電氣化鐵路供電電能質量測試主要結果分析

孫平

【摘 ?要】為掌握電氣化鐵路供電電能質量現狀，確保電網安全運行，滿足電氣化鐵路快速發展的供電需求，國家電網公司組織了一次大規模測試。通過對該電氣化鐵路線牽引用電諧波、負序、有功、無功等主要電能質量指標進行分析，電氣化鐵路采用交直交型電力機車比傳統的交直型電力機車雖對電能有所改善，但仍存在諧波超標及無功倒送現象，給電網安全穩定經濟運行帶來隱患，應引起高度重視并積極解決。

【關鍵詞】電氣化鐵路;電能質量;諧波;功率因數;措施

電力系統是一個開放的公共系統，擔負著向全社會提供電能的職責。因此，在滿足電氣化鐵路供電需求的同時，確保電網的安全穩定運行，實現鐵路與電網雙贏發展的目標是鐵路與電力雙方共同的責任。為了掌握電網向電氣化鐵路供電地區的電能質量現狀，國家電網公司組織了一次大規模的電能質量測試，針對我國電氣化鐵路牽引供電的特點，選擇不同供電電壓、不同供電方式、不同地區、不同機車負荷等有代表性的電力系統變電站，在該條線路正常運行后即對牽引站接入電網點進行電能質量各項指標的現場實測，并對大量數據進行深入分析。

一、電氣化鐵路牽引站現狀

電氣化鐵路包括牽引供電系統和電力機車兩大部分。電氣化鐵路包括以下特點速度快、運輸量大、節能環保、運行成本低等，因此在運輸業中具有明顯的優勢，我國從零開始建設電氣化鐵路，經過五十多年的不懈努力，實現了從無到有、從常速到高速、從輕載到重載的跨越式發展。我國電氣化鐵路事業取得了跨越式發展，采用和諧號動車組的高速電氣化鐵路客運一專線逐漸連接了我國各大城市，節省了旅客大量的時間，方便了人們的出行。根據鐵道部中長期發展規劃，中國鐵路將達到總里程，其中電氣化鐵路里程將達到百分之60以上。電氣化鐵路是我國鐵路今后的發展方向。

為減輕運行產生負序電流對電網的影響，電鐵各牽引站變壓器接線均采用V/X 方式。V/X 接線牽引變壓器是由V/V 接線牽引變壓器發展而來。V/X 接線牽引變壓器與V/V 接線牽引變壓器特性相同。V/X 接線是將V/V 接線和AT 方式純單相接線的技術進行整合，在變壓器的設計和制造方面均比斯科特、十字交叉接線簡單。設計端子標志及連接示意圖如圖。

V/V 有兩個低壓繞組，而V/X 也有兩個低壓繞組，即T1-F1 和T2-F2 繞組。這兩個繞組都在中點引出一個O 點，這兩個O 點在外部聯成一個N 點接鋼軌，并使T1-F1 和T2-F2 組成60°電角，也就是兩個對頂的V，即正V 和反V 連接在一起，成為V/X。在AT 供電方式中，T1-F1 繞組為上行供電，T2-F2繞組為下行供電。T1 和T2 為接觸網線，F1和F2 為回流線。高壓AC 和BC 繞組與低壓繞組的角度仍與原來的V/V 一樣處于同相位，仍為60°夾角。該系統結構的優點是：牽引變電所內V/X 接線牽引變壓器兩個副邊繞組中點抽頭可直接與軌道連接形成2×27.5 kV 系統，減少了變電所兩個自耦變壓器在雙線區段，每一變電所至少可節省4 臺AT，變壓器容量利用率高。由于采用了AT 供電方式，故通信干擾小，綜合經濟技術性能優越。

V/X 接線這種AT 方式牽引變壓器，與斯科特接線牽引變壓器相比，可節省出口自耦變壓器;與十字交叉接線牽引變壓器相比，容量利用率高，供電臂電壓水平高;與純單相接線牽引變壓器相比，可使負序影響減少一半，降低負序影響的能力適中，與電網結構的發展趨勢相適應的程度高;而與采用V/V 接線牽引變壓器相比，V/X 接線牽引變壓器合乎建設節約型社會和可持續發展的政策要求，更能順應時代發展的潮流。

二、現場測試

1、測試點選擇。由于鐵路牽引站均由鐵路部門管理，現場安全措施條件不符合電力安全規范，且采用現場24h掛網測試，故本次測試點均選在電網側變電站電鐵專線。

2、測試內容。包括各牽引站供電的電網側變電站220kV 母線及供電專線的有功功率、無功功率及諧波、閃變、不平衡度等各項電能質量指標。

3、測試數據的統計方法。對諧波、負序測量數據的統計處理按照國家標準要求：按95%概率大值選取測量值，即將實測值由大到小排列，舍棄前面的5%概率大值，取剩余實測值的最大值。測量結果應取測量時段內三相實測數據中95%概率大值的最大值作為判斷是否超標的依據。

三、測試結果分析

1、功率

（1）有功功率。在測試時段，各牽引站均出現短時有功倒送情況經查閱有關資料：電力機車在牽引工況時，牽引電機作電動機運行，將電網的電能轉變為動能，軸上輸出牽引轉矩以驅動列車運行;電力機車在電氣制動時，列車的慣性帶動牽引電動機，此時牽引電機將作發電機運行，將列車動能轉變為電能。輸出制動電流的同時，在牽引電機軸上產生反轉矩并作用于輪對，形成制動使列車減速或在下坡道上以一定速度運行。部分電力機車在制動情況下，少量有功電能通過逆變裝置倒送回電網。

（2）無功功率。從現場測試數據分析，各站均存在無功倒送情況，各牽引站接入電網點多數時段處于無功倒送狀態。這是因為輸電線路容性無功與負荷大小關系不大，只由線路長短和電壓確定，而感性無功卻取決于負荷大小：當負荷功率小于自然功率時，則感性無功小于容性無功，輸電線路就會向電網倒送容性無功;反之，由電網向輸電線路提供容性無功。同一條線路，在重負荷下可呈現感性，輕負荷時則可呈現容性。由于目前溫福鐵路牽引站大部分時間處于輕載運行狀態，就會向系統輸出無功，造成無功倒送。

2、諧波。溫福線電力機車均是動力分散型交直交傳動機車。該類機車采用了PWM 調制技術，主元件性能有較大改善，且各單元之間可采用不同相位、保持一定的相角差來補償一部分諧波。因此，高、低次諧波含量均比傳統的直流傳動機車要小。

（1）諧波電流。雖然交直交傳動機車在諧波污染上有了很大的改善，但從測試數據看，高鐵仍會向電網注入超標的諧波電流，主要是較高次的諧波電流超標。

（2）諧波電壓。在測試時段內，向牽引站供電的各220kV 母線諧波電壓指標均未超標，各次諧波畸變率最大不超過0.35%，總諧波畸變率不超過0.8%。這是由于接入的220kV 電網，而220kV 電網的諧波承受能力比110 kV 電網大得多。

四、電氣化鐵路電能質量問題的解決措施

電氣化鐵路的電能質量問題主要包括兩個方面一個是牽引供電系統的電能質量問題另一個是牽引負荷的電能質量問題。牽引供電系統的電能質量與外部電壓等級、供電方式、輸入的短路容量、變壓器結構都有著直接的關系電力機車的電能質量與電力機車的電氣結構、運行狀態相關。下面分為牽引供電系統和電力機車兩部分，簡單介紹目前針對電氣化鐵路的諧波電流、功率因數偏低、負序電流等電能質量問題采取的主要措施。

（1）解決諧波問題采取的措施。牽引供電系統在牽引變電所的牽引側安裝固定無源濾波器組FC，抑制奇次特征諧波采取電能質量治理裝置在牽引變電所的牽引側進行諧波治理，這些電能質量治理治理裝置可以有效濾除諧波。

（2）電力機車.發展包括動車組在內的交直交型電力機車，交直交型電力機車相比交直型電力機車諧波含量非常低其功率因數很高，具有良好的電能質量特性對于仍在使用的交直型電力機車，可以在機車上加裝濾波裝置，使其注入牽引供電系統的諧波電流減小。

2、解決功率因數問題采取的措施

（1）牽引供電系統。無功倒送現象不嚴重的牽引變電所，在牽引側采用固定無源濾波器組，辛卜償無功功率無功倒送現象較為嚴重的牽引變電所，在牽引側采取動態SVC無功補償裝置，由于牽引變電所普遍存在無功倒送的現象，因此采用動態無功補償裝置十分必要。

（2）電力機車。使用交直交型電力機車，交直交型電力機車的功率因數很高，普遍能夠達到0.95以上，可以在交直型電力機車上加裝補償裝置，補償其較低的功率因數。

（3）解決負序問題采取的措施。電氣化鐵路的電力機車是單相負荷，當其運行時，會通過牽引變電所向三相電力系統注入負序電流。對電力系統的安全穩定運行造成威脅。因此，需要抑制電氣化鐵路中的負序電流。解決負序問題的方法主要有以一幾種牽引變電所一次側輪流換相，輪流換相使上級三相電力系統的三相負荷盡可能的平衡，以抑制負序電流盡量使接入牽引變電所的電壓等級為220KV及以上，并盡量提高輸入的短路容量采用三相—兩相的平衡變壓器。

隨著我國高速鐵路建設的飛速發展，必須重視研究電氣化鐵路負荷對電網電能質量的影響及具體治理措施。綜合以上分析可得，目前運行在高速電氣化鐵路上的交直交傳動電力機車雖然在諧波、負序、電壓波動、功率因數等方面比傳統交直型機車有了很大改善。

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（作者單位：神華包神鐵路公司）