印 欣，張紹洲，劉紅麗，常喜強(qiáng)

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047;2.伊犁電力公司，新疆 伊寧 835000;3.新疆電力公司，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

新疆第一條電氣化鐵路精伊霍線精河至伊犁全線共設(shè)精河南、敖包、阿恰爾、蘇古爾、蘇布臺、布列開、伊寧東7個電鐵牽引變電站，主要任務(wù)是向電力機(jī)車供電。牽引供電系統(tǒng)的負(fù)荷特性，主要取決于電力機(jī)車的電氣特性、鐵路線路條件和運(yùn)輸組織方案等因素。電氣化鐵路的相繼投入運(yùn)行，已影響到電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、環(huán)保運(yùn)行和供電質(zhì)量。從分析電氣化鐵路運(yùn)行數(shù)據(jù)著手，找出了新疆電氣化鐵路的運(yùn)行規(guī)律和負(fù)荷特性，在現(xiàn)場調(diào)查和實(shí)測的基礎(chǔ)上，分析研究了電氣化鐵路對地區(qū)電網(wǎng)的影響，即造成地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測準(zhǔn)確率、電壓調(diào)整和控制、供電線路電壓質(zhì)量、接入變電站繼電保護(hù)裝置等問題，提出了加強(qiáng)負(fù)荷預(yù)測、調(diào)度運(yùn)行管理、電壓調(diào)整等多項(xiàng)解決措施。對于電鐵負(fù)荷預(yù)測、電壓調(diào)整、運(yùn)行控制、諧波治理等方面具有指導(dǎo)意義。

1 電氣化鐵路負(fù)荷特性分析

電氣化鐵路牽引負(fù)荷是移動、幅值變化大而且頻繁的特殊負(fù)荷，其負(fù)荷日波動的特征非常明顯，引起這種日波動的原因與線路條件、機(jī)車類型與操縱、機(jī)車速度、牽引重量等因素有關(guān)，而這些因素又具有隨機(jī)性，因此電鐵牽引負(fù)荷是一個典型的日波動負(fù)荷，具有短時沖擊負(fù)荷的特征;電鐵牽引負(fù)荷又是不平衡負(fù)荷，它引起三相電力系統(tǒng)不對稱，產(chǎn)生負(fù)序電流;形成負(fù)序電壓;電鐵牽引負(fù)荷由整流型電力機(jī)車產(chǎn)生，含有豐富的諧波，屬于諧波電流源。因此對電網(wǎng)的影響較大。

圖1 新疆電氣化鐵路示意圖

電鐵負(fù)荷隨時間在不斷變化，一般用負(fù)荷圖表表示。常規(guī)的統(tǒng)計(jì)方式是每隔15 min采集牽引變壓器高壓側(cè)有功功率，一天采集96個點(diǎn)的數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)當(dāng)中，有電鐵通過的時段牽引變電站向列車供電，主變壓器高壓側(cè)有功不為0，其余時段由于鐵路上沒有列車通行，主變壓器高壓側(cè)采集到的有功均為0。但考慮到采集誤差的影響，原本有功為0的時段內(nèi)有很小的功率存在，不為0的有功時段內(nèi)采集到很小甚至0功率，需要根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)的方式剔除由于采集誤差造成的不準(zhǔn)確。根據(jù)SCADA系統(tǒng)實(shí)測數(shù)據(jù)，以2011年1月阿恰爾牽引變電站2號主變壓器高壓側(cè)有功功率為例，如圖2所示。

圖2 2011年1月阿恰爾牽引變電站2號主變壓器高壓側(cè)有功功率示意圖(MW)

從圖2中可以看出1月阿恰爾牽引變電站的送電情況。每日4:30分之前，牽引變電站接觸網(wǎng)幾乎沒有功率流動，說明鐵路上沒有大規(guī)模的物力、人力運(yùn)輸，負(fù)荷較小，零星的負(fù)荷可能是鐵路人員檢修或采集系統(tǒng)造成的誤差。4:30～5:00，有接近1 MW的功率流入供電臂內(nèi)，說明即將有負(fù)荷較重的電力機(jī)車從阿恰爾牽引變電站送電范圍內(nèi)駛過，電力機(jī)車受電將從上一個牽引變電站接觸網(wǎng)過渡到阿恰爾牽引變電站接觸網(wǎng)，電力機(jī)車上的直流電機(jī)失去電源，由電動機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)狀態(tài)向接觸網(wǎng)供電。5:00～5:30，電力機(jī)車駛?cè)氚⑶枲恳冸娬竟╇姺秶鷥?nèi)，牽引變電站開始給電力機(jī)車供電，主變壓器向電力機(jī)車輸送功率較大，達(dá)到6 MW左右。受天氣、節(jié)假日、春運(yùn)等因素對鐵路運(yùn)力造成的影響，電鐵負(fù)荷在這一時段內(nèi)仍然呈現(xiàn)隨機(jī)性、波動性特點(diǎn)。從圖中還可以看出，每日電鐵負(fù)荷高峰均集中在5:00～5:30和5:45～6:15兩時間段內(nèi)，每日電鐵負(fù)荷同時率較高，負(fù)荷較大，時間節(jié)點(diǎn)較為固定，由此推斷出兩時段內(nèi)通行的列車均為客運(yùn)列車。根據(jù)鐵路運(yùn)輸相關(guān)規(guī)定，兩列電力機(jī)車同向行駛時間間隔至少30 min，可以推斷出5:45～6:15行駛的列車與5:00～5:30鐵路上行駛的列車是相向而行的。其余時刻鐵路上有零星的負(fù)荷，這是由于天氣情況造成火車晚點(diǎn)、誤點(diǎn)以及線路檢修等原因造成的。

根據(jù)以上分析可知，精伊霍電氣化鐵路每日雙向發(fā)行一趟客運(yùn)列車，在每日5:00～5:30和5:45～6:15兩時間段由阿恰爾牽引變電站供電，最大負(fù)荷為7.7 MW，最小負(fù)荷為4.2 MW，平均負(fù)荷達(dá)到5.9 MW。

2011年3月12日阿恰爾牽引變電站2號主變壓器檢修，由1號主變壓器轉(zhuǎn)帶電鐵負(fù)荷，以SCADA系統(tǒng)實(shí)測阿恰爾牽引變電站1號主變壓器高壓側(cè)有功功率為例，如圖3所示(3月12日至3月27日)。

圖3 2011年3月12日至27日阿恰爾牽引變電站1號主變壓器高壓側(cè)有功功率示意圖(MW)

從圖3中可以看出，5:00～5:30通行的列車時刻表沒有發(fā)生變化，而相向而行的列車由5:45～6:15改為6:45～7:15通過牽引站送電范圍。由于改變送電方式，同時受天氣原因、鐵路狀況、節(jié)假日的影響更加劇烈，阿恰爾牽引變電站3月份負(fù)荷同時率較1月份有明顯的下降，列車通行時段內(nèi)負(fù)荷波動性更加明顯。同時，隨著客運(yùn)量的提升，傳輸功率也有了一定的增加。從圖中可以看到5:00～5:30時段內(nèi)電鐵最大負(fù)荷為9.6 MW，最小負(fù)荷為4.2 MW，平均負(fù)荷為6.9 MW，最大峰谷差為5.4 MW。

對比1月份負(fù)荷特性柱狀圖，可以發(fā)現(xiàn)3月份電鐵在阿恰爾牽引變電站供電范圍內(nèi)最大負(fù)荷較大，平均負(fù)荷以及最大峰谷差也較大，日負(fù)荷較1月有明顯的升高。同時隨著線路運(yùn)行狀況的不斷改善，客運(yùn)線路車次不斷增加，鐵路運(yùn)力相應(yīng)提高，使得負(fù)荷呈現(xiàn)出的波動性、時段性更加明顯。

通過以上分析可知，了解了電鐵負(fù)荷特性，同時把握了鐵路運(yùn)輸?shù)慕M織方式，對于電網(wǎng)部門更好地開展負(fù)荷預(yù)測、電壓調(diào)整、諧波治理、供電可靠性等方面提供了切實(shí)的依據(jù)。

2 電氣化負(fù)荷對地區(qū)電網(wǎng)的影響

目前伊犁電網(wǎng)所接的電氣化鐵路牽引變電站負(fù)荷主要以110 kV電壓等級接入伊犁電網(wǎng)，在現(xiàn)場調(diào)查和實(shí)測的基礎(chǔ)上，目前電氣化鐵路對伊犁電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在如下幾個方面:負(fù)荷預(yù)測、電壓調(diào)整和控制、電壓質(zhì)量、繼電保護(hù)方面。

2.1 負(fù)荷管理方面

電氣化牽引負(fù)荷在有機(jī)車運(yùn)行時，存在負(fù)荷，機(jī)車停運(yùn)時，負(fù)荷消失，且列車行進(jìn)過程中遇到的阻力也不斷變化，列車需要頻繁地啟動、加速、惰行、制動(僅考慮單個牽引變電站供電范圍內(nèi)機(jī)車的啟動次數(shù)，電氣化鐵路為20次以上)，或者從一個供電區(qū)進(jìn)入或退出，都將造成牽引負(fù)荷劇烈地波動，這些都使得牽引變電站負(fù)荷存在著隨機(jī)性、無序性、沖擊性，負(fù)荷隨著機(jī)車進(jìn)行波動，這對地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定的影響，典型日負(fù)荷波動曲線具體參見圖5。

圖4 伊東牽引變電站月負(fù)荷波動曲線

圖5 伊東牽引變電站日負(fù)荷波動曲線

目前伊犁地區(qū)電網(wǎng)電鐵負(fù)荷波動在0～5 MW，且波動較快。這增加了負(fù)荷預(yù)測的難度，影響了準(zhǔn)確性的提高，對于發(fā)電出力安排、地區(qū)上下網(wǎng)功率交換均造成了影響。

2.2 電壓控制方面

電鐵牽引負(fù)荷在波動時，產(chǎn)生較大的沖擊電流。產(chǎn)生最大電流突變量的主要原因是電力機(jī)車在合閘時內(nèi)部變壓器產(chǎn)生了勵磁涌流，最大涌流幅值大約可達(dá)最大容量機(jī)車額定電流的4倍，在PCC點(diǎn)將產(chǎn)生較大的電壓波動，電壓的波動對與之相連的樞紐變電站電壓調(diào)整和控制也產(chǎn)生較大的影響。典型日電壓波動曲線具體參見圖6。

圖6 樞紐變電站110 kV母線日電壓波動曲線

圖7 樞紐變電站110 kV母線月電壓波動曲線

從上圖可以看出，日負(fù)荷波動較大時，對電壓影響也較大，110 kV電壓日波動達(dá)到6 kV以上，若在負(fù)荷高峰時期，樞紐變電站電壓較低時，易造成電壓越限，這增大了樞紐變電站電壓控制難度。若電鐵交錯，班次增多，之間間隔時間短，那么長時間閃變也會明顯。突然的電壓變化導(dǎo)致自動化控制裝置停頓或誤動、變頻調(diào)速器停頓、電動機(jī)暫停，破壞生產(chǎn)，設(shè)備運(yùn)行會變得困難、過熱或?qū)е陆^緣性能不能滿足實(shí)際電壓的變化。長期或反復(fù)的電壓波動會降低設(shè)備使用壽命，反復(fù)出現(xiàn)的電壓波動可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件損壞、死機(jī)、異常。還會造成電表轉(zhuǎn)速加快，瞬流會嚴(yán)重影響感性電度表表盤的作用力矩和轉(zhuǎn)速，使表盤發(fā)生階躍式地轉(zhuǎn)快。

2.3 對設(shè)備的影響

電鐵牽引負(fù)荷由于產(chǎn)生負(fù)序電流，其負(fù)序電流造成三相電流不對稱，因而會造成電力變壓器三相電流中有一相電流增大，而不能有效發(fā)揮變壓器的額定出力(變壓器容量利用率下降)。另外，還造成變壓器的附加能量損失，在變壓器鐵心磁路中產(chǎn)生附加發(fā)熱。

電鐵牽引負(fù)荷由于產(chǎn)生負(fù)序電流，其負(fù)序電流造成三相電流不對稱，負(fù)序電流流過送電線路時，負(fù)序功率實(shí)際上并不做功，而只造成電能損失，增加了網(wǎng)損，降低了送電線路的輸送能力。

2.4 對供電質(zhì)量的影響

電鐵牽引變電站所接的公共PCC點(diǎn)的各項(xiàng)電能指標(biāo)與其短路容量有著密切的關(guān)系，短路容量越大，分配給牽引變電站負(fù)荷的限值就越大，電鐵負(fù)荷對系統(tǒng)的相對影響就越小。電氣化牽引變電站在設(shè)計(jì)時，其影響電能質(zhì)量的校核通常采用最終規(guī)模的短路容量進(jìn)行校核，在電氣化牽引站接入時，其系統(tǒng)規(guī)模未達(dá)到最終規(guī)模，同時在系統(tǒng)運(yùn)行方式變化時，系統(tǒng)的短路容量也不同。所以電鐵牽引變電站所接的公共PCC點(diǎn)的各項(xiàng)電能指標(biāo)也是一個動態(tài)變化，在系統(tǒng)小方式時，尤其是在后半夜時，公共點(diǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)均增大，過渡時期短路電流比設(shè)計(jì)短路電流小，將造成諧波增大。圖8為樞紐變電站220 kV母線短路電流變化圖，從圖中可以看出，短路電流是有一定變化的，因此需要加強(qiáng)對諧波的監(jiān)測。

圖8 樞紐變電站220 kV母線短路電流變化圖

3 針對電鐵負(fù)荷對地區(qū)電網(wǎng)的影響所采取的措施

目前新疆正大力建設(shè)電氣化鐵路，同時電氣化鐵路牽引負(fù)荷也在快速增長，面對電鐵牽引負(fù)荷增長的局面，需要積極應(yīng)對，積極采取有效措施保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和最大限度地接納電氣化牽引負(fù)荷。

(1)針對電氣化鐵路牽引負(fù)荷的波動性、無序性和隨機(jī)性，加大對電鐵牽引負(fù)荷的分析，掌握其運(yùn)行規(guī)律的變化，通過對負(fù)荷的概率分布分析，找出其中的特性，便于更好地進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測和分析。

(2)針對電氣化鐵路牽引負(fù)荷對電壓的影響，加大分析力度，尤其是仿真分析，提前做好技術(shù)措施，防止電壓波動幅度較大，確保電壓合格。對電氣化鐵路接入的公共站，精心監(jiān)控母線電壓，有條件的加裝動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，以跟蹤系統(tǒng)電壓變化。

(3)針對電氣化鐵路牽引負(fù)荷的沖擊性、單相性、負(fù)序性，加大對設(shè)備的檢測力度，定期進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評估，以提前發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

(4)針對電氣化鐵路牽引負(fù)荷產(chǎn)生的諧波，加大對諧波的檢測、治理和控制。定期進(jìn)行諧波狀態(tài)評估，以提前發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

4 結(jié)語

對新疆電氣化鐵路負(fù)荷特性進(jìn)行分析研究，總結(jié)出電氣化鐵路運(yùn)行組織規(guī)律，同時結(jié)合地區(qū)電網(wǎng)提出電鐵對地區(qū)電網(wǎng)的影響。掌握了電氣化鐵路的運(yùn)行規(guī)律，可以提高電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性，同時對于電壓調(diào)整、諧波治理、短路電流、供電質(zhì)量等方面具有一定的指導(dǎo)意義。牽引供電系統(tǒng)是一個龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)，對其進(jìn)行全面的分析是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作。今后的工作還有很多，如列車牽引運(yùn)行過程的仿真以及電力列車動態(tài)仿真模型，計(jì)算各個變電所供電臂負(fù)荷依時間變化的全過程以及全線列車運(yùn)行的全過程等等，將在今后的學(xué)習(xí)和工作中在這些方面做進(jìn)一步分析研究和探討。

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