董云先，張青青，張高峰，王慶玉

（1.華電國際萊城發(fā)電廠，山東 萊城 271100；2.山東電力集團公司電力科學研究院，山東 濟南 250002）

0 引言

隨著電氣化鐵路的飛速發(fā)展，極大提高了鐵路運力，但對于電力系統(tǒng)，電氣化鐵路牽引負荷是一種特殊的流動性負荷。我國電氣化鐵路采用工頻單相交流制，電氣化鐵路牽引系統(tǒng)主要包括供電系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)。其中，供電系統(tǒng)，我國電氣化鐵路均由電力系統(tǒng)以220 kV或110 kV電壓供電；牽引系統(tǒng)，由牽引站、供電線及接觸網(wǎng)等部分組成。電力機車從接觸網(wǎng)得到27.5 kV單相工頻交流電，經(jīng)機車內(nèi)部的整流設備整流成直流供給牽引電動機［1］。因此，牽引負荷為單相整流負荷，是一種呈隨機特性、不對稱的非線性負荷，牽引負荷所產(chǎn)生的較大負序分量和諧波分量，對電力系統(tǒng)其它用戶及發(fā)電機產(chǎn)生危害。

1 德大電氣化鐵路工程概況

德大電氣化鐵路為德龍煙鐵路其中的一段，德龍煙鐵路起自山東省德州市德城區(qū)黃河涯鎮(zhèn)，經(jīng)過濰坊市大家洼、龍口市，止于煙臺市，被稱為山東第二條“膠濟鐵路”，由德大（擬建）、大萊龍（建成）、龍煙（在建）鐵路共同組成。

德大電氣化鐵路工程新建陵縣、商河、陽信、洛王、東營南、東宅科 6座牽引變電所，外部電源均采用山東省電網(wǎng)110 kV電壓等級供電。電網(wǎng)供電站分別為 220 kV楊治站、龍門站、商河站、樂陵站、陽信站、雙廟站、濱北站、利津站、丁莊站、史口站、北海站、豐臺站。新建6個直供牽引變電所設兩回獨立110 kV進線源，進線側采用線路變壓器接線，進線隔離開關的線路側設置手動接地刀閘，牽引變壓器采用V/v結線變壓器，固定備用方式，一主一備，互為備用。

表1 德大電氣化鐵路主要技術標準

2 V/v聯(lián)結牽引變壓器建模

V/v結線牽引變壓器原理和相量關系如圖1所示。

圖1 V/v結線牽引變壓器原理和相量關系圖

V/v結線牽引變壓器一次、二次側電流關系［1］：

式中，K為牽引變壓器的變壓比。

3 ETAP建模及仿真分析

Electrical Transient Analyzer Program簡稱ETAP，是功能全面的綜合型電力及電氣分析計算軟件。通過收集德大電氣化鐵路供電電網(wǎng)資料，并分析德大電氣化鐵路的負荷特點，運用ETAP搭建仿真模型，對德大電氣化鐵路接入山東電網(wǎng)將引起的電能質量問題進行仿真計算分析。

3.1 牽引站注入系統(tǒng)的諧波電流

當公共連接點的短路容量不同于基準容量時，公共連接點的全部用戶向該點注入的諧波電流分量（均方根值）允許值［2］

式中：Sk1為公共連接點的最小短路容量，MVA；Sk2為基準短路容量，MVA；Ihp為第h次諧波電流允許值，A；Ih為短路容量為Sk1時的第h次諧波電流允許值，A。

按國標 GB/T14549-93《電能質量—公用電網(wǎng)諧波》附錄C的要求，在公共連接點處的第i個用戶的第h次諧波電流允許值還需按式（3）進行換算：

式中：Ih為上述短路容量為Sk1時的第h次諧波電流允許值，A；Si為第 個用戶的用電協(xié)議容量，MVA；St為公共連接點的供電設備容量，MVA；墜為相位疊加系數(shù)［2］。

根據(jù)式（2）及式（3），計算牽引機車注入電力系統(tǒng)公共連接點的3、5、7次諧波電流允許值如表2所示。

表2 牽引站注入系統(tǒng)的諧波電流允許值 A

根據(jù)鐵路部門提供的資料，分析牽引負荷特點后計算得出牽引站注入系統(tǒng)的各次諧波電流如表3所示。

表3 牽引站注入系統(tǒng)的諧波電流值 A

對比表 2及表 3可知，德大電氣化鐵路接入引起電力系統(tǒng)公共連接點3、5、7次諧波電流均嚴重超標。

3.2 牽引站接入引起的公共連接點電壓畸變

在分析牽引負荷引起的電能質量問題時，首先應了解牽引站所接入的附近電網(wǎng)的公共連接點母線背景電能質量情況。為此，對供電變電站110 kV母線以及各站重要進線電能質量情況進行了長時間連續(xù)測試。諧波、三相電壓不平衡度的測量結果采用 95%概率值，并選取三相總諧波畸變率最大值相作為總諧波畸變率，得出諧波和不平衡度背景數(shù)據(jù)。

建立諧波網(wǎng)絡仿真模型，對牽引站引起供電變電站母線的諧波電壓進行仿真計算。計算中考慮各牽引站供電方式 （供電變電站為一主一備方式給牽引變電站供電，對供電變電站進行排列組合），在不同供電方式下注入根據(jù)機車諧波電流含有率計算出的機車 3～7次諧波電流，得到相應公共連接點的各次諧波電壓含有率及總諧波畸變率。在不考慮背景諧波情況下，各供電變電站母線（110 kV）總諧波畸變率最大時的各次諧波含有率及相應的總諧波電壓畸變率（THD）如表4所示。

表4 不考慮背景諧波時牽引站接入供電變電站母線諧波電壓及總諧波畸變率 %

考慮背景諧波后，各牽引站接入電網(wǎng)后，牽引站供電站母線各次諧波電壓畸變率及總諧波電壓畸變率見表 5［3］。

表5 考慮背景諧波時牽引站接入供電變電站母線諧波電壓及總諧波畸變率 %

根據(jù)表 4所示，不考慮背景諧波時，因牽引站接入注入系統(tǒng)的諧波電流引起的各次諧波電壓畸變較大，其中楊治站 7次諧波電壓含有率超過國標奇次諧波電壓畸變率 1.6%限值要求，同時楊治、龍門、商河、樂陵、利津、史口、北海站諧波電壓總畸變率超過國標 2%限值要求；根據(jù)表5所示，考慮背景諧波后，除上述諧波電壓超標外，商河站5次諧波電壓含有率超過國標奇次諧波電壓畸變率 1.6% 限值要求，陽信站、雙廟站、丁莊站諧波電壓總畸變率超過國標 2% 限值要求［2］。

3.3 牽引站接入引起的公共連接點三相電壓不平衡度

在進行負序計算時，首先根據(jù)發(fā)電機、變壓器、線路等元件參數(shù)建立系統(tǒng)等值負序網(wǎng)絡，得到注入系統(tǒng)各母線的基波負序電流和母線負序電壓。

牽引站注入系統(tǒng)的負序電流的取值跟牽引變壓器的接線方式和牽引供電臂的負荷電流有關，牽引變壓器的接線方式為V/v接線，兩臂電流取值考慮4種方式。

方式一，重饋線取 95% 概率最大電流值，輕饋線電流為 0；

方式二，重饋線取 95% 概率最大電流值，輕饋線電流為95%概率最大電流值的50%；

方式三，重饋線取 95% 概率最大電流值，輕饋線電流為95%概率最大電流值的75%；

方式四，重饋線取 95% 概率最大電流值，輕饋線為95%概率最大電流值；

在 V/v變壓器接線時，供電臂電流的四種取值方式下，應用 ETAP仿真得到各公共連接點正序電壓、負序電壓及三相電壓不平衡度，計算結果如表 6所示?？紤]各供電站公共連接點背景三相不平衡后，得到德大電氣化鐵路接入后各公共連接點母線三相電壓不平衡度見表 7。

表6 不考慮背景下各公共連接點母線三相電壓不平衡度結果 %

表7 考慮背景下各公共連接點母線三相電壓不平衡度結果 %

分析表 6及表 7可知，陵縣牽引站接入引起公共連接點母線（楊治 110 kV、龍門110 kV）三相電壓不平衡度超過國標規(guī)定的接于系統(tǒng)公共連接點的每個用戶引起該點三相電壓不平衡度不超過1.3% 的限值要求［4］，其余牽引站接入引起的公共連接點三相電壓不平衡度雖未超標，但數(shù)值較大。

4 結語

通過仿真計算得知德大電氣化鐵路負荷注入電網(wǎng)的3、5、7次諧波電流均超標。不考慮背景諧波時，因牽引站接入注入系統(tǒng)的諧波電流引起楊治站7次諧波電壓含有率超過國標奇次諧波電壓畸變率 1.6% 限值要求，同時楊治、龍門、商河、樂陵、利津、史口、北海站諧波電壓總畸變率超過國標2%限值要求?？紤]背景諧波后，除上述諧波電壓超標外，商河站 5次諧波電壓含有率超過國標奇次諧波電壓畸變率 1.6%限值要求，陽信站、雙廟站、丁莊等站諧波電壓總畸變率超過國標2%限值要求。陵縣牽引站接入引起公共連接點母線（楊治 110 kV、龍門110 kV）三相電壓不平衡度超過國標規(guī)定的接于系統(tǒng)公共連接點的每個用戶引起該點三相電壓不平衡度不超過 1.3%的限值要求。

［1］譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)［M］.成都：西南交通大學出版社，2009.

［2］GB/T 14549-1993電能質量 公用電網(wǎng)諧波［S］.

［3］劉勇，段曉波.電氣化鐵路V/v牽引變壓器接入系統(tǒng)諧波評估［J］.河北電力技術， 2007，26（5）： 21-23.

［4］GB/T 15543-2008電能質量 三相電壓不平衡［S］.