楊睿喬

摘要：隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展與進(jìn)步，以高鐵、動車組等為代表的鐵路運(yùn)輸構(gòu)成了我國陸路運(yùn)輸系統(tǒng)的主要組成部分，目前大部分鐵路將電能作為其動力來源，形成了由牽引站、接觸網(wǎng)以及機(jī)車構(gòu)成的電氣化鐵路系統(tǒng)。鋼軌上方的接觸網(wǎng)通常為單相，這就造成了接觸網(wǎng)以及牽引站三相負(fù)荷分配不均勻，不對稱性問題比較突出。另外考慮到電力機(jī)車負(fù)荷較大，其啟停會對接觸網(wǎng)以及牽引站造成一定的沖擊，會對供電可靠性以及電壓質(zhì)量指標(biāo)帶來一定的挑戰(zhàn)，進(jìn)而可能會危及機(jī)車牽引站以及上級電網(wǎng)的供電安全。

關(guān)鍵詞：鐵路負(fù)荷;接觸網(wǎng);電壓質(zhì)量

引言：電氣化鐵路已經(jīng)成為我國保持經(jīng)濟(jì)快速增長的運(yùn)輸命脈，其重要性已經(jīng)不言而喻。因鐵路負(fù)荷自身以及供電接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，電力機(jī)車的運(yùn)行會對牽引站以及接觸網(wǎng)的電壓質(zhì)量帶來一定影響。為了充分利用鐵路運(yùn)輸?shù)木薮竽芰σ约皾M足社會對鐵路的發(fā)展需求，要綜合分析其影響并制定應(yīng)對措施。本文在介紹了電氣化鐵路供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了交直和交直交兩種類型的電力機(jī)車的電氣特性和負(fù)荷特性。以某牽引變電站實(shí)際數(shù)據(jù)為算例，分析了電力機(jī)車運(yùn)行對接觸網(wǎng)以及牽引站的電壓偏差、電壓波動以及三相電壓不平衡度指標(biāo)的影響情況并給出了幾種對電氣化鐵路進(jìn)行改良的解決方案。

1.電氣化鐵路供電系統(tǒng)

電力機(jī)車需要的電能來自牽引變電站，牽引變電站與上級主電力系統(tǒng)相連接，從而從電力系統(tǒng)獲取電能。由于電力機(jī)車具有位置移動性，而牽引變電站是固定的。所以為了讓移動的列車持續(xù)獲得電能，一般會在鋼軌上方架設(shè)接觸網(wǎng)。

電力機(jī)車直接從接觸網(wǎng)獲得電能，使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動列車前進(jìn)。由于鐵路線路較長，而牽引變電站的供電半徑是有一定限制的，所以鋼軌上方的接觸網(wǎng)是分段的，每段取自不同牽引變電站的電能，每段的連接處設(shè)置分相開關(guān)進(jìn)行電分相，以免來自不苘牽引變電所的電能因?yàn)橄嘈虿煌l(fā)生短路故障對于取單相電能的接觸網(wǎng)系統(tǒng)，在每個牽引變電站處通常會設(shè)置回流線，從而使變電站、接觸網(wǎng)、機(jī)車、大地以及回流線構(gòu)成回路[1]。

2.鐵路負(fù)荷特性分析

2.1電氣特性

根據(jù)使用驅(qū)動電動機(jī)類型的不同，可以將列車分為交食型和交直交型兩種，這也是我國鐵路公司常用的兩種型號機(jī)車4交宣塵電力機(jī)車采用的是直流電動機(jī)，通過機(jī)車內(nèi)部的電力裝覺將從接觸網(wǎng)獲取的交流電整流成直疏電后供紿：置：流電動機(jī)使用《考慮到諧波成分與整流裝置成本的矛盾性，出于控制成本目的該類機(jī)車的供電裝置內(nèi)部會產(chǎn)生較大的諧波，這會對直流電動機(jī)造成不利影響，其功率因數(shù)值也較低。直流電再經(jīng)過逆變器逆變成交流電后供電機(jī)車的交流電動機(jī)轉(zhuǎn)動驅(qū)動機(jī)車行駛。車載變壓器與機(jī)車鋼軌間連[2]。

2.2負(fù)荷特性

電力機(jī)車從接觸網(wǎng)獲取電能，對于接觸網(wǎng)、牽引站以及電力系統(tǒng)來講其表現(xiàn)為具有一定特殊特性的用電負(fù)荷。其負(fù)荷特性主要與機(jī)車啟動功率、穩(wěn)定運(yùn)行速率、機(jī)車總體質(zhì)量以及鋼軌傾斜度等幾個因素有關(guān)。（1）機(jī)車啟動功率。電力機(jī)車從靜止開始慢慢加速需要很大的啟動功率，這時電力機(jī)亨會從接觸網(wǎng)獲取較大的電流值，會造成接觸網(wǎng)以及牽引站母線出現(xiàn)較大的電壓降落，而且該降落值一般會隨著啟動功率的增大而增大。（2）穩(wěn)定運(yùn)行速率。電力機(jī)車加速結(jié)束后進(jìn)人穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，速度達(dá)到勻速運(yùn)行，此時電力機(jī)車主要受到空氣阻力和鋼軌的摩擦力。空氣阻力與機(jī)車的運(yùn)行速度成正相關(guān)關(guān)系，機(jī)車運(yùn)行速度越大其受到的空氣阻力值也越大。（3）機(jī)車與列車機(jī)箱、鋼軌之間會存在一定的動摩擦力，其值與機(jī)車以及機(jī)箱的總體質(zhì)量有關(guān)。質(zhì)量越大，動摩擦力越大，機(jī)車為了克服這一摩擦力所需要的牽引動力就會越大。（4）鋼軌傾斜度。當(dāng)列車在平地鋼軌運(yùn)行時，其機(jī)車牽引力主要是克服摩擦力以及空氣阻力。當(dāng)列車運(yùn)行位置具有一定坡度即列車上坡運(yùn)行時，其牽引力除克服空氣阻力以及摩擦力外，還需要克服一定的自身重力。

3.鐵路負(fù)荷對電壓質(zhì)量影響分析及對策研究

考慮到接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及電力機(jī)車的負(fù)荷特性可以看出電力機(jī)車負(fù)荷具有明顯的不對稱性、波動性以及沖擊性，這會對電力機(jī)車的接觸網(wǎng)以及牽引站母線的電壓質(zhì)量帶來一定影響。由于接觸網(wǎng)一般為單相，所以二相電壓可能存在很大的不平衡性問題。再考慮到接觸網(wǎng)具有一定的分段性，機(jī)車的頻繁經(jīng)過以及啟動都會給接觸網(wǎng)帶來電壓偏差大以及電壓波動值大等問題。本文以某牽引變電站為例分析機(jī)車的負(fù)荷特性對電壓質(zhì)量產(chǎn)生的影響。該牽引變電站共有兩條電源進(jìn)線，分別來自兩個不同的上級主網(wǎng)變電站。該遷移站共有兩條牽引線出線，分別以單相形式構(gòu)成電力機(jī)車的接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)[3]。

3.1電壓偏差和電壓波動

當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式或者電源出力與負(fù)荷水平發(fā)生變化時，供電系統(tǒng)中潮流分布以及網(wǎng)絡(luò)電壓也會隨著發(fā)生變化。對于由牽引站、接觸網(wǎng)以及電力機(jī)車構(gòu)成的牽引電源網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)電力機(jī)車通過時，接觸網(wǎng)以及牽引站的電壓就會發(fā)生變化，當(dāng)電力機(jī)車通過某牽引站所帶接觸網(wǎng)時，會給供電系統(tǒng)帶來一定沖擊，造成供電網(wǎng)絡(luò)的電壓波動。當(dāng)電力機(jī)車在某一接觸網(wǎng)上運(yùn)行時，由于外在環(huán)境變化機(jī)車運(yùn)行功率并不是恒定的，所以也會帶來一定的系統(tǒng)擾動。

3.2三相不平衡度

國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對配電線路的三相不平衡有著嚴(yán)格的規(guī)定，對于一般系統(tǒng)其PCC節(jié)點(diǎn)處三相電壓不平衡度的限制一般為2%，這是一個長時間尺度的限制范圍，即三相電壓不平衡不能長時間超過2%的限制值。短時限內(nèi)可以越過2%的限值，但是最大值不能超過4%。考慮到牽引站電源進(jìn)線對牽引出線的影響以及不同的運(yùn)行模式，根據(jù)牽引電源進(jìn)線不同的功率水平制定了5種場景，分析每種場景下該牽引站牽引線的三相不平衡度指標(biāo)。

3.3解決措施

為了應(yīng)對電力機(jī)車對接觸網(wǎng)以及牽引站甚至上級電網(wǎng)的電壓質(zhì)量的影響問題，采取的應(yīng)對措施有：（1）牽引站的電源進(jìn)線采用三相輪換的方式接人上級變電站中，達(dá)到均衡牽引站負(fù)荷的目的，從而降低牽引站整體對上級供電系統(tǒng)的沖擊。（2）具有多條牽引出線的牽引變電站，盡可能均分每條牽引出線的負(fù)荷，甚至均分每相的負(fù)荷值。（3）根據(jù)列車調(diào)度以及客車類型、出行計(jì)劃等，盡可能的均衡發(fā)車。（4）在牽引站設(shè)置相應(yīng)的SVG設(shè)備，通過靈活吸收或者發(fā)出無功提高遷移站母線的電壓質(zhì)量。（5）必要時采用阻抗平衡變壓器來減少電壓波動、均衡三相電壓。

4.結(jié)論

電氣化鐵路的飛速發(fā)展給牽引站以及主網(wǎng)的供電可靠性帶來了全新的挑戰(zhàn)。在介紹了電氣化鐵路供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文分析了交直和交直交兩種類型的電力機(jī)車的電氣特性以及負(fù)荷特性。以某牽引變電站實(shí)際數(shù)據(jù)為算例，分析了電力機(jī)車運(yùn)行對接觸網(wǎng)以及牽引玷的電壓偏差、電壓波動以及三相電壓不平衡度指標(biāo)的影響情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜習(xí)周，陳棟新，余曉鷗，等.電氣化鐵路負(fù)荷對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響[J].華中電力，2010，23（6）：3537.

[2]云明軒.鐵路牽引負(fù)荷對電網(wǎng)電能廣量的影響及冶理[J].寧夏電力，2016（6）：3841.