| 标题 | 浅析电气化铁路负荷对电网电能质量的影响及其治理措施 |
| 范文 | 纪麟凡 摘 要：铁路电气化能够增强运输能力，而且提高能源的利用效率，达到节能减排目的。近些年来我国经济发展十分迅速，而且科学技术也取得了很大的进步，电气化铁路的发展也到了一个关键时期。不过因为单相运行、负荷变化以及整流供电等因素的存在，电气化铁路牽引符合对电网产生了一些不利影响，首先是降低了功率因数；其次是三相电压平衡性减弱；再者是谐波超出标准；最后是电压波动幅度较大等。本文参考我国河南省电网的现状和电气化铁路的发展情况，对电气化铁路负荷对电网电能质量的影响特点进行了探讨，有针对性地提出相应的治理措施。 关键词：河南电网；电气化铁路；电能质量；治理措施 随着电气化铁路的应用不断深入，铁路网络的运输能力将会逐渐增强，能源利用效率也会得到很大程度的提升，有利于实现节能减排的目标，同时能够促进我国经济社会的健康发展。我国在《中长期铁路网规划》中明确指出，截止到2020年的时候，我国铁路的总里程数必须达到5万公里以上。由于电气化铁路的发展相当迅速，其相应的牵引供电系统规模也会逐步扩大。作为我国铁路网络的中心，河南省铁路电气化比例相当大，可靠数据显示，在2015年底的时候，该省的电气化铁路里程数已经超过了2500公里。河南省的地级市几乎都设置额电气化铁路牵引站，牵引站总数接近40座，容量和负荷则是分别达到2600MVA和1100MVA左右，约为30亿千瓦时的电量位列我国电网公司第二名[1]。 然而需要指出的是，对于电气化铁路而言，目前我国使用的主要是工频单相交流制，所以电力机车单相整流负荷具有相当大的波动性，这对三相对称供电系统产生了不利影响，进而使得其对称性、线性以及稳定性均不理想。三相谐波电流的平衡性较差，整个电力系统因此受到很大影响。与此同时，整个牵引网出现谐振的可能性增强，最终使得谐波电流变得相当大。随着谐波电流的不断增加，无功功率占据的比例不断增加，其功率因数也会逐渐降低，相比谐波电压而言，谐波电流畸变问题更为突出。尤其是近些年来电气化铁路负荷持续增加，河南省的敏感用户也越来越多，谐波和负序等问题变得十分严重，整个电网出现了各种各样的问题，比较突出的问题有：电容器频繁发生故障；风电机组并网面临较大困难；直流充电模块烧毁现象越来越多；用户保护误跳闸情况比较严重。正是由于上述问题的存在，电网电能质量的保证成为了人们关注的焦点，电网运行的安全性和稳定性也将面临很大的挑战[2]。 1 河南省电气化铁路牵引站现状 如前文所述，作为全国铁路网络的中心，河南省汇集了很多国家铁路主干线和支线。可靠数据显示，在2015年年底的时候，河南省正线运营的铁路总里程数多达4000多公里，现阶段已经初步形成了“三纵五横”的铁路网络，是国家铁路交通网络的重要枢纽。 针对目前的情况来看，河南省内电气化铁路牵引站主要使用的供电电压等级是110KV，比较有代表性的是京广铁路、陇海铁路、太焦新月铁路和宁西铁路，它们在河南省内的牵引站数量分别为10座、15座、5座、5座。除此之外，京九铁路、焦柳铁路的牵引站数量分别为4座和8座。少数客运专线使用的是220KV电压等级进行供电，其中郑西客运专项就设置了8座这样的牵引站。可靠数据显示，截止2015年年底的世行，全省的牵引站数目为60多座，多达5000MVA的牵引容量意味着其牵引站数量遍布到绝大部分的地级市[3][5]。 2 电气化铁路供电电网电能质量测试分析 随着电气化铁路的不断发展，其负荷将会对电能质量产生不用程度的影响。鉴于此，该省电力公司针对所有地级市的供电情况进行了测试分析，掌握其牵引站和供电系统连接点的电能质量，主要针对的是背景谐波和负序。具体测试的时候采用连续测量的方式，各个测试点的测试时间必须达到24小时以上，记录间隔时间选择1分钟，各个周期内采样数目必须多余128，不同谐波分析的周波不得少于4个。参考我国现行的基本标准进行数据的统计和分析，下面将针对统计后的监测数据进行分析，得到以下的测试结果。 2.1 牵引站注入谐波电流统计分析 目前，该省接受测试分析的电气化铁路全部都是普速铁路，所以对应的牵引站主要使用的是韶山型机车与和谐号动车。对于前者来说，交直型机车的整流桥脉动为2，具有很大的奇次谐波，而且谐波电流超标的情况存在于全部的牵引站，绝大部分牵引站的谐波集中在313次，详细的统计数据如下表1所示。结合我国电科院给出的全国电气化铁路测试分析平均水平结果可知，其谐波电流的水平相对更高，这主要是因为该省是电气化铁路的中心，所以列车运行数目和牵引重量更大，谐波电流更大在一定程度上可以视为一种必然。 2.2 牵引站公共接入点谐波电压畸变率统计分析 通过对测试结果进行统计分析可知，目前该省有8座牵引站的谐波电压总畸变率超出了国标2%以上。如果从严重程度进行分类如下表2所示： 除此之外，还有诸如郦城变、灵山变、朝阳变以及南阳变等谐波含量较高，都大于1.5%，这些地方将不允许再接入非线性负荷。不过值得肯定的是，背景谐波超标的情况并不严重，只有函谷变略有超标。然而我们仍然不能够盲目乐观，毕竟那些没有超标的站点也和标准限值相当接近。 深入分析此次测试站点情况可知，由于电气化铁路诸如系统谐波有明显超标，绝大部分站点母线电压谐波超出标准值，很多情况下电气化铁路站内滤波器没有正常工作。除此之外，由于电气化铁路向供电系统注入了大量的谐波，而且很多容量较大的非线性负荷被接入到系统之中，所以也使得谐波超标情况变得十分严重，而且母线电压波形畸变程度较高，谐波超标难以控制。最后，一些变电站通常是在整个电网的末端部分，所以其短路容量相当不足。 2.3 牵引站负序测试结果的统计分析 参考测试结果进行分析不难发现，在电气化铁路注入到供电系统之后，其不平衡电流不会超过基波电流的65%，而且这些牵引站都没导致公共连接点不平衡度超出规定标准范围。根本原因在于电网建设规模不断扩大，其短路容量也在持续增加，整个供电系统对不平衡度的承受能力有所提升。 不过值得一提的是，如果针对一些供电公司进行单独测试能够发现，少量变电站还是存在运行较少的情况，甚至在某些情况下不存在任何运行。 3 谐波和负序的不良影响 综合前文对河南省电气化铁路负荷接入后对电网电能质量影响的测试结果可知，在电气化铁路負荷介入电网之后，电能质量出现的主要问题体现在以下两个方面：其一是谐波问题；其二是负序问题，这些问题将会给整个电力系统带来不良影响，下面将进行一一说明。 第一，对整个电力系统的发电机工作不利，一方面振动明显加剧，另一方面附加损耗明显增多，整个发电机组的容量利用率有明显降低，而且运行过程中的安全性受到很大挑战； 第二，电容局部放电情况比较严重，其电解质老化和变质速度明显加快，系统发生不同程度的谐振，所以对电容的正常工作产生较大阻碍作用； 第三，电力系统继电器保护装置产生误操作的可能性明显增强，而且自动控制装置工作的稳定性受到负面影响，电网运行的安全性难以可靠保证； 第四，电力系统变压器利用效率有所降低，各种线路损耗明显加剧； 第五，在连续换相的情况下，逆变器产生故障的可能性增加，而且这个换相设备都可能发生故障； 第六，电力系统中存在部分直流设备，在电气化铁路负荷接入的影响之下，其正常的换流器触发脉冲间隔不一致，所以整流器工作稳定性能不够理想； 最后，各种计量设备的精度受到影响，在这样的条件下，半导体变流设备也会受到不同程度影响，尤其是会产生大量的附加谐波电流。 4 河南省电气化铁路供电存在的不足之处 如上文所述，近些年来河南省电气化铁路的发展十分迅速，其快捷和节能的优势也在实际应用中得到了充分体现，不过由于电气化铁路接车的移动性、平衡性以及冲击性都不够理想，所以给电力系统的正常运行带来了大量的不良影响，并且使得电网建设面临巨大的挑战。结合现阶段的设计情况来看，河南电气化铁路在技术方面存在的不足之处主要有以下几点： 第一，还是存在一些地区，其谐波和负序等两大问题比较严重，这使得局部电网运行的安全性受到负面影响。首先，由于电气化铁路的不断注入，其谐波电流超标的程度越来越明显。分析前文监测结果可知，河南省还是存在一些地级市变电站的谐波超标，这不但使得电容器损坏的几率增加，而且使得继电器保护误动作的可能性增强，不利于提高整个电网运行的安全性。 第二，由于一些变电站处于电网末端的地方，所以电气化铁路供电可靠性难以得到有效保证。尤其是针对那些边远地区的末端更是如此，一方面系统运行安全性难以得到保证，另一方面电气化铁路供电并不可靠。 第三，目前用于监测电气化铁路的技术比较落后。现阶段河南省电能质量监测系统存在诸多的不足之处，其中结构不合理、功能不完善以及数据传输能力弱等是主要的问题，除此之外，一些电气化铁路的线路还根本没有接入到监测系统之中，所以电气化铁路电能质量的有效监测难以实现。 第四，电气化铁路的调度关系并不合理，和目前电力系统的既定要求并不一致。毫无疑问，电气化铁路也属于用户的范畴，所以从电网调度既定规程来看应该具备几个条件：首先是通信通道有两种且保持独立；其次是具有相应的自动化设备。但是目前的电气化铁路牵引站和电力系统之间的通信通道比较缺乏，只能够实现市话联络，所以不能够达到调度所需的自动化水平。与此同时，因为电气化铁路的运行状态难以实时监测，所以这对合理调度运行极为不利，而且在处理事故的时候也变得十分困难。 5 治理措施 作为一种比较常见的非线性负荷，电气化铁路具有很多固有特点。首先是其牵引负荷的波动比较明显；其次是这种波动将会给电力系统造成不同程度的冲击，进而导致了谐波和负序等问题，对电网运行的安全性造成了很大影响。事实上，前些年河南省还出现过几次电网事故，这些事故主要就是因为谐波和负序等问题所致。众所周知，在十二五规划到来之后，交流机车的应用变得相当广泛，电气化铁路的负荷出现了一些新的特征，其中比较明显的是谐波电流总有效值幅度降低，不过低次谐波还是没有完全消除，尤其是三次谐波占据的比重还相当大。除此之外，由于整流脉动数量的逐渐增加，电气化铁路的频带也在扩大，其对应的谐波极有可能超出测试仪器的限值，在这样的情况下，除了需要对谐波影响引起足够重视，还应该对谐振问题引起高度关注。 第一，争取在十三五期间建立和完善该省全网电气化铁路电能质量检测系统，尤其是要将所有的牵引站引入到系统之中。其中评估层级分为三个，分别是省级、市级和变电站级，实现对电气化铁路的实时监测与周期评估。 第二，结合十三五规划的基本要求，尤其是针对一些相对比较薄弱的地区而言应该加大牵引站谐波的治理力度。结合短路比进行计算可知，目前宁西铁路信阳东段等需要重视谐波治理问题，这样才能够增强电网运行的安全性。 第三，电气化铁路运行过程中存在不平衡的问题，电网因此会受到影响，鉴于此，诸如三门峡和信阳地区等应该考虑使用平衡变压器来解决上述问题，尤其是要充分考虑适当轮换各条铁路的相序。 6 结语 未来我国铁路电气化改造进程还将进一步深入，新建的电气化铁路也会越来越多，所以针对电气化铁路负荷对电网电能质量的研究具有十分重要的意义。 在接入新建牵引变电站的世行需要注意，首先应该科学合理地评估电能的质量是否满足要求，同时有针对性地提出解决谐波与负序等问题的治理措施，严格参照我国对电能质量规定的标准来治理各类污染，保证设计、施工和投运的同步性。 针对现有的电气化铁路而言，首先应该准确地测试其电能质量的真实情况，找出其中谐波与负序超标的牵引变电站，结合其谐波与负序的实际超标现状有针对性地提出治理措施。 参考文献： [1]Fang Lu， Luo An， 2011，A Novel Power Quality Compensator for Negative—Sequence and Harmonic Currents in HighSpeed Electric Railway，IEEE Electrification magazine，DOI：10.1109，15. [2]于坤山，周胜军，王同勋，乔光尧，等.电气化铁路供电与电能质量[M].中国电力版社，2011. [3]杨少兵，吴命利.基于改进蚁群算法的客运专线电力负荷建模与参数辨识[f].中国电机工程学报，2015，7：15781585. [4]游诚曦，雷亚隽.关于电气化铁路牵引供电的探讨[J].电源技术应用，2014，3：167. [5]王志杰，陈勇.切实加强铁路供电系统的安全生产与管理[J].建筑工程技术与设计，2015，19：841. |
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