陳偉偉，樊艷芳，李鳳婷

（新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830002）

電氣化鐵路對新疆哈密電網(wǎng)的影響

陳偉偉，樊艷芳，李鳳婷

（新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830002）

結合蘭新電氣化鐵路新疆哈密段工程，研究電氣化鐵路對電網(wǎng)的影響因素，探討電氣化鐵路負荷在用電過程中產生諧波及負序對電網(wǎng)的影響，特別是對含風電和電鐵同時接入的電網(wǎng)公共連接點(PCC點)電能質量以及風電場的影響。在仿真軟件中搭建了新疆哈密地區(qū)電網(wǎng)模型，對其影響進行評估和分析，提出治理措施和建議。

電氣化鐵路；負序電流；諧波電流；評估；治理措施

電鐵機車是單相大功率整流負荷，其用電會產生大量的諧波與負序，如果不能在電鐵牽引站得到及時治理，將注入電力系統(tǒng)，影響全網(wǎng)，波及用戶。由于機車是移動的電能質量污染源，其對電網(wǎng)產生的危害性比其它諧波源設備更為嚴重和廣泛，產生的負序電流對系統(tǒng)電網(wǎng)的不利影響也越來越突出。

新疆哈密是我國為數(shù)不多的可同時大規(guī)模開發(fā)清潔能源和煤電的大型能源基地。蘭新電氣化鐵路新疆段橫跨哈密境內，部分路段途經風電場群且距離電廠較近，部分牽引站不可避免地接入含有風電接入的電網(wǎng)公共連接點(PCC點)，電鐵運行過程中會對哈密電網(wǎng)的安全產生不利影響，特別是對含風電和電鐵同時接入的PCC點以及對風電機組的影響較大?？紤]到哈密電網(wǎng)的特殊性以及蘭新線的投運及蘭新二線的建成，有必要分析評估電氣化鐵路對哈密電網(wǎng)的影響，同時針對可能出現(xiàn)的問題提出可行的實際措施，保證電網(wǎng)的安全運行。

1 新疆哈密電鐵及其供電系統(tǒng)

新疆電氣化鐵路全線牽引變電所共28座。哈密境內共有8座鐵路牽引站，分別是：黑山梁、思甜、煙墩、紅旗村、哈密、二堡、了墩、紅臺。哈密電鐵接線見圖1。

圖1 哈密電鐵接線圖

新疆哈密牽引站變電所由兩路電源供電，當一路電源故障時，另一路應正常工作，各牽引站設兩臺主變壓器（一主一備）。牽引變電所進線采用帶跨條的分支接線，見圖2；牽引網(wǎng)采用自耦變壓器（AT）供電方式；牽引網(wǎng)供電電壓為27.5 kV。各牽引站主變壓器采用三相V/V接線型式，見圖3。

2 電氣化鐵路對電網(wǎng)的影響

電氣化鐵路對電網(wǎng)的影響主要是負序和諧波電流兩項總和的影響。

2.1 電氣化鐵路負序電流對電網(wǎng)的影響

負序電流對電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面[1-2]：引起發(fā)電機附加發(fā)熱和振動；可能導致發(fā)電機負序分量啟動的繼電保護裝置誤動作；降低電動機的過載能力；造成變壓器的局部過熱，損壞絕緣；可能造成輸電線路的相差高頻保護誤動作；可能造成電網(wǎng)PCC點電壓不平衡度超標，影響電網(wǎng)電能質量。

圖2 牽引變電站主接線圖

圖3 變壓器V/V接線型式

針對負序問題，國家提出的對電鐵牽引站注入電網(wǎng)負序的技術要求如下：接于公共連接點的單個電鐵牽引站引起的該點正常電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時不得超過2.6%；現(xiàn)行《發(fā)電機運行規(guī)程》規(guī)定：汽輪發(fā)電機三相電流值差不得超過額定電流的10%，折算相應最大允許負序電流為6.5%；風機不對稱保護定值通常為最大允許不平衡電流5%；最大允許不平衡電壓為2%。

2.2 電氣化鐵路諧波電流對電網(wǎng)的影響

諧波對電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面[1-2]：引起發(fā)電機的附加損耗、發(fā)熱、附加振動、諧波過電壓和噪聲；引起感應電動機產生附加振動，增加定子和轉子銅耗；引起變壓器的附加損耗和局部發(fā)熱，降低變壓器的容量利用率；增加線損，降低線路輸電能力；加快電容器介質的老化速度；引起安全自動裝置和繼電保護裝置非正常頻繁啟動、拒動或者誤動。

根據(jù)電鐵諧波電流對電網(wǎng)的不利影響，國家提出了對電鐵牽引站注入電網(wǎng)諧波的技術要求《GB/T 14549-1993電能質量公用電網(wǎng)諧波》，具體規(guī)定見表1。

當以各牽引變電站高壓側母線作為PCC點時，表1中各次諧波電流允許值應按式(1)進行修正：

表1 電鐵牽引站注入電網(wǎng)各次諧波電流允許值

3 電鐵負序諧波電流計算方法

3.1 負序電壓不平衡度計算方法

對于單相接線、V/V接線等非平衡牽引站，將牽引負荷看作單相負荷，取重饋線電流最大值max，牽引站注入PCC點的不平衡度為：

3.2 負序不平衡電流計算方法

目前國內負序電流的計算方法多以形成節(jié)點負序阻抗矩陣來計算，文獻[3]提供了這一方法的具體計算步驟，此方法過程比較繁瑣。本文采用負序電流分配系法。電力機車在運行時是一個負序源，它產生的負序電流經牽引變高壓側注入系統(tǒng)，按一定的電流分配系數(shù)給各電廠，從而得出牽引站對各個電力機組的最大允許負序電流值。

3.3 諧波電流計算方法

根據(jù)《GB/T14549-1993電能質量公用電網(wǎng)諧波》標準計算諧波電流。

兩個諧波源的同次諧波電流疊加值為：

4 電鐵對哈密電網(wǎng)的影響評估分析

考慮到新疆哈密電網(wǎng)的特點和現(xiàn)狀，電氣化鐵路對哈密電網(wǎng)的影響主要考慮負序電流對PCC點三相電壓不平衡度、PCC點附近電廠發(fā)電機組的影響及諧波電流對電網(wǎng)的影響。

4.1 負序電流對PCC點三相電壓不平衡度的影響

根據(jù)鐵路部門提供的基礎參數(shù)，結合電網(wǎng)夏季大運行方式，計算結果見表2。

表22013年注入PCC點不平衡度計算結果

根據(jù)計算結果分析可知，公共連接點的三相短路容量越大，PCC點電壓不平衡度就越小，十三間房變與電網(wǎng)聯(lián)系相對較弱，三相短路容量較小，PCC點電壓不平衡度較大；不同類型的牽引機車對PCC點電壓不平衡度也有影響。在HXD/SS7機型運行時，十三間房變電壓不平衡度超標。

4.2 負序電流對PCC點附近電廠的影響

考慮哈密電網(wǎng)的特殊性，將負序電流對PCC點附近電廠發(fā)電機組的影響分為對常規(guī)電廠機組的影響和風電機組的影響。

4.2.1 對常規(guī)電廠機組的影響

本次計算選擇可能引起負序電流最大的幾個站點進行校驗，計算結果見表3。

表3 負序電流百分比計算結果

根據(jù)計算結果分析可知，同一點不同容量的機組受注入的負序電流的影響程度隨機組容量大小成反比，容量越大的機組受負序電流的影響就越??；發(fā)電機組距離牽引站的位置越遠，中間并入的變電所越多，發(fā)電機受到負序電流的影響也就越??；系統(tǒng)容量越大，負序電流對發(fā)電機的影響也就越小。天光電廠位于新疆哈密主網(wǎng)附近，系統(tǒng)電網(wǎng)較為堅強，系統(tǒng)容量較大，故其負序電流百分比比其它電廠小。

4.2.2 對風電機組的影響

本次計算選擇距離風電場較近且負序容量較大的幾個牽引站，由上述負序電流計算公式可得到各牽引站注入風電場風電機組的負序電流值。計算結果見表4。

由表4中計算結果可知牽引負荷注入風電場最大負序電流值均未超過風電機組負序電流整定值70A，故不會造成風電機組負序電流保護動作。考慮到電鐵負荷中長期的發(fā)展，負序電流值可能會超過風電場負序電流保護整定值，引起保護動作，造成風電機組脫網(wǎng)運行。尤其是當風電場裝機容量在局部地區(qū)占有一定比重，風機脫網(wǎng)運行的危害是不言而喻的，可能會造成附近區(qū)域風電機組脫網(wǎng)運行，造成電網(wǎng)有功功率缺額過大，引起頻率波動，產生動態(tài)頻率擾動過程，造成更多風電機組因頻率保護切除脫網(wǎng)，可能進一步擴大事故影響范圍，威脅主網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。有必要采取一系列措施降低負序電流值，降低和限制負序電流對電力系統(tǒng)的影響，特別是對風電機組的影響。

表4 牽引站注入風電場風電機組的負序電流

4.3 諧波電流對電網(wǎng)的影響

牽引機車主要產生3，5，7次諧波。其中3次諧波電流含有率最高，隨著諧波次數(shù)的增加，幅值會迅速減少。在治理諧波時，通常只對3，5，7次諧波進行治理。本次評估均只針對牽引站接入的PCC點處3，5，7次諧波進行分析。2013年各牽引站注入供電變電站的諧波電流結果見表5。根據(jù)計算結果分析可知，不同牽引機型、系統(tǒng)的短路容量以及諧波源的數(shù)目對諧波電流的大小有較大影響。系統(tǒng)的短路容量越大，系統(tǒng)承受諧波電流的能力就越大，在一定程度上可以降低諧波電壓水平，而這往往取決于電力系統(tǒng)的發(fā)展。SS4機型機車運行時，牽引站注入電網(wǎng)的3、5、7次諧波均超過國標值。

5 改善措施和對策

針對新疆哈密電網(wǎng)的特點和現(xiàn)狀，為減少電氣化鐵路對哈密電網(wǎng)的不利影響，建議如下：

（1）根據(jù)目前哈密電網(wǎng)現(xiàn)狀，加強哈密電網(wǎng)的電源建設及哈密電網(wǎng)與新疆主網(wǎng)的聯(lián)系，在一定程度上可以減少諧波電流對電網(wǎng)的影響；

（2）考慮到哈密電氣化鐵路的發(fā)展，建議在諧波電流超標的電鐵牽引站和電鐵牽引站合建站加裝交流無源濾波裝置，建議諧波超標的牽引站采用的3、5、7次諧波濾波器中電容器電抗器容量分別為1.6、0.064；1.6、0.064；0.8、0.016 (Mvar)，經初步計算治理后的諧波電流均滿足要求；

（3）就目前哈密運行電力牽引機車，部分貨運機車相對落后，建議在其機車上安裝無功補償裝置，在源頭上減少諧波和負序電流對電網(wǎng)的影響；

（4）對于在建的蘭新第二雙線電鐵牽引站，盡量接到高電壓等級上供電，保證連接點的電壓不平衡度（建議各牽引站接入電壓等級采用220 kV)；

（5）建議在紅臺和了墩牽引站安裝一定容量的靜止無功補償裝置(SVC)，紅臺和了墩供電臂分別安裝容量為2 Mvar的晶閘管控制電抗器(TCR)，負序治理后十三間房變電壓不平衡度均低于1.3%，負序電流對風電機組的不利影響也大大降低；

（6）對于含有兩個及兩個以上牽引站的PCC點，牽引站接線建議采用輪換相序的接線方法（如紅臺和了墩牽引站）。

6 結語

通過定量研究電氣化鐵路對哈密電網(wǎng)的影響，根據(jù)電網(wǎng)具體情況提出相應的治理措施，對保障哈密電網(wǎng)的安全運行具有一定的實際意義和借鑒意義。隨著風電集群開發(fā)和電氣化鐵路的建設，電氣化鐵路對電網(wǎng)的影響，特別是對含風電和電鐵同時接入的PCC點及途經電鐵的大規(guī)模風電機組的影響越來越值得關注，需要進一步細化分析。

[1]盧志海，厲吉文.電氣化鐵路對電力系統(tǒng)的影響[J].繼電器，2004，32(7)：33-36.

[2]姚宗溥，侯世英，祝石厚.電氣化鐵路牽引負荷對固原電網(wǎng)的影響[J].電網(wǎng)技術，2007，31：15-19.

[3]姚金雄，張濤，林榕，等.牽引供電系統(tǒng)負序電流和諧波對電力系統(tǒng)的影響及其補償措施[J].電網(wǎng)技術，2008，32(9)：61-64.

Influence of electrified railway on Xinjiang Hami power grid

CHEN Wei-wei,FAN Yan-fang,LI Feng-ting

Based on an electrified railway in xinjianghami project,the influence factors of electrified railway on power grid were studied.Electrified railway load in the process of powerharmonics and negative sequence influence to power grid,especially wind power and electric iron at the same time,access to the PCC point and the influence of wind farms were discussed.Ahami district was set up in simulation software,xinjiang power gridmodel.It's effect was evaluated and analyzed.The correspondingmeasures and Suggestions at the same time were put forward.

electric railways;negative sequence current;harmonic current;assessment;controlmeasures

TM 727

A

1002-087 X(2014)10-1910-03

2014-03-12

新疆維吾爾自治區(qū)高?？蒲兄攸c項目(XJEDU-2011I05)；國家自然科學基金項目(51367016)

陳偉偉(1989—)，男，四川省人，碩士研究生，主要研究方向為風力發(fā)電及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

樊艷芳(1971—)，女，副教授，主要研究方向為風力發(fā)電及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。