劉祥國(guó)，王慶玉

(1.濟(jì)寧供電公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.山東電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002)

0 引言

電氣化鐵路，是電力機(jī)車通行的鐵路，是一種現(xiàn)代化的鐵路運(yùn)輸工具。 牽引動(dòng)力是電力機(jī)車，由架設(shè)在鐵路上方的接觸網(wǎng)向電力機(jī)車直接輸送電能。與內(nèi)燃、蒸汽機(jī)車牽引的鐵路相比，電氣化鐵路具有運(yùn)輸能力大、行駛速度快、消耗能源少、運(yùn)營(yíng)成本低、工作條件好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)運(yùn)量大的干線鐵路和具有陡坡、長(zhǎng)大隧道的山區(qū)干線鐵路實(shí)現(xiàn)電氣化，在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上均有明顯的優(yōu)越性，鐵路電氣化、高速化是大勢(shì)所趨。

從2006年膠濟(jì)鐵路電氣化改造至今，山東境內(nèi)目前運(yùn)行的有膠濟(jì)線、京滬線、京九線、新菏兗日線、京滬高鐵等多條電氣化鐵路。

1 電氣化鐵路的供電特點(diǎn)

我國(guó)電氣化鐵路均由電力系統(tǒng)以220 kV或110 kV電壓供電。電力機(jī)車牽引負(fù)荷為一類負(fù)荷，供電可靠性要求高，故電氣化鐵路牽引站設(shè)置兩臺(tái)牽引變壓器(220/27.5 kV或110/27.5 kV)，并由電力系統(tǒng)提供兩組相對(duì)獨(dú)立的供電電源(兩個(gè)不同的變電站或同一變電站的兩段母線)。 牽引站接線方式為線路變壓器組接線，正常運(yùn)行為一主一備。

電力機(jī)車從接觸網(wǎng)得到27.5 kV單相工頻交流電，經(jīng)機(jī)車內(nèi)部的設(shè)備相應(yīng)處理后供給牽引電動(dòng)機(jī)。因此，牽引負(fù)荷為單相整流負(fù)荷，是一種呈隨機(jī)特性、不對(duì)稱的非線性負(fù)荷，功率大、波動(dòng)性大、分布廣泛，對(duì)電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響較大。

2 電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)的危害

電氣化鐵路牽引動(dòng)力來(lái)自電力機(jī)車，單相分段半控橋變流方式或單相全波不控變流方式，機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中，具有嚴(yán)重的非線性，向電力系統(tǒng)注入大量的諧波電流，成為電力系統(tǒng)中最大的諧波源；電力機(jī)車為單相負(fù)荷，具有嚴(yán)重的不對(duì)稱性，向電力系統(tǒng)注入了大量的負(fù)序電流；開(kāi)停頻繁，有功沖擊大，造成電力系統(tǒng)電壓波動(dòng)和閃變。其中對(duì)電網(wǎng)影響最為嚴(yán)重的是諧波和負(fù)序電流［1-2］。

2.1 諧波危害

諧波注入電力系統(tǒng)后，使變電站的變壓器噪音增大，含烴量增高，局部過(guò)熱，介損和溫升增大，增加變壓器的渦流損耗和鐵芯損耗。

諧波會(huì)引起無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備、高壓電纜、PT、CT等一次設(shè)備局部過(guò)熱，介損和溫升增大，嚴(yán)重影響到這些一次設(shè)備的使用壽命。

不對(duì)稱的3次諧波可能使部分站內(nèi)配置5%(6%)電抗率的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備發(fā)生串聯(lián)諧振，使無(wú)功補(bǔ)償裝置電容器組產(chǎn)生諧振過(guò)電壓，導(dǎo)致無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備損毀，甚至爆炸。

對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，使電信質(zhì)量下降。另外，在諧波的影響下，電能計(jì)量將出現(xiàn)測(cè)量誤差［3］。

2.2 負(fù)序電流的危害

負(fù)序電流對(duì)電氣設(shè)備的影響主要是熱累積效應(yīng)。系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，由于一般在滿載或接近滿載的情況下運(yùn)行，其熱容量沒(méi)有余地或余地很小，額外的電流會(huì)帶來(lái)額外的溫升和附加損耗，容易使電機(jī)過(guò)熱而縮短絕緣壽命，并引起機(jī)組振動(dòng)；因此，發(fā)電機(jī)承受負(fù)序電流有一定的限制(見(jiàn)GB755-2008《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能》)。

不平衡的負(fù)序電流會(huì)引起電網(wǎng)繼電保護(hù)負(fù)序元件頻繁啟動(dòng)，以負(fù)序電流濾序器(單相式及三相式)為起動(dòng)元件的繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置，都會(huì)連續(xù)引起誤動(dòng)作，同時(shí)也干擾其他保護(hù)的正常運(yùn)行。電力機(jī)車的沖擊電流(啟動(dòng)、涌流)也會(huì)引起電網(wǎng)繼電保護(hù)電流突變量啟動(dòng)元件頻繁啟動(dòng)［4］。

負(fù)序電流對(duì)計(jì)量表計(jì)的準(zhǔn)確度也會(huì)有一定影響，間接影響電網(wǎng)運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性。

3 電氣化鐵路對(duì)山東電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

3.1 普通速度電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

表1為新菏兗日電氣化鐵路投運(yùn)前后，為其供電的某變電站110 kV母線電壓諧波含有率、總畸變率及三相不平衡度對(duì)比。

表1 110 kV母線電壓各次諧波含有率、總畸變率及三相不平衡率 %

6 0.01 0.01 0.01 0.046 0.035 0.04 0.8 7 0.47 0.44 0.47 1.205 1.136 1.167 1.6 8 0.01 0.01 0.01 0.072 0.062 0.07 0.8 9 0.02 0.04 0.02 0.242 0.166 0.233 1.6 10 0.01 0.01 0.01 0.053 0.047 0.045 0.8 11 0.14 0.14 0.14 0.528 0.511 0.536 1.6 12 0.01 0.01 0.01 0.033 0.024 0.028 0.8 13 0.06 0.05 0.06 0.269 0.224 0.272 1.6 14 0.01 0.01 0.01 0.035 0.023 0.029 0.8 15 0.02 0.02 0.02 0.216 0.131 0.196 1.6 16 0.02 0.02 0.02 0.041 0.027 0.033 0.8 17 0.07 0.08 0.09 0.265 0.166 0.229 1.6 18 0.03 0.03 0.03 0.047 0.026 0.037 0.8 19 0.09 0.08 0.07 0.303 0.184 0.265 1.6 20 0.04 0.04 0.04 0.054 0.03 0.043 0.8 21 0.05 0.04 0.05 0.299 0.195 0.292 1.6 22 0.03 0.02 0.03 0.059 0.033 0.048 0.8 23 0.12 0.12 0.13 0.402 0.3 0.36 1.6 24 0.01 0.01 0.01 0.066 0.039 0.053 0.8 25 0.11 0.10 0.10 0.335 0.308 0.355 1.6總畸變率 0.92 0.88 0.93 1.824 1.565 1.767 2三相不平衡度 0.30 0.742 2

圖1 普速電氣化鐵路諧波電流頻譜圖

3.2 高速電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

表2為京滬高鐵投運(yùn)前后，為其供電的某變電站220 kV母線電壓諧波含有率、總畸變率及三相不平衡度對(duì)比。

表2 110 kV母線電壓諧波含有率、總畸變率及三相不平衡率 %

圖2 高速電氣化鐵路諧波電流頻譜圖

由于京滬高鐵采用了交—直—交型電力機(jī)車，諧波的頻帶被擴(kuò)大，覆蓋了從低次到高次很大范圍。諧波頻譜已超出現(xiàn)有國(guó)家諧波標(biāo)準(zhǔn)的范圍(現(xiàn)有國(guó)標(biāo)只規(guī)定至25次)。

圖3 電流不平衡度趨勢(shì)圖

高鐵單相負(fù)載特性沒(méi)有發(fā)生改變，圖3為京滬高鐵某牽引站電流不平衡度變化曲線，由此可見(jiàn)，高鐵負(fù)序問(wèn)題依然嚴(yán)重，且接入電壓等級(jí)越高，負(fù)序的影響范圍越大。

高鐵均以220 kV電壓等級(jí)接入電網(wǎng)，因接入點(diǎn)電壓等級(jí)的提高，接入點(diǎn)短路容量較110 kV接入點(diǎn)大大增加，減小了對(duì)電網(wǎng)的影響；與普速電鐵相比，高鐵諧波電流總有效值大幅度下降，但低次諧波依然存在，并占據(jù)一定比重。

4 結(jié)語(yǔ)

由測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，山東境內(nèi)電氣化鐵路對(duì)山東電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響較大，其中某些變電站的電能質(zhì)量已經(jīng)超標(biāo)或接近超標(biāo)，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了一定的危害。 隨著藍(lán)煙線(藍(lán)村—煙臺(tái))、膠新線(膠州—江蘇新沂)、邯濟(jì)線(邯鄲—濟(jì)南)、石家莊—濟(jì)南客運(yùn)專線、青島—榮成城際鐵路、山西瓦塘—日照等電氣化鐵路的逐漸投運(yùn)，山東境內(nèi)的電氣化鐵路越來(lái)越多，電能質(zhì)量問(wèn)題也將越來(lái)越嚴(yán)峻，應(yīng)當(dāng)引起各方面的重視。