淺析電氣化鐵路負荷對電網(wǎng)電能質(zhì)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(jié)能減排目的。近些年來我國經(jīng)濟發(fā)展十分迅速，而且科學技術(shù)也取得了很大的進步，電氣化鐵路的發(fā)展也到了一個關(guān)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(wǎng)產(chǎn)生了一些不利影響，首先是降低了功率因數(shù)；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(wǎng)的現(xiàn)狀和電氣化鐵路的發(fā)展情況，對電氣化鐵路負荷對電網(wǎng)電能質(zhì)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(guān)鍵詞：河南電網(wǎng)；電氣化鐵路；電能質(zhì)量；治理措施

隨著電氣化鐵路的應用不斷深入，鐵路網(wǎng)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(xiàn)節(jié)能減排的目標，同時能夠促進我國經(jīng)濟社會的健康發(fā)展。我國在《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中明確指出，截止到2020年的時候，我國鐵路的總里程數(shù)必須達到5萬公里以上。由于電氣化鐵路的發(fā)展相當迅速，其相應的牽引供電系統(tǒng)規(guī)模也會逐步擴大。作為我國鐵路網(wǎng)絡的中心，河南省鐵路電氣化比例相當大，可靠數(shù)據(jù)顯示，在2015年底的時候，該省的電氣化鐵路里程數(shù)已經(jīng)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(shù)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(wǎng)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(tǒng)產(chǎn)生了不利影響，進而使得其對稱性、線性以及穩(wěn)定性均不理想。三相諧波電流的平衡性較差，整個電力系統(tǒng)因此受到很大影響。與此同時，整個牽引網(wǎng)出現(xiàn)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(jù)的比例不斷增加，其功率因數(shù)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(xù)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(wǎng)出現(xiàn)了各種各樣的問題，比較突出的問題有：電容器頻繁發(fā)生故障；風電機組并網(wǎng)面臨較大困難；直流充電模塊燒毀現(xiàn)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(wǎng)電能質(zhì)量的保證成為了人們關(guān)注的焦點，電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性也將面臨很大的挑戰(zhàn)[2]。

1 河南省電氣化鐵路牽引站現(xiàn)狀

如前文所述，作為全國鐵路網(wǎng)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(shù)據(jù)顯示，在2015年年底的時候，河南省正線運營的鐵路總里程數(shù)多達4000多公里，現(xiàn)階段已經(jīng)初步形成了“三縱五橫”的鐵路網(wǎng)絡，是國家鐵路交通網(wǎng)絡的重要樞紐。

針對目前的情況來看，河南省內(nèi)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(nèi)的牽引站數(shù)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(shù)量分別為4座和8座。少數(shù)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(shù)據(jù)顯示，截止2015年年底的世行，全省的牽引站數(shù)目為60多座，多達5000MVA的牽引容量意味著其牽引站數(shù)量遍布到絕大部分的地級市[3][5]。

2 電氣化鐵路供電電網(wǎng)電能質(zhì)量測試分析

隨著電氣化鐵路的不斷發(fā)展，其負荷將會對電能質(zhì)量產(chǎn)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(tǒng)連接點的電能質(zhì)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(xù)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(nèi)采樣數(shù)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(xiàn)行的基本標準進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，下面將針對統(tǒng)計后的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，得到以下的測試結(jié)果。

2.1 牽引站注入諧波電流統(tǒng)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(tǒng)計數(shù)據(jù)如下表1所示。結(jié)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(jié)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(shù)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(tǒng)計分析

通過對測試結(jié)果進行統(tǒng)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?nèi)匀徊荒軌蛎つ繕酚^，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(tǒng)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(nèi)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(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)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(jié)果的統(tǒng)計分析

參考測試結(jié)果進行分析不難發(fā)現(xiàn)，在電氣化鐵路注入到供電系統(tǒng)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(guī)定標準范圍。根本原因在于電網(wǎng)建設規(guī)模不斷擴大，其短路容量也在持續(xù)增加，整個供電系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)，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(wǎng)電能質(zhì)量影響的測試結(jié)果可知，在電氣化鐵路負荷介入電網(wǎng)之后，電能質(zhì)量出現(xiàn)的主要問題體現(xiàn)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(tǒng)帶來不良影響，下面將進行一一說明。

第一，對整個電力系統(tǒng)的發(fā)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(fā)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(zhàn)；

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

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

第四，電力系統(tǒng)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(xù)換相的情況下，逆變器產(chǎn)生故障的可能性增加，而且這個換相設備都可能發(fā)生故障；

第六，電力系統(tǒng)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(fā)脈沖間隔不一致，所以整流器工作穩(wěn)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(chǎn)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(fā)展十分迅速，其快捷和節(jié)能的優(yōu)勢也在實際應用中得到了充分體現(xiàn)，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(tǒng)的正常運行帶來了大量的不良影響，并且使得電網(wǎng)建設面臨巨大的挑戰(zhàn)。結(jié)合現(xiàn)階段的設計情況來看，河南電氣化鐵路在技術(shù)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(qū)，其諧波和負序等兩大問題比較嚴重，這使得局部電網(wǎng)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(jiān)測結(jié)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(wǎng)運行的安全性。

第二，由于一些變電站處于電網(wǎng)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(qū)的末端更是如此，一方面系統(tǒng)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(jiān)測電氣化鐵路的技術(shù)比較落后。現(xiàn)階段河南省電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)存在諸多的不足之處，其中結(jié)構(gòu)不合理、功能不完善以及數(shù)據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)之中，所以電氣化鐵路電能質(zhì)量的有效監(jiān)測難以實現(xiàn)。

第四，電氣化鐵路的調(diào)度關(guān)系并不合理，和目前電力系統(tǒng)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(wǎng)調(diào)度既定規(guī)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(tǒng)之間的通信通道比較缺乏，只能夠?qū)崿F(xiàn)市話聯(lián)絡，所以不能夠達到調(diào)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(tài)難以實時監(jiān)測，所以這對合理調(diào)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(tǒng)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(wǎng)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(xiàn)過幾次電網(wǎng)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(guī)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(xiàn)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(jù)的比重還相當大。除此之外，由于整流脈動數(shù)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(guān)注。

第一，爭取在十三五期間建立和完善該省全網(wǎng)電氣化鐵路電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)，尤其是要將所有的牽引站引入到系統(tǒng)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(xiàn)對電氣化鐵路的實時監(jiān)測與周期評估。

第二，結(jié)合十三五規(guī)劃的基本要求，尤其是針對一些相對比較薄弱的地區(qū)而言應該加大牽引站諧波的治理力度。結(jié)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(wǎng)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(wǎng)因此會受到影響，鑒于此，諸如三門峽和信陽地區(qū)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(jié)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(wǎng)電能質(zhì)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(zhì)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(zhì)量規(guī)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(xiàn)有的電氣化鐵路而言，首先應該準確地測試其電能質(zhì)量的真實情況，找出其中諧波與負序超標的牽引變電站，結(jié)合其諧波與負序的實際超標現(xiàn)狀有針對性地提出治理措施。

參考文獻：

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