淺析電氣化鐵路負荷對電網電能質量的影響及其治理措施

紀麟凡

摘 要：鐵路電氣化能夠增強運輸能力，而且提高能源的利用效率，達到節能減排目的。近些年來我國經濟發展十分迅速，而且科學技術也取得了很大的進步，電氣化鐵路的發展也到了一個關鍵時期。不過因為單相運行、負荷變化以及整流供電等因素的存在，電氣化鐵路牽引符合對電網產生了一些不利影響，首先是降低了功率因數；其次是三相電壓平衡性減弱；再者是諧波超出標準；最后是電壓波動幅度較大等。本文參考我國河南省電網的現狀和電氣化鐵路的發展情況，對電氣化鐵路負荷對電網電能質量的影響特點進行了探討，有針對性地提出相應的治理措施。

關鍵詞：河南電網；電氣化鐵路；電能質量；治理措施

隨著電氣化鐵路的應用不斷深入，鐵路網絡的運輸能力將會逐漸增強，能源利用效率也會得到很大程度的提升，有利于實現節能減排的目標，同時能夠促進我國經濟社會的健康發展。我國在《中長期鐵路網規劃》中明確指出，截止到2020年的時候，我國鐵路的總里程數必須達到5萬公里以上。由于電氣化鐵路的發展相當迅速，其相應的牽引供電系統規模也會逐步擴大。作為我國鐵路網絡的中心，河南省鐵路電氣化比例相當大，可靠數據顯示，在2015年底的時候，該省的電氣化鐵路里程數已經超過了2500公里。河南省的地級市幾乎都設置額電氣化鐵路牽引站，牽引站總數接近40座，容量和負荷則是分別達到2600MVA和1100MVA左右，約為30億千瓦時的電量位列我國電網公司第二名[1]。

然而需要指出的是，對于電氣化鐵路而言，目前我國使用的主要是工頻單相交流制，所以電力機車單相整流負荷具有相當大的波動性，這對三相對稱供電系統產生了不利影響，進而使得其對稱性、線性以及穩定性均不理想。三相諧波電流的平衡性較差，整個電力系統因此受到很大影響。與此同時，整個牽引網出現諧振的可能性增強，最終使得諧波電流變得相當大。隨著諧波電流的不斷增加，無功功率占據的比例不斷增加，其功率因數也會逐漸降低，相比諧波電壓而言，諧波電流畸變問題更為突出。尤其是近些年來電氣化鐵路負荷持續增加，河南省的敏感用戶也越來越多，諧波和負序等問題變得十分嚴重，整個電網出現了各種各樣的問題，比較突出的問題有：電容器頻繁發生故障；風電機組并網面臨較大困難；直流充電模塊燒毀現象越來越多；用戶保護誤跳閘情況比較嚴重。正是由于上述問題的存在，電網電能質量的保證成為了人們關注的焦點，電網運行的安全性和穩定性也將面臨很大的挑戰[2]。

1 河南省電氣化鐵路牽引站現狀

如前文所述，作為全國鐵路網絡的中心，河南省匯集了很多國家鐵路主干線和支線。可靠數據顯示，在2015年年底的時候，河南省正線運營的鐵路總里程數多達4000多公里，現階段已經初步形成了“三縱五橫”的鐵路網絡，是國家鐵路交通網絡的重要樞紐。

針對目前的情況來看，河南省內電氣化鐵路牽引站主要使用的供電電壓等級是110KV，比較有代表性的是京廣鐵路、隴海鐵路、太焦新月鐵路和寧西鐵路，它們在河南省內的牽引站數量分別為10座、15座、5座、5座。除此之外，京九鐵路、焦柳鐵路的牽引站數量分別為4座和8座。少數客運專線使用的是220KV電壓等級進行供電，其中鄭西客運專項就設置了8座這樣的牽引站。可靠數據顯示，截止2015年年底的世行，全省的牽引站數目為60多座，多達5000MVA的牽引容量意味著其牽引站數量遍布到絕大部分的地級市[3][5]。

2 電氣化鐵路供電電網電能質量測試分析

隨著電氣化鐵路的不斷發展，其負荷將會對電能質量產生不用程度的影響。鑒于此，該省電力公司針對所有地級市的供電情況進行了測試分析，掌握其牽引站和供電系統連接點的電能質量，主要針對的是背景諧波和負序。具體測試的時候采用連續測量的方式，各個測試點的測試時間必須達到24小時以上，記錄間隔時間選擇1分鐘，各個周期內采樣數目必須多余128，不同諧波分析的周波不得少于4個。參考我國現行的基本標準進行數據的統計和分析，下面將針對統計后的監測數據進行分析，得到以下的測試結果。

2.1 牽引站注入諧波電流統計分析

目前，該省接受測試分析的電氣化鐵路全部都是普速鐵路，所以對應的牽引站主要使用的是韶山型機車與和諧號動車。對于前者來說，交直型機車的整流橋脈動為2，具有很大的奇次諧波，而且諧波電流超標的情況存在于全部的牽引站，絕大部分牽引站的諧波集中在313次，詳細的統計數據如下表1所示。結合我國電科院給出的全國電氣化鐵路測試分析平均水平結果可知，其諧波電流的水平相對更高，這主要是因為該省是電氣化鐵路的中心，所以列車運行數目和牽引重量更大，諧波電流更大在一定程度上可以視為一種必然。

2.2 牽引站公共接入點諧波電壓畸變率統計分析

通過對測試結果進行統計分析可知，目前該省有8座牽引站的諧波電壓總畸變率超出了國標2%以上。如果從嚴重程度進行分類如下表2所示：

除此之外，還有諸如酈城變、靈山變、朝陽變以及南陽變等諧波含量較高，都大于1.5%，這些地方將不允許再接入非線性負荷。不過值得肯定的是，背景諧波超標的情況并不嚴重，只有函谷變略有超標。然而我們仍然不能夠盲目樂觀，畢竟那些沒有超標的站點也和標準限值相當接近。

深入分析此次測試站點情況可知，由于電氣化鐵路諸如系統諧波有明顯超標，絕大部分站點母線電壓諧波超出標準值，很多情況下電氣化鐵路站內濾波器沒有正常工作。除此之外，由于電氣化鐵路向供電系統注入了大量的諧波，而且很多容量較大的非線性負荷被接入到系統之中，所以也使得諧波超標情況變得十分嚴重，而且母線電壓波形畸變程度較高，諧波超標難以控制。最后，一些變電站通常是在整個電網的末端部分，所以其短路容量相當不足。

2.3 牽引站負序測試結果的統計分析

參考測試結果進行分析不難發現，在電氣化鐵路注入到供電系統之后，其不平衡電流不會超過基波電流的65%，而且這些牽引站都沒導致公共連接點不平衡度超出規定標準范圍。根本原因在于電網建設規模不斷擴大，其短路容量也在持續增加，整個供電系統對不平衡度的承受能力有所提升。

不過值得一提的是，如果針對一些供電公司進行單獨測試能夠發現，少量變電站還是存在運行較少的情況，甚至在某些情況下不存在任何運行。

3 諧波和負序的不良影響

綜合前文對河南省電氣化鐵路負荷接入后對電網電能質量影響的測試結果可知，在電氣化鐵路負荷介入電網之后，電能質量出現的主要問題體現在以下兩個方面：其一是諧波問題；其二是負序問題，這些問題將會給整個電力系統帶來不良影響，下面將進行一一說明。

第一，對整個電力系統的發電機工作不利，一方面振動明顯加劇，另一方面附加損耗明顯增多，整個發電機組的容量利用率有明顯降低，而且運行過程中的安全性受到很大挑戰；

第二，電容局部放電情況比較嚴重，其電解質老化和變質速度明顯加快，系統發生不同程度的諧振，所以對電容的正常工作產生較大阻礙作用；

第三，電力系統繼電器保護裝置產生誤操作的可能性明顯增強，而且自動控制裝置工作的穩定性受到負面影響，電網運行的安全性難以可靠保證；

第四，電力系統變壓器利用效率有所降低，各種線路損耗明顯加劇；

第五，在連續換相的情況下，逆變器產生故障的可能性增加，而且這個換相設備都可能發生故障；

第六，電力系統中存在部分直流設備，在電氣化鐵路負荷接入的影響之下，其正常的換流器觸發脈沖間隔不一致，所以整流器工作穩定性能不夠理想；

最后，各種計量設備的精度受到影響，在這樣的條件下，半導體變流設備也會受到不同程度影響，尤其是會產生大量的附加諧波電流。

4 河南省電氣化鐵路供電存在的不足之處

如上文所述，近些年來河南省電氣化鐵路的發展十分迅速，其快捷和節能的優勢也在實際應用中得到了充分體現，不過由于電氣化鐵路接車的移動性、平衡性以及沖擊性都不夠理想，所以給電力系統的正常運行帶來了大量的不良影響，并且使得電網建設面臨巨大的挑戰。結合現階段的設計情況來看，河南電氣化鐵路在技術方面存在的不足之處主要有以下幾點：

第一，還是存在一些地區，其諧波和負序等兩大問題比較嚴重，這使得局部電網運行的安全性受到負面影響。首先，由于電氣化鐵路的不斷注入，其諧波電流超標的程度越來越明顯。分析前文監測結果可知，河南省還是存在一些地級市變電站的諧波超標，這不但使得電容器損壞的幾率增加，而且使得繼電器保護誤動作的可能性增強，不利于提高整個電網運行的安全性。

第二，由于一些變電站處于電網末端的地方，所以電氣化鐵路供電可靠性難以得到有效保證。尤其是針對那些邊遠地區的末端更是如此，一方面系統運行安全性難以得到保證，另一方面電氣化鐵路供電并不可靠。

第三，目前用于監測電氣化鐵路的技術比較落后。現階段河南省電能質量監測系統存在諸多的不足之處，其中結構不合理、功能不完善以及數據傳輸能力弱等是主要的問題，除此之外，一些電氣化鐵路的線路還根本沒有接入到監測系統之中，所以電氣化鐵路電能質量的有效監測難以實現。

第四，電氣化鐵路的調度關系并不合理，和目前電力系統的既定要求并不一致。毫無疑問，電氣化鐵路也屬于用戶的范疇，所以從電網調度既定規程來看應該具備幾個條件：首先是通信通道有兩種且保持獨立；其次是具有相應的自動化設備。但是目前的電氣化鐵路牽引站和電力系統之間的通信通道比較缺乏，只能夠實現市話聯絡，所以不能夠達到調度所需的自動化水平。與此同時，因為電氣化鐵路的運行狀態難以實時監測，所以這對合理調度運行極為不利，而且在處理事故的時候也變得十分困難。

5 治理措施

作為一種比較常見的非線性負荷，電氣化鐵路具有很多固有特點。首先是其牽引負荷的波動比較明顯；其次是這種波動將會給電力系統造成不同程度的沖擊，進而導致了諧波和負序等問題，對電網運行的安全性造成了很大影響。事實上，前些年河南省還出現過幾次電網事故，這些事故主要就是因為諧波和負序等問題所致。眾所周知，在十二五規劃到來之后，交流機車的應用變得相當廣泛，電氣化鐵路的負荷出現了一些新的特征，其中比較明顯的是諧波電流總有效值幅度降低，不過低次諧波還是沒有完全消除，尤其是三次諧波占據的比重還相當大。除此之外，由于整流脈動數量的逐漸增加，電氣化鐵路的頻帶也在擴大，其對應的諧波極有可能超出測試儀器的限值，在這樣的情況下，除了需要對諧波影響引起足夠重視，還應該對諧振問題引起高度關注。

第一，爭取在十三五期間建立和完善該省全網電氣化鐵路電能質量檢測系統，尤其是要將所有的牽引站引入到系統之中。其中評估層級分為三個，分別是省級、市級和變電站級，實現對電氣化鐵路的實時監測與周期評估。

第二，結合十三五規劃的基本要求，尤其是針對一些相對比較薄弱的地區而言應該加大牽引站諧波的治理力度。結合短路比進行計算可知，目前寧西鐵路信陽東段等需要重視諧波治理問題，這樣才能夠增強電網運行的安全性。

第三，電氣化鐵路運行過程中存在不平衡的問題，電網因此會受到影響，鑒于此，諸如三門峽和信陽地區等應該考慮使用平衡變壓器來解決上述問題，尤其是要充分考慮適當輪換各條鐵路的相序。

6 結語

未來我國鐵路電氣化改造進程還將進一步深入，新建的電氣化鐵路也會越來越多，所以針對電氣化鐵路負荷對電網電能質量的研究具有十分重要的意義。

在接入新建牽引變電站的世行需要注意，首先應該科學合理地評估電能的質量是否滿足要求，同時有針對性地提出解決諧波與負序等問題的治理措施，嚴格參照我國對電能質量規定的標準來治理各類污染，保證設計、施工和投運的同步性。

針對現有的電氣化鐵路而言，首先應該準確地測試其電能質量的真實情況，找出其中諧波與負序超標的牽引變電站，結合其諧波與負序的實際超標現狀有針對性地提出治理措施。

參考文獻：

[1]Fang Lu， Luo An， 2011，A Novel Power Quality Compensator for Negative—Sequence and Harmonic Currents in HighSpeed Electric Railway，IEEE Electrification magazine，DOI：10.1109，15.

[2]于坤山，周勝軍，王同勛，喬光堯，等.電氣化鐵路供電與電能質量[M].中國電力版社，2011.

[3]楊少兵，吳命利.基于改進蟻群算法的客運專線電力負荷建模與參數辨識[f].中國電機工程學報，2015，7：15781585.

[4]游誠曦，雷亞雋.關于電氣化鐵路牽引供電的探討[J].電源技術應用，2014，3：167.

[5]王志杰，陳勇.切實加強鐵路供電系統的安全生產與管理[J].建筑工程技術與設計，2015，19：841.