叢貴斌 劉可 閆涵

摘要：青海電網(wǎng)所轄區(qū)域內(nèi)蘭新第二雙線電氣化鐵路，是國家“八縱八橫”鐵路網(wǎng)主骨架之一，研究交直型電力機車、交交型電力機車的電氣特性，機車的負荷特性，牽引負荷與鐵路運輸組織的關(guān)系，對分析負序指標中的PCC點負序電壓允許值，公共連接點負序電壓不平衡度，牽引站的電壓不平衡度，諧波電流等指標有著積極作用，繼而研究提高電氣化鐵路供電可靠性方法，消除電鐵對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；負荷特性；諧波特性

1.引言

青海電網(wǎng)所轄區(qū)域內(nèi)蘭新第二雙線為國鐵Ⅰ級、雙線電氣化鐵路。新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線東起甘肅省省會蘭州市，途經(jīng)青海省民和縣、樂都縣、平安縣至青海省省會西寧，后折向北經(jīng)大通縣、門源縣，穿越祁連山山脈進入甘肅省河西走廊西行，經(jīng)民樂縣、張掖市、臨澤縣、酒泉市、嘉峪關(guān)市、玉門市以及新疆自治區(qū)哈密市、鄯善縣、吐魯番市，西至新疆維吾爾自治區(qū)首府烏魯木齊市。是國家“八縱八橫”鐵路網(wǎng)主骨架之一。

2.電鐵特性及特點

2.1 電力機車的電氣特性

（1）交直型電力機車

我國目前在既有電鐵線路上，主要采用交直型電力機車。除少數(shù)從國外引進的電力機車（如日本的6K型，法國的8K型）外，絕大多數(shù)是我國自行設(shè)計制造的SS（韶山）型單相工頻電力機車。如：適用于重載貨運的SS4型，客貨兩用的SS6和SS7型，以及快速客運和準高速客運的SS5、SS8和SS9型。機車從接觸網(wǎng)取得25kV工頻單相電壓，經(jīng)車載變壓器降壓到1500V，整流后向牽引電動機供電。牽引電動機采用直流串勵式，額定電壓為1020V，功率約為700—900kW。交直型電力機車的原理結(jié)線如圖2-1所示。

交直型電力機車采用半控橋式整流裝置，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來實現(xiàn)機車出力的調(diào)節(jié)。這一控制方式，使得交直型機車的功率因數(shù)較低（0.8左右），并產(chǎn)生較大的高次諧波（三次諧波電流分量占18%以上）。

（2）交直交型電力機車

高速鐵路采用高速列車，要求其起動快，使其能在最短的時間和距離內(nèi)達到額定最高運行速度。為此，必須加大牽引功率，以提高起動牽引力。同時，當列車速度達到額定最高運行速度時，為保持其恒定速度，必須有足夠的持續(xù)牽引力來克服列車運行阻力。列車運行時的空氣阻力與列車速度的幾何關(guān)系成正比，因此，隨著列車速度的提高，列車單位重量所需的牽引力成倍增加，機車額定功率也隨之增加。高速列車對牽引動力的基本要求是：功率大、軸重輕、自重小、黏著利用好、整機控制好等。交流機車牽引能夠同時滿足上述技術(shù)要求。交直交型電力機車的工作原理如圖2-2所示。

交直交型交流傳動機車，采用四象限整流+PWM逆變器（VVVF）+三相交流感應(yīng)電動機的傳動方式。通過GTO或IGBT器件進行導(dǎo)通和關(guān)斷角的控制。這種供電方式的最大優(yōu)點在于：在牽引與制動的整個功率范圍內(nèi)，網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)接近1（0.95以上）；采用多重的四象限脈沖整流，可以使網(wǎng)側(cè)的電流諧波最?。ㄈ沃C波電流小于2.5%）；通過控制可以使中間直流回路的電壓比較穩(wěn)定。

2.2 列車的負荷特性

（1）列車負荷與牽引重量的關(guān)系

在運行、線路坡度相同的情況下，列車負荷與牽引重量成正比。

（2）列車負荷與運行速度的關(guān)系

列車運行速度越高，空氣阻力越大。在牽引重量、線路坡度相同的情況下，運行速度越高，牽引功率和能耗大幅度提高。并且在高速時，列車主要克服空氣阻力運行，持續(xù)受流時間長。圖2-3為單位重量牽引功率隨速度的變化曲線。

2.3 牽引負荷與鐵路運輸組織的關(guān)系

鐵路根據(jù)運量和線路條件編制運輸組織計劃，列車在行車調(diào)度的指揮下，在鐵路上按信號運行。單線鐵路一般采用站間閉塞方式，一個區(qū)間只能有一列車運行。復(fù)線鐵路采用劃分區(qū)間段閉塞方式，按固定間隔時間追蹤運行。目前，貨車一般追蹤間隔8分鐘，最小追蹤間隔5分鐘；高速列車設(shè)計最小追蹤時間間隔，近期為4分鐘，遠期為3分鐘。

鐵路建設(shè)時，基礎(chǔ)設(shè)施均按遠期線路能力一次規(guī)劃建設(shè)到位，運輸設(shè)備按近期需要配置。

2.4 牽引變電所負荷特性

（1）負荷的沖擊性特點

牽引變電所一般為兩側(cè)單相供電，其負荷的大小與供電區(qū)間運行的列車數(shù)量、鐵路線路坡度以及列車運行的速度等因素有關(guān)。圖2-4所示為實測的某牽引變電所負荷曲線圖。可以看出，牽引負荷具有如下特點：牽引負荷的波動大、兩供電臂負荷不均衡、功率因數(shù)低、無功沖擊大。

電氣化鐵路沿線路況千差萬別，列車在運行時速度、線路坡度、風速等隨時發(fā)生變化，列車按信號運行，供電區(qū)間內(nèi)的列車數(shù)量疏密不等。這些因素造成列車數(shù)量及每一列車的負荷隨時變化，使牽引變電所的負荷呈現(xiàn)波動性。

（2）兩供電臂負荷的不均衡性

牽引變電所的負荷隨著兩供電臂內(nèi)列車數(shù)量以及列車負荷而變化，有時輕載甚至空載、有時嚴重過載。如在節(jié)假日、鐵路故障后恢復(fù)行車時會出現(xiàn)列車緊密追蹤情況，在軍運、煤電運、農(nóng)運等特殊情況下，也會出現(xiàn)列車緊密追蹤的情況。 此時，牽引變電所會出現(xiàn)負荷高峰值。

（3）負荷率低

牽引變電所的負荷是由鐵路運量、列車速度、線路條件等因素決定的。列車運行時的受流狀態(tài)隨時都在發(fā)生變化。其平均負荷較低。但牽引變電所的供電能力必須適應(yīng)短時出現(xiàn)的高峰負荷的需要。所以，牽引變電所的負荷率很低，一般不超過20%，個別達到30%。

（4）負序特性

由于機車為單相負荷，無論牽引變壓器采取何種結(jié)線方式，都將向系統(tǒng)注入較大的負序電流，從而造成系統(tǒng)的三相電壓不平衡。

（5）諧波特性

國產(chǎn)韶山型電力機車諧波含有率的試驗值（單臺）如表2-1所示。

3、結(jié)論

針對青海電氣化鐵路四種機車運行特性分析，依據(jù)負序指標中的PCC點負序電壓允許值標準，接于公共連接點的每個用戶，引起該點負序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時不得超過2.6%，牽引站的電壓不平衡度均滿足國標要求。同時存在諧波電流超標現(xiàn)象，應(yīng)在未來規(guī)劃中考慮在牽引站內(nèi)加裝濾波裝置，消除超標電流。

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