浅谈电气化铁路电能质量治理方案

浅谈电气化铁路电能质量治理方案

陈楚楚

中铁上海设计院集团有限公司 ，上海 200070

摘 要：牵引负荷具有随机波动、单相独立和不对称的特点。电气化铁路的电能质量问题主要包括无功、谐波、负序、电压波动与闪变。本文将某地区电气化铁路电能质量实测数据结合该地区电气化铁路的现状和发展，进行统计分析电气化铁路牵引负荷对该地区电网电能质量的影响情况，并给出切实可行的治理方案建议。

关键词：电气化铁路；电能质量

中图分类号： TM712 文献标识码：A

0 引言

近几年，随着电气化铁路建设速度持续加快，电气化铁路机车逐渐成为了电力系统中主要的大型谐波源之一。电力机车是单相负荷，可能引起负序问题；机车从接触网得电后经过整流装置给电机供电，是牵引供电系统中主要谐波来源；同时，电气化铁路负荷还具有阶跃性和沿线分布广负荷跨度大的特点，随着机车运行工况的不同，电力机车取流波动较大^[1-3]。

牵引供电系统的谐波直接注入高压电力系统，单相交流工频牵引制式引入的负序电流，供电电压偏差等都是电流电气化铁道电能质量存在的问题。本文对某地区内多条电气化铁路电能质量监测点对电气化铁路电能质量问题进行了数据实测和统计分析。

1 某地区电气化铁路情况

该地区经济发展稍滞后，线路多以普速铁路为主，牵引变电所电源引接点的短路容量较小，区域内线路交直型机车为主，有少量交直交型电力机车。牵引变电所内装有并联电容无功补偿装置。

2 电能质量标准简介

（1）供电电压偏差

供电电压为供电企业与用户产权分界处的电压或由供用电协议所约定的电能计量点的电压，其中的基本条款为：35kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过额定电压的10%。如供电电压上下偏差同号（均为正或负）时，按较大的偏差绝对值为衡量依据^[4]。

（2）谐波标准

1）谐波电压限值

公共连接点的谐波电压应同时满足：a.电压总谐波畸变率THD_U测量值的95%概率大值不得超过2.0%；b.奇次和偶次谐波电压含有率HRU_h测量值的95%概率大值分别不得超过1.6%和0.8%^[5]。

2）谐波电流限值

在用户谐波发射限值的分配原则上，文献[5]和文献[8]有共同点，即认为由于用户协议容量通常与其承担的电力系统投资份额相一致，所以根据用户协议容量S_i和用户接入电力系统公共连接点处供电容量S_t之比分配发射限值是合理的^[5]。但两者在详细分配方法上仍有区别，主要表现在用户协议容量S_i和供电容量S_t的确定、多个谐波源叠加指数的确定和多个谐波源的同时系数的确定3个方面^[7]。

对于公共连接点的供电容量S_t，文献[4]未做详细规定，这就造成了理解和使用上的误差。目前主要有2种观点：第1 种观点认为S_t应采用全部供电设备容量计算，用户冷备用设备容量也应计入协议容量S_i^[6]；第2 种观点认为S_t应按照系统最小短路容量下的供电容量计算，用户冷备用容量不应计入协议容量S_i^[8]。

（3）三相电压不平衡度

电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%。该标准规定的正常ε允许值对于波动性较大的场合，应和实测值的95%概率大值对比，以判断是否合格、其短时允许值是指任何时刻均不能超过的限值^[9]。

3电气化铁路电能质量现状

根据实测数据研究分析某地区内电气化铁路的电能质量问题。

（1）功率因数评价

因所内装有并联电容无功补偿器，牵引变电所处功率因数均能达到0.9以上。

（2）电压水平评价

110kV侧按正限+7%，负限-3%考核A、B、C相电压，均在61.2~67.9kV之间。

（3）谐波水平评价

1）谐波电压

表1 某牵引变电所电压总谐波畸变率

某牵引变电所谐波畸变率符合文献[5]标准。

2）谐波电流

在电力系统变电站110kV侧牵引馈线上测得的牵引负荷谐波电流频谱如图1所示。以交直车为主要负荷的电气化铁路谐波电流含量较大，主要以3、5、7、9次谐波为主。部分牵引变电所上级进线3次谐波电流含量接近10%，5次谐波电流含量最大接近6%。

图1 电力系统变电站110kV侧牵引馈线上测得的

牵引负荷谐波电流频谱

在该地区内，电气化铁路的低次谐波（3、5、7、9次）和高次谐波（21、23、25次）同时超标的现象存在。低次谐波主要由电气化铁路运营的交直型电力机车产生，高次谐波超标主要由交直交型机车牵引负荷产生。低次谐波和高次谐波同时超标的情况主要是线路上运行的交直车和交直交车混跑产生。

某地区内韶山系列交直型电力机车广泛使用，低次谐波污染较为严重。

（4）三相不平衡度评价

表2 某牵引变电所电压三相电压不平衡度

某牵引变电所三相不平衡度符合文献[9]标准。但随着交直交车的普及，交直车的退役，其无功、低次谐波问题将逐步改善，但负序影响会加大。

4 电能质量治理方案

铁路设计阶段一般采用以下几种方法预防电能质量问题：

（1）当同一个牵引变电所的两个供电臂负荷相当时，采用三相-两相平衡变压器（如斯科特、阻抗匹配平衡变压器等）对负序电流的抑制能力要明显优于三相-两相非平衡变压器（如V型接线），因其次边相位角呈90°的特点，平衡变压器能够有效地减小由牵引供电系统在电力系统引起的负序电流。

（2）相序轮换技术理论上是一种减少地区负序影响的有效措施，一般为每6个牵引变电所形成一个相位循环。不同变电所的相邻供电臂采用同一相序，以降低分相处的相位差。不同地区要因地制宜地考虑当地电网的拓扑结构、各节点负荷实际情况，电气化铁路的建设运营阶段、运行调度等因素也应纳入综合评估。

（3）电气化铁路牵引变电所通常在设计时接受电力部门的接入评估，根据评估结果适当预留电能质量治理场地，待线路开通后测试运营后的电能质量，若有需要，进行治理。

本文研究地区的变电所已安装无源补偿装置，故建议采用混合式同相供电方案^[10]治理电能质量。

混合式同相供电系统是将无源对称补偿和有源补偿相结合的同相供电系统方案，在取得有源同相供电系统相同的补偿效果基础上，极大地降低了系统成本。有源补偿容量的降低还提高了有源系统的响应速度，动态响应速度比传统基于无源对称补偿和基于纯有源对称补偿的同相供电系统更快，适合于铁路这种变化较快的冲击负荷。

阻抗匹配平衡变压器在某地区电网中得到较多应用，本文以阻抗匹配平衡变压器为例，给出了基于该变压器的同相牵引供电系统结构，如图2所示。

图2 混合式同相供电系统

设线路上负载的有功功率为S_load，无源补偿所设计的额定负荷容量为S₁，待补偿量△S=S_load-S₁。

1）当△S＞0时

当机车功率大于无源补偿的设计容量时，利用平衡变压器两臂负荷相等、功率因数相同时具有无负序的特点，同相有源补偿装置（AC-DC-AC装置）将待补偿量△S平分到两供电臂上，即将△S/2从β臂传递到带负载的α臂上，从而抵消△S引起的负序分量。若负载含无功和谐波，则DC-AC兼做无功和谐波补偿，实现注入电网的负序、无功和谐波的综合治理。

假设负载为6MW，即超过无源对称补偿所设计的额定负荷3MW，AC-DC-AC变换器将1.5MW的功率从端口转移到了端口，剩下1.5MW功率仍然由端口提供，所以有源补偿电流只占负载电流1/4。

2）当△S=0时

此时通过无源补偿装置即可实现负序补偿，当负载含有无功和谐波时，DC-AC只补偿无功和谐波，但不用补偿负序，有源补偿电流为0。

5 结论及展望

本次实测数据中，某些牵引变电站的电能质量参数已经超标或接近超标，对某地区电网的安全稳定运行带来了一定的威胁。电铁负荷对电网影响程度与其注入电网谐波电流大小（即与机车型号及供电比车流密度有关）和PCC点短路容量（与电网结构有关）等多种因素相关。

1.低次谐波主要由电气化铁路运营的交直型电力机车产生，高次谐波超标主要由交直交型机车牵引负荷产生。低次谐波和高次谐波同时超标的情况主要是线路上运行的交直车和交直交车混跑产生。交直型机车的逐渐淘汰，大大减轻了牵引供电系统低次谐波和无功问题。

2.随着经济发展对铁路货运、客运的需求提升，单列机车功率的不断提高，负序问题在将来越显严重，对电气化铁道负序电能质量问题仍然需要持续关注。

3.未来电气化铁路将同时出现谐波、负序问题。针对单一电能质量问题的电气化铁道电能质量补偿方案存在一定不足。既有普速牵引变电所在治理电能质量时，可考虑混合式同相供电系统。

参考文献:

[1] 铁道部电气化工程局电气化勘测设计院. 电气化铁道设计手册：牵引供电系统[M]. 北京: 中国铁道出版社, 1988: 142-143.

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[3] 曹建猷. 电气化铁道供电系统[M]. 北京: 中国铁道出版社, 1983: 90-94.

[4]GB/T12325-2008，电能质量.供电电压偏差[S].

[5] GB/T14549-1993，电能质量公用电网谐波[S].

[6] 吕润余，李平之，许遐，等. 澄清谐波国标对用户谐波电流指标分配计算中的有关问题[J]. 中国电力. 2002(11): 63-67.

[7] 解绍锋，李群湛，赵丽平. 谐波国家标准有关问题的探讨[J]. 电网技术. 2006(13): 94-97.

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[9] GB/T15543-2008，电能质量三相电压不平衡[S].

[10]周福林,李群湛,邱大强.基于混合补偿的同相牵引供电系统[J].铁道学报,2012,34(01):19-23.