過高速鐵路接觸網分相時，因網壓波動畸變會發生牽引切除和牽引離線的問題，造成牽引丟失。

圖11為CRH5G動車組01車MPU-LT數據顯示圖，數據顯示牽引1與主機斷開，牽引切除。

圖11 CRH5G動車組01列車MPU-LT數據圖

通過時間對比，圖12中MPU-LT數據表明牽引切除發生在動車通過接觸網分相過程中。

圖12 CRH5G動車組00列車MPU-LT數據圖

下載CRH5G動車組01車TCU數據進行分析，如圖13所示，從上而下第4個波形為網壓信號，第5個波形為過零點信號。可以看出在動車組列車通過分相期間，四象限鎖相環一直在工作（過零點信號一直在翻轉），但此時網壓波形發生了嚴重的畸變；正常過分相的波形如圖14所示，可以看出在網壓正常的情況下，鎖相環是正常工作的，或者沒有網壓鎖相環停止。而當出現網壓異常的情況，有可能鎖相環一直在工作，但是鎖相的結果又不匹配，導致四象限不啟動。由于過零點信號是四象限控制最重要的信號之一，四象限通常要連續檢測到正常的50個周波后才會啟動，而由于網壓異常，檢測到的周期一直在變化，即使網壓恢復正常后，由于之前的相位不正常，導致計算的相位與實際的相位一直有偏差，因此四象限不啟動，超過一定時間后就停止了；需要等待下次鎖相環停止，重新鎖相正常后才啟動。

圖13 CRH5G動車組01車TCU數據過分相波形圖

圖14 CRH5G動車組TCU數據過分相正常網壓波形圖

3 網壓波動的原因分析

（1）電網調峰調壓引起網壓波動。通過對木蘭城變電所、首井變電所、軍墾變電所330 kV進線電壓監測及對比分析發現3座牽引變電所進線電壓均在4月14日5時11分左右達到峰值。經與嘉峪關、酒泉電力公司核實，在4月14日，由于部分風力發電機組故障停機等原因，為使電網系統保持實時平衡，對風力發電系統進行了調峰調壓，導致蘭新高鐵木蘭城牽引變電所、首井牽引變電所、軍墾變電所330 kV進線電壓發生波動，進線電壓較高使得鐵路牽引變電所變壓器二次側饋出電壓較高，引起接觸網網壓的突變波動。

二是重大戰略研究取得新突破。“河湖水系連通戰略重大課題研究”“與水有關生態補償制度研究”已通過水利部驗收；“第一次全國水利普查成果綜合分析”基本完成；“主要江河流域水量分配方案技術協調與審查”“全國重點地區洪水風險圖編制”“水利應對氣候變化適應性研究”“全國干旱區劃及旱災風險評估”“水文干旱預警水位（流量）確定辦法”“水庫汛限水位動態控制關鍵技術研究”“治澇標準及關鍵技術研究”等重大戰略研究進展順利；圍繞跨界河流的開發利用和保護開展了一系列專題研究，為保障國家水資源權益和加強跨界河流管理提供了有力的支撐。

電力系統運行時必須保證實時平衡，即電力系統的發電量和用電量時刻保持一致，為保持電力實時平衡，電力系統中需要保留一部分旋轉備用電源，預留調頻調壓資源。而實際風力發電系統在運行過程中，電力調度中心根據日負荷預測曲線、電源與電網的運行狀態和運行約束條件，制定次日各發電機組的開停機計劃和出力曲線，以使電力電量在當日的每個時間段內在供需兩側保持實時平衡，但是由于影響電力系統運行的因素會存在超出預期之外的變化，如用戶用電量的突然增加或較少，以及某臺或多臺風力發電機組因故障意外停機等因素，都會造成運行日內電力系統供需兩側不平衡的問題。此時就需要為這些隨時出現的臨時不平衡進行調整，通過增加或者減少某些風力發電機組的功率，對電網系統進行調峰（調壓），以使電力系統供需兩側電量保持平衡。在電網系統調峰過程中，電網電壓就會出現波動，此時牽引變電所進線電壓及饋出電壓就會隨之出現波動情況。

（2）環形電網系統倒切引起網壓波動。地方330 kV電力系統中的環形電網系統倒切時也會引起接觸網網壓的突變波動。正常運行時地方330 kV變電站有2路可靠的進線電源串接在電網當中，在電網適時倒切系統運行時也會出現短時的網壓突變波動。

（3）機車通過分相時引起網壓波動。蘭新高鐵接觸網供電系統采用AT全并聯供電方式，在AT分區所末端上下行全并聯運行提高末端電壓，通過添乘動車組檢測列車發現，以下3種情況存在接觸網網壓瞬間達到或超過29 kV。

a.當動車組在區間正常運行時，如在同一供電臂上，后面列車正好通過分區所分相進入該供電臂時，由于動車組主斷路器合閘瞬間接觸網網壓波動，會造成同一供電臂運行動車網壓的波動。

b.當動車組運行至牽引變電所分相附近時，如果此時臨線有動車組列車恰好通過臨線分相位置，由于牽引變電所處上下行是并聯運行，臨線動車組主斷路器合閘瞬間接觸網網壓波動，會造成臨線運行動車組網壓的波動。

c.當動車組運行至AT分區所分相附近時，如果此時鄰線有動車組列車恰好通過鄰線接觸網關節式分相位置，由于AT分區所處上下行并聯運行，鄰線動車組主斷路器合閘瞬間接觸網網壓波動，也會造成鄰線運行動車組網壓的波動。

4 消除網壓波動及其影響的優化建議

（2）針對動車組列車通過分相時網壓波動的優化建議。

蘭新高速鐵路采用的動車組類型是CRH5型，其交流傳動系統采用“交-直-交”型傳動系統，與以往交流傳動系統的電力機車相比較，其整流部分普遍采用四象限PWM變流器，電路拓撲和電氣特性與以往的韶山系列電力機車有著明顯的不同，具有功率因數高、諧波含量低、可實現能量雙向流動等優點。但是由于諧波特性的改變，引起動車組及機車與牽引供電系統的不匹配問題，據了解，在國內已開通的部分高速鐵路干線上，由于動車組與牽引供電系統的不匹配，運行以來已多次發生諧振問題，造成諧波電流放大，引起諧波過電壓，這是牽引供電系統與動車組車網電氣耦合系統工作失穩的一種表現，對牽引供電系統及動車組的安全穩定運行帶來一定的影響。

而交-直-交型動車組的負荷特性表現為功率因數高，諧波頻譜加寬，諧波含量大大降低的特點。但機車基礎負荷較大，再生工況頻繁，寬頻譜下的高次諧波絕對值仍較大，諧波源持續時間較長，該條件下供電系統的線路電容效應不能忽略。因此建議在動車組主電路上（主變高壓側或低壓側）加裝RC吸收濾波裝置，以減小牽引網電流高次諧波的含量；改變動車組整車不同動力單元的控制策略，調整多重化移相角度，使電流頻譜避開牽引網的諧振頻率；調整動車組牽引傳動系統控制參數，抑制諧波電流的含量。

（3）針對動車組列車通過高速鐵路接觸網分相區時網壓畸變導致過零點鎖相環異常的問題，建議由動車組列車生產廠在機車控制程序中鎖相環啟動條件里增加主斷信號，這樣就能保證在過分相時鎖相環停止工作，待網壓恢復以后重新進行鎖相，從而避免動車組列車通過高速鐵路分相區時因網壓畸變導致過零點鎖相環異常、四象限不啟動以及牽引離線問題的發生。

5 結語

綜上所述，引起牽引供電系統網壓波動的原因基本可以概括為2個方面，一是外部電網由于調峰調壓、系統倒切、并網作用造成網壓波動。針對此情況，建議在外部電網發電系統加裝穩壓濾波裝置，以此來消除網壓的波動和諧波的干擾作用。二是由于動車組列車自身產生的諧波及與牽引供電系統車網電氣耦合狀態失穩造成網壓波動。針對此情況建議在動車組主電路上加裝RC吸收濾波裝置，調整動車組牽引傳動控制參數等方式減小牽引網電流高次諧波的含量，以此來穩定牽引網的工作電壓。或者由動車組列車生產廠修改機車控制程序以規避牽引離線問題的發生。同時鐵路局供電段應適時與地方電網協調溝通，做好所內網壓的監測工作，若發生持續性的電壓升高問題，要及時聯系路局電調、國網公司進行應急處置。

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[4] 王衛安，桂衛華. 基于MRPC的電氣化鐵道諧波治理技術研究[J]. 機車電傳動，2014，（2）.

With regard to fluctuation of network voltage of overhead contact system for Lanzhou-Xinjiang high speed railway, by tracking and testing of electric multiple unit and monitoring of substation network voltage, and with reference of power supply mode adopted by the State Grid Corporation served as the external power supply for Lanzhou-Xinjiang high speed railway, the paper studies systematically causes of fluctuation of network voltage of overhead contact system for high speed railway, and puts forward rational proposals on countermeasures to the fluctuation of network voltage of overhead contact system for similar high speed railways.

Overhead contact system; fluctuation of network voltage; electric braking; voltage regulation; harmonic

U224

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1007-936X(2017)02-0025-05

張國棟.蘭州鐵路局嘉峪關供電段高鐵技術科，工程師，電話：18693757982。

2016-07-26