湖北电气化铁路供电对电网影响研究报告

【摘要】随着我国社会经济的快速发展，铁路事业得到了长足的发展，特别是电气化技术在铁路系统中的应用，电牵引成为了铁路运行供电的主要动力方式。电气化铁路的广泛推广，大大提升了铁路运行的速度，具有良好的效果。但是电气化铁路供电方式对电网具有一定的影响，是广大电力、铁路工作者面临的一大课题。为评估湖北省电铁牵引负荷接入对电网影响，谋划电铁电能质量评估体系，实现电网与电气化铁路协调发展，必须开展电气化铁路供电对电网的影响研究。

【关键词】电气化铁路供电;电网;影响

1.电气化铁路概述

电气化铁路主要由接触网、电力机车、铁道共同构成，还包括铁路运行的相关机构以及指挥系统等。电气化铁路与传统的柴油机车或蒸汽机车运行有很大的差别，主要指的是通过牵引供电系统以及外部电源获取电能，并通过电力机车为牵引，使列车在铁轨上运行。电气化铁路具有多种优势，其不仅能够利用多种一次性能源，产生大功率，并且运行的速度与效率较强，提高了铁路运行的过载能力。另外这种铁路运输成本较低，产生的污染较少，具有较高的可靠性，一般不会受到山区、高寒等外界因素的影响。

电气化铁路主要依靠电力机车的牵引力运行，机车本身不用携带能源，能源供应主要依靠牵引系统提供。而牵引变电所与接触网共同组成机车牵引供电系统。一般来说，牵引变电所设置在铁道周围，能够将发电厂输送过来的电能，转移到铁路上空的接触网中。接触网可以说是电气化铁路机车直接输送电能的设施。

2.电气化铁路对电网的影响因素

2.1 负序

负序对电网的影响主要体现在以下几个方面：（1）负序会导致三相电流不平衡，系统中变压器其中一相电流最大，所以不能发挥变压器额定出力效果，并且会造成大量的能量损耗。（2）负序功率为无用功，导致铁路供电系统中线路输电能力下降;（3）负序电流的接入，会导致同步发电机出力减少或不出力，使其产生振动，引起转子发热;（4）负序会影响电动机的运行效率，引起电动机产生过热现象。

2.2 谐波

当供电电网设备中有过大的谐波流入时，会导致过热、过负荷现象，并容易形成谐振。在线路输电过程中，由于电容对谐波电流有一定的放大作用，这样就会引起介质电场强度的增加，这样会严重影响电缆的使用寿命。同时，谐波的存在，会影响利用电压波形控制的电气设备，并影响相关仪表的计量准确性。

2.3 牵引负荷接入供电系统的电压等级

根据国际电力相关规定，电网负序水平的衡量指标中，公共连接点三相电压不平衡度是重要的指标之一，在负序功率一定的情况下，短路容量越大，系统承受负序影响的能力越强。当牵引负荷和牵引变压器接线方式一定时，变电所高压侧的电压单次谐波含有率和总谐波畸变率与高压进线的短路容量成反比。

2.4 牵引变压器、牵引机车类型

电铁牵引变压器类型主要有单相接线变压器、V/V接线变压器、V/X接线变压器、YNd11接线变压器、Scott接线变压器及阻抗匹配平衡变压器等，其中，后两种属平衡类变压器。单相变压器在各种运行方式下的基波负序电流不对称度值均为1，输入系统的基波负序电流值最大。当牵引站仅向单侧机车供电时，以上变压器的基波负序电流不对称度均为1;当牵引站向双侧机车供电时，平衡类变压器因两侧负荷不平衡引起高压侧输入系统的基波负序电流相对较小，且当两侧负荷相等时，成为两相平衡系统，高压侧相应成为三相对称系统，无基波负序电流输入系统。牵引机车类型有交直型（SS系列机车）、交直交型（CRH型、HXD型机车）两大类，其中，交直型机车采用半控桥式整流装置，将单相工频交流电转变为直流电，供直流牵引电机使用，交直型机车功率因数较低（约0.8），并产生大量谐波，其谐波的主要成分是3、5、7次，以3次谐波含有率最大;交直交型机车采用PWM整流器，将单相工频交流电转变为直流电，再将直流逆变为频率及幅值均可调节的三相交流电供三相异步牵引电动机使用，交直交型机车功率因数较高（约0.9），总谐波含量明显减小。

3.湖北电气化铁路供电对电网的影响具体情况

本报告是基于现场测试以及科学的计算研究得出的。对湖北武广客运、合武线、宜万线、京九线及汉丹线等22座牵引变电站电能质量进行了正常运行方式下24小时不间断测试，测试站占全省牵引站总数的39%，涵盖全部13座220千伏牵引站。

本次测试主要指标包括供电电压偏差、三相电压不平衡度、谐波电压总畸变率、谐波电流注入值、电压波动及闪变值。具体的测试结果为：（1）供电电压偏差、三相电压不平衡度均未超出国家标准（以下简称“国标”）限值要求;（2）220千伏邺州、解家坝、冷水桥及110千伏黄州、马坪、厉山、巴东等7座牵引站谐波电压总畸变率超出国标2%的限值，占测试总数的32%;（3）220千伏牵引站的谐波电流注入值均未超标，110千伏牵引站除巴东站未超标外，其余均超标，占测试总数的36%;（4）220千伏泉口、金马及110千伏利川等3座牵引站长时间闪变值超出国标限值，占测试总数的14%。可见，现阶段湖北省电气化铁路对电网的影响主要是谐波和电压闪变，影响电压等级主要为110千伏及以下，影响范围为牵引站公共接入点（即向牵引站供电的公用变电站）的周边电网，公共接入点的短路容量越小，影响程度越大。另外，与设计阶段的理论计算值相比，各指标的测试值普遍偏小，但两者的变化规律基本相同，主要原因是铁路用电负荷未达到设计值，武广客运（武昌东站）、合武线（麻城北站）、宜万线（花艳站）、京九线（武穴站）、汉丹线（厉山站）各典型站实测最大功率与铁路部门提供的近期短时最大功率设计值之比分别为77.5%、95.0%、30.5%、49.5%、50.2%。随着铁路牵引负荷水平的不断提升，谐波、电压闪变等对电网的影响会更加突出。

武广客运、宜万线、京九线及汉丹线牵引变压器类型均为三相V/V接线变压器，合武线为V/X接线变压器，武汉北牵引站为Scott接线变压器。因此，武汉北牵引站可部分消除对电网的负序电流影响，而其它牵引站均会对电网产生一定的负序电流影响，实际运行中表现为三相电压不平衡。武广客运为高速客运专线，机车类型为CRH2、CRH3交直交型机车，功率因数相对较高，总谐波含量相对较小。其它线路均为客货混运铁路，机车类型包括交直型、交直交型机车，功率因数相对较低，总谐波含量相对较高。其中对电气化铁路电能质量的标准评估流程如图1所示。

4.提高湖北电气化铁路供电质量的建议

4.1 合理选择供电电压等级

为了保证电气化铁路供电的可靠性，保证公共电网电能质量，需要合理选择湖北电气化供电电压等级。其选择的原则体现在以下几个方面：公用电网为牵引供电系统提供的电压等级需保证牵引变压器高压侧进线处电压偏差满足国标要求;同时，牵引供电系统需保证不引起所接入的公共连接点电能质量问题。经计算研究表明， 影响牵引变压器高压侧进线处电压偏差的主要因素包括公共连接点短路容量、供电距离、牵引负荷大小及功率因数，但当公共连接点短路容量增大到一定程度后，其对电压偏差影响较小，需采取减少供电距离及提高牵引负荷功率因数等措施。牵引负荷造成的公共连接点电能质量问题主要与公共连接点短路容量有关，三相电压不平衡度、谐波电压总畸变率、谐波电流注入值、电压波动及闪变值等近似与公共连接点短路容量成反比关系。电铁供电电压等级选择需结合铁路部门提供的牵引负荷大小及功率因数，由供电方案确定供电距离后，根据牵引变压器高压侧进线处电压偏差国标限值要求计算出相应的公共连接点短路容量需要值，进而进行电压等级选择。

图1

4.2 强化牵引侧治理

根据研究表明，湖北电气化铁路供电牵引侧公共连接处的供电电能质量不达标，依据电力法中电力治理原则，加强湖北电气化铁路牵引侧治理措施包括以下几个方面：（1）改进电力机车，采用更多的交直交型牵引机车，可以从源头上解决电铁谐波及低功率因数问题;（2）采用可减小负序和谐波影响的牵引变压器，优先选取平衡类牵引变压器;（3）加装滤波或补偿装置，包括采用各类静态、动态补偿装置;（4）优化供电方式，相邻牵引变间采用轮流换向连接。

5.总结

本报告首先介绍了电气化铁路及其对电网的影响因素。然后介绍了本次现场测试的情况，介绍了电气化铁路牵引变压器、牵引 机车类型及其对电网的影响，对电气化铁路供电电压等级、电能质量规范化评估体系等进行了深入研究，并提出了治理措施。报告内容全面，结构清晰，论证充分，计算详实，对湖北境内电铁供电工程的方案制定、建设和运行具有很好的指导意义。

参考文献

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