高速電氣化鐵路對電網運行影響的測試

周水金　翟嚴

電氣化鐵路具有速度快、運輸能力強、供電距離長、節約能源與造價、牽引性能好等優點，因而具有廣闊的發展前景，是世界以及我國鐵路發展的方向，廣泛地應用于鐵路運輸之中。2010年全國鐵路營業里程達到90000公里以上，復線、電氣化率均達到45%以上。根據國務院批準的《中長期鐵路網規劃》，到2020年，我國鐵路總里程將達到10000公里，其中電氣化50000公里，主要干線鐵路將實現電氣化。鐵路電氣化率約為50%，承擔80%以上的運量。其中，將建成以京滬、京廣、京哈、滬涌深及徐蘭、杭長、青太及滬漢蓉“四縱四橫”客運專線（高速鐵路）12000公里，客貨混跑快速線路20000公里，形成我國鐵路快速客運網。

一、高鐵對電網運行存在較大影響

我國采用的單相工頻交流牽引是當今世界比較先進也是應用比較廣泛的鐵路電力牽引制式。但是，自其出現以來，就存在著一些電能質量問題。負序功率、諧波含量豐富、功率因數低是電氣化鐵道的三個主要特征。而牽引負荷的劇烈波動則使問題進一步復雜嚴重。

江蘇鐵路規劃表明，未來將有多條高鐵線路運行。目前電網缺少高鐵運行方面的經驗，本文將為電網規劃和調度運行提供參考依據，為保護提供優化配置方案，提出高鐵的治理合理措施。

二、國內外研究水平綜述

自1964年10月1日日本建成開通世界上第一條高速鐵路以來，經過幾十年的實踐和發展，各國高速鐵路的牽引供電系統都有了很大的改進，達到了很高的水平，而且都各具特色。最具有代表性的是日本、法國和德國高速鐵路的牽引供電系統。

1.牽引供電方式。高速鐵路要求接觸網受流質量高，分段和分相點數量少。目前各國大多采用自耦變壓器（AT）供電方式和帶回線的直接（RT）供電方式。日本、法國采用AT供電方式；德國及以德國高速鐵路為技術原型建設高速鐵路的國家多采用RT供電方式。AT供電方式的優點是：供電質量高、變電所數量少、便于牽引變電所選址和電力部門的配合、牽引變電所間距大、分相點少。因此，便于高速列車運行，防干擾效果也好。

2.電源電壓等級。由于牽引負荷為單相系統，隨著高速鐵路負荷電流的增大，對電力系統的不平衡影響也越來越大。為了減少對電力系統的影響，高速鐵路一般都采用較高的電源電壓。日本采用154kV、220kV和275kV三種電壓等級、德國采用110kV電壓等級、意大利采用150kV電壓等級、西班牙采用220kV和400kV兩種電壓等級、韓國采用154kV。

3.接觸網電壓。接觸網的電壓對電力機車功率發揮及機車運行速度有很大影響，而且直接關系到牽引供電設備技術參數的選定和供電系統的工程投資，各國都非常重視這一技術標準。日本接觸網的標稱電壓為25kV，最高電壓為30kV，最低電壓為22.5kV。歐洲標準規定（EN50163）：接觸網額定電壓為25kV，最高長期電壓為27.5kV，最高瞬時電壓為29kV（smin），最低設計長期工作電壓為19kV。

4.牽引變壓器接線型式。牽引變壓器是牽引供電系統中最重要的設備。它對牽引供電系統和工程投資起決定性的影響，不同類型的牽引變壓器對電力系統產生不同的不平衡影響。

日本采用斯科特接線和變形伍德橋接線三相變壓器。法國、德國、意大利和西班牙采用單相變壓器。單相變壓器的優點是變壓器容量利用率高、經濟效果好，并能有效減少分相點的數量，最適合在高速鐵路上應用。國內高鐵目前主要采用三相V/V（V/X）變壓器。

高鐵的固有兩相供電存在較大的負序電流問題，需要從電能質量、保護等方面進行評估。

目前，國外學者對高速鐵路做了較為深入的研究。文獻指出，由于現代高速鐵路牽引供電系統（TPS）的容量需求越來越大，動態負荷評估方法已經不僅僅是牽引供電系統規劃的重要工具，也是評估牽引系統的不平衡特性對電網影響的一個工具。如果沒有一個優良的動態負荷評估算法，不平衡的影響很容易被低估，導致電力系統不穩定。一個好的動態負荷評估方法實施必須以電力工程的角度出發，同時結合實際的鐵路運行原則和方法。文章提出了一種準確的動態負荷評估算法實現這些目標，這種算法能滿足所有的原則和參數要求。文獻介紹了一種系統評估高速鐵路對電網影響的方法。文章指出，大功率的牽引負荷將導致系統電壓和電流的不平衡，由此引起的旋轉電機發熱，系統損耗增加，對鄰近通信系統的干擾，并導致繼電保護裝置和測量儀器出現故障。其中有些問題可能嚴重影響電力系統和其他與之相連設備的正常運行。因此，該方法是面向系統運行分析，而不是系統規劃分析。文獻對即將運行的臺灣高鐵對臺灣電力系統的影響進行了深入研究。運用一種新開發的三相牛頓最優潮流法作為分析工具，對電壓不平衡率，高速鐵路供電電壓及靜態電壓穩定性問題進行了研究。研究發現，臺灣電力系統在有單相高速機車負荷接人的情況下，仍保持了良好的特性。文獻分析了在機車負荷情況下為高鐵線路供電的電力系統的動態特性。文獻說明了靠三相電力系統供電的高速鐵路負荷，在電力系統中是一個重要的不平衡擾動源。電壓和電流不平衡度取決于機車的型號，負載模型和電力系統結構。文章提出了一種分辨電壓不平衡值超過標準限值脆弱區域的方法和一種在高速鐵路規劃和設計期間評估其對電力系統造成電壓不平衡度的方法。

三、理論和實踐依據

通過普速電氣化鐵路的研究分析和對已投運高鐵的測試，牽引負荷對電網的影響主要表現：

1.負序電流對電力系統的影響。由于牽引站兩相供電的特點，電氣化鐵路存在負序不平衡等問題，尤其是高速列車由于速度很高，列車運行時空氣阻力明顯增大，牽引功率和能耗相應增加。與普通交直型電力機車相比，高速列車需要的牽引功率大幅增加，注入電力系統的負序電流顯著增大。同時，高速列車負載率高，受電時間長，高速電氣化鐵路的負序電流具有持續時間長的特征。由于高速列車牽引功率大的特點，高速鐵路將給沿線的電力系統帶來嚴重的負序問題。

負序電流對同步發電機影響最大的是轉子的附加損耗與發熱，其次是附加振動。對于異步電動機來說，負序電壓產生負序電流和逆轉的電磁轉矩。負序電壓對異步電動機的運行是十分不利的，較小的負序電壓加到異步電動機上將會引起較大的負序電流及負序逆轉電磁轉矩，直接影響異步電動機的效率和安全可靠運行；負序電流造成電力系統三相電流不對稱，因而系統中的三相變壓器有一相電流最大而不能有效發揮變壓器的額定出力（即變壓器容量利用率下降）。

隨著高速機車中的變壓器容量增大，在過分區停及啟動時，將會產生更大的勵磁涌流，系統的保護將承受更大的沖擊，會產生比較大的影響，需要對相關接人站的保護進行分析。

2.諧波電流對電力系統的影響。高速交流動車組采用交直交傳動方式。該種傳動方式產生的諧波總量相對較小，但諧波頻譜寬，高次諧波電流成分高。諧波導致電網中的元件產生附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率；引起發電機產生機械振動、噪聲和過電壓；可能造成電容、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短、以致損壞；干擾繼電保護和自動裝置，引起保護誤動作，影響系統安全穩定運行；造成電氣測量儀器計量精度下降。

在諧波頻率下，系統中各個元件對地和相間分布電容存在，使得電力系統中構成了一個復雜的由電容、電抗、電阻組成的網絡，加上系統本來存在的補償電容器等大電容元件和電磁式電壓互感器、變壓器等非線性磁性元件的相互作用，會在系統的局部存在諧波振蕩或對諧波敏感的點，因此高鐵負荷注入系統的諧波可能引起諧振或者諧波放大。

3.對電力系統的其他影響。電氣化鐵路是典型的沖擊型負載，所引起的電壓波動非常大。電壓波動的范圍與供電系統的容量、網絡參數、負載容量等相關。如果220kV牽引變電站在公共連接點有其它負荷，則這些負荷會受到電壓波動的影響。由于電氣化鐵路牽引站主要是牽引負荷，在這種情況下，電氣化鐵路牽引系統自身就是電壓波動的最大受害者。

功率因數低、負序功率大、諧波含量豐富是電氣化鐵道的三個主要特征。一方面高速鐵路牽引負荷的大大增加以及負荷本身的大幅波動使問題進一步復雜，影響程度進一步加大。電氣化鐵路產生的負序、諧波、沖擊惡化了電網電能質量，降低了電網供電的安全可靠性。另一方面隨著高新技術產業的發展，設備自動化水平的提高，用戶對電能質量提出了比傳統的機電產品更新更高的要求，由于電壓暫降、諧波等電能質量問題使產品質量下降甚至導致生產過程中斷，造成巨大的經濟損失。