高速电气化铁路对电力系统运行的影响

摘 要：高速电气化铁路作为一种高效便捷的交通方式已被全世界各个国家所广泛采用，我国在近些年在高铁发展上有了令人瞩目的成绩，但由于其特殊的供电方式及谐波含量丰富，使得电气化铁路对电力系统中的电网运行有着较大的影响，本文通过分析高铁接触网的三个特点并结合国外的运行经验提出相应的解决方法。

关键词：电力系统 接触网 谐波 功率因数 负序功率

电气化铁路具有速度快、运输能力强、供电距离长、节约能源与造价、牵引性能好等优点，因而具有广阔的发展前景，是世界以及我国铁路发展的方向，广泛地应用于铁路运输之中。2010年全国铁路营业里程达到9万公里以上，电气化率均达到45%以上。根据国务院批准的《中长期铁路网规划》，到2020年，我国铁路总里程将达到10万公里，其中电气化5万公里，主要干线铁路将实现电气化。铁路电气化率约为50%，承担80%以上的运量。其中，将建成以京沪、京广、京哈、沪涌深及徐兰、杭长、青太及沪汉蓉“四纵四横”客运专线（高速铁路）1.2万公里，客货混跑快速线路2万公里，形成我国铁路快速客运网，但由于其特殊的供电方式及谐波含量丰富对电力系统运行也有着非常严重的影响。

一、接触网对电力系统的影响

目前我国高速电气化铁路采用的牵引制式是国际上较为先进的单相工频交流牵引方式。单相牵引负荷是一种不对称负荷，接入电力系统运行时容易产生对称的负序电流和电压分量，其负序功率较大，负序电流会给电力系统运行带来很多不利的影响，如会使得电机的定子绕组过热，较大的负序分量会使得电力系统的继电保护装置动作从而切断电源造成损失。电力机车大多采用的是全波整流的供电方式，假设平波电抗器有无限大的电感，于此同时整流变压器的线圈又无漏磁通，则其应从电网中所取用的原边电流波形应是方波，通过傅氏变换可将电流方波分解为N次谐波，故谐波含量比较丰富。电力系统中的无功补偿方式主要是采用并联电容器组，当谐波电流叠加到电容器的基波电流上时，便会使得电容器上的有效值增大，并使得电容器本身的温度升高，甚至过热而影响到电容器的使用寿命，同时由于谐波电压的叠加可能导致电容器内部发生局部放电，使得电容器损坏，除此之外并联电容器对谐波电流还有放大的作用，装设电容器之后 ，系统谐波阻抗发生了变化 ，对于系统负荷来说既可为感性也可为容性 ，在特定谐波的作用下，并联电容器可能与系统发生并联谐振，使等效谐波阻抗达到最大值，这样就会使得电力系统中无功补偿的效率很低。谐波含量丰富、功率因数低、负序功率大、是电气化铁道的三个主要特征，高速铁路牵引负荷的大大增加以及负荷本身的大幅波动则使问题进一步复杂，影响程度进一步加大。电气化铁路所产生的负序量和不同次数的谐波，使得电网中的电能质量被恶化，从电力系统继电保护的角度来讲降低了电网供电的可靠性；目前电力系统和铁路系统运行设备的自动化程度很高发展非常迅猛，对电能质量的要求也很高，由于谐波的作用可能会产生比如电压暂降，波形周期变化等一系列问题而这些问题会使得新型设备在生产过程中产生中断，从而造成经济的损失。

二、高铁运行对电网影响的解决方案的缺乏

从目前发布的高铁规划项目来看，未来将有多条高铁线路运行。由于接触网接入点的数目庞大且上述提及的问题不能得到很好地解决，故目前电力系统缺少高铁运行方面的经验，只能对于个案进行逐个处理。

三、国内外研究方向和成果

从全世界近几十年的高铁发展和运行来看，经过这些年的实践和改善；各国高速铁路的牵引供电系统都有了很大的改进，并且达到了很高的运行水平，而且都各具特色。其中最为突出的是日本、法国和德国高速铁路的牵引供电系统。主要方式和特点为：

1.牵引供电方式。高速铁路要求接触网受流质量高，分段和分相点数量少。目前各国大多采用自祸变压器（AT）供电方式和带回线的直接（RT）供电方式。日本、法国采用AT供电方式；德国及以德国高速铁路为技术原型建设高速铁路的国家多采用RT供电方式。AT供电方式的优点是：供电质量高、变电所数量少、便于牵引变电所选址和电力部门的配合、牵引变电所间距大、分相点少。因此，便于高速列车运行，防干扰效果也好。

2.电源电压等级。由于牵引负荷为单相系统，随着高速铁路负荷电流的增大，对电力系统的不平衡影响也越来越大。为了减少对电力系统的影响，高速铁路一般都采用较高的电源电压。日本采用154kV、220kV和275kV三种电压等级，德国采用110kV电压等级，意大利采用150kV电压等级，西班牙采用220kV和400kV两种电压等级，韩国采用154kV。

3.接触网电压。接触网的电压对电力机车功率发挥及机车运行速度有很大影响，而且直接关系到牵引供电设备技术参数的选定和供电系统的工程投资，各国都非常重视这一技术标准。日本接触网的标称电压为25kV，最高电压为30kV，最低电压为22.5kV。欧洲标准规定（EN50163）：接触网额定电压为25kV，最高长期电压为27.5kV，最高瞬时电压为29kV（smin），最低设计长期工作电压为19kV。

4.牵引变压器接线型式。牵引变压器是牵引供电系统中最重要的设备。它对牵引供电系统和工程投资起决定性的影响，不同类型的牵引变压器对电力系统产生不同的不平衡影响。日本采用斯科特接线和变形伍德桥接线三相变压器。法国、德国、意大利和西班牙采用单相变压器。单相变压器的优点是变压器容量利用率高、经济效果好，并能有效减少分相点的数量，最适合在高速铁路上应用。国内高铁目前主要采用三相V/V（ V/X）变压器。高铁的固有两相供电存在较大的负序电流问题，需要从电能质量、保护等方面进行评估。目前，国外学者对高速铁路作了较为深入的研究。由于现代高速铁路牵引供电系统（TPS）的容量需求越来越大，动态负荷评估方法已经不仅仅是牵引供电系统规划的重要工具，也是评估牵引系统的不平衡特性对电网影响的一个工具。如果没有一个优良的动态负荷评估算法，不平衡的影响很容易被低估，导致电力系统不稳定。一个好的动态负荷评估方法实施必须以电力工程的角度出发，同时结合实际的铁路运行原则和方法。国外学者提出了一种准确的动态负荷评估算法实现这些目标，能满足所有的原则和参数要求。有学者指出大功率的牵引负荷将导致系统电压和电流的不平衡，由此引起的旋转电机发热，系统损耗增加，对邻近通信系统的干扰，并导致继电保护装置误动和测量仪器出现故障。其中有些问题可能严重影响电力系统和其他与之相连设备的正常运行。因此要有一种系统评估高铁对电网影响的方法。从台湾地区运行经验和解决方案看，运用一种新开发的三相牛顿最优潮流法作为分析工具。对电压不平衡率，高速铁路供电电压及静态电压稳定性问题的进行了研究。研究发现，台湾地区电力系统在有单相高速机车负荷接入的情况下，仍保持了良好的特性。三相电力系统供电的高速铁路负荷，在电力系统中是一个重要的不平衡扰动源。电压和电流不平衡度取决于机车的型号，负载模型和电力系统结构。分辨电压不平衡值超过标准限值脆弱区域的方法和在高速铁路规划和设计期间评估其对电力系统造成电压不平衡度的方法，能够较好的解决此类问题。随着高速铁路运营里程的增加，由此引起的不平衡牵引负荷对电网的影响越来越严重。当电力系统提供给电气化铁路的功率不足时，将引起供电点电能质量的恶化。用STATCOM构成的的新型控制方法以及详细的控制算法，用来补偿由电气牵引负荷引起的谐波和不平衡影响影响较好。除上述影响外，高速列车在运行时，要克服轮轨摩擦阻力、线路坡度阻力和空气阻力前进。其中空气阻力与速度平方成正比。因此，空气阻力成为列车运行时的主要阻力。另外，在早、晚时段和节假日的高峰客流期，机车所需牵引功率大幅增加，需要组织大编组、高密度的运输，甚至在短时形成紧密追踪，这将造成公共连接点电压偏差问题。由于高速铁路的冲击特性，将引起非常大的电压波动。电压波动的范围与供电系统的容量、网络参数、负载容量等相关。如果220kV牵引变电站在公共连接点有其它负荷，则这些负荷会受到电压波动的影响。由于电气化铁路牵引站主要是牵引负荷，在这种情况下，电气化铁路牵引系统自身就是电压波动的最大受害者。在电力牵引供电系统中，常会因设备绝缘不良，外物侵入带电体等发生时间或相间对地断路故障，断路故障会产生强大的短路电流，造成公共连接点电压暂降。

四、结语

谐波含量丰富、功率因数低、负序功率大、是电气化铁道的三个主要特征，我们可以通过改进电力机车，改进牵引变电所（换相连接，采用平衡变压器主要是SCOTT变压器和阻抗匹配平衡变压器），装设补偿装置（静态无功补偿，动态无功补偿主要是SVC和STATCOM）等方式来解决，同时还要积累运行经验提出完善的应对措施。

参考文献：

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