高速鐵路接觸網(wǎng)網(wǎng)壓波動的研究及應(yīng)對措施

張國棟

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高速鐵路接觸網(wǎng)網(wǎng)壓波動的研究及應(yīng)對措施

張國棟

針對蘭新高速鐵路運(yùn)行過程中網(wǎng)壓波動的情況，通過跟蹤試驗動車組及變電所網(wǎng)壓監(jiān)測情況，結(jié)合國網(wǎng)電力公司對蘭新高鐵外部電網(wǎng)采取的供電方式，系統(tǒng)性研究高速鐵路接觸網(wǎng)網(wǎng)壓波動的原因，對類似高速鐵路接觸網(wǎng)網(wǎng)壓波動的應(yīng)對措施提出合理化建議。

接觸網(wǎng)；網(wǎng)壓波動；電制動；調(diào)壓；諧波

0 引言

隨著我國高速鐵路的飛速發(fā)展，高速動車組列車對電氣化鐵路接觸網(wǎng)網(wǎng)壓的平穩(wěn)提出了更高的要求。動車組受電弓直接從接觸網(wǎng)受流取壓，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓直接影響動車組列車的運(yùn)行狀態(tài)，同時網(wǎng)壓的平穩(wěn)與否也直接關(guān)系到變電所內(nèi)供電設(shè)備的正常運(yùn)行。

蘭新高速鐵路地處我國西北地區(qū)，橫跨甘肅、青海、新疆三省區(qū)，由于風(fēng)力資源巨大，風(fēng)力等新能源發(fā)電形式在電網(wǎng)構(gòu)成中占比較大。風(fēng)電、光伏發(fā)電等屬于波動性可再生能源，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)電機(jī)組的不穩(wěn)定性、電網(wǎng)調(diào)峰能力缺乏以及電網(wǎng)系統(tǒng)倒切等因素都會導(dǎo)致鐵路牽引變電所330 kV進(jìn)線電壓波動，從而引起接觸網(wǎng)網(wǎng)壓的異常波動。動車組列車通過接觸網(wǎng)分相時的操作過電壓等因素也會影響高速動車組列車的正常運(yùn)行。

1 變電所進(jìn)線電壓及網(wǎng)壓波動監(jiān)測情況

蘭新高鐵管段內(nèi)木蘭城、軍墾、首井、左公變電所地處嘉峪關(guān)、酒泉地區(qū)，330 kV外部電源中風(fēng)力發(fā)電占比較大，自牽引變電所送電以來，330 kV進(jìn)線電壓較高，且頻繁出現(xiàn)突變波動，高鐵牽引變電所主變壓器共5個檔位，3檔為平衡檔位，每檔的電壓調(diào)節(jié)幅值為±2.5%，通過主變壓器調(diào)檔方式無法滿足正常電壓要求，造成牽引變電所饋出電壓較高，無法滿足動車安全運(yùn)行要求。

為進(jìn)一步掌握高鐵接觸網(wǎng)網(wǎng)壓波動情況，對牽引變電所330 kV進(jìn)線電壓、27.5 kV母線電壓以及接觸網(wǎng)線路電壓進(jìn)行監(jiān)測。

（1）蘭新高鐵首井變電所330 kV進(jìn)線及 27.5 kV母線電壓監(jiān)測。

通過2016年4月14日監(jiān)測情況可知：自5時11分，330 kV進(jìn)線電壓開始上升至363.33 kV，進(jìn)線電壓最大值為363.33 kV，最小值為350.79 kV，平均值為356.49 kV（圖1）。

圖1 首井變電所進(jìn)線電壓監(jiān)測曲線圖

通過2016年4月14日監(jiān)測情況可知：母線電壓最大值為28.76 kV，最小值為27.97 kV，平均電壓為28.42 kV（圖2）。

圖2 首井變電所母線電壓監(jiān)測曲線圖

（2）蘭新高鐵軍墾變電所330 kV進(jìn)線及 27.5 kV母線電壓監(jiān)測。

通過2016年4月14日監(jiān)測情況可知：自5時11分，330 kV進(jìn)線電壓開始上升至365.31 kV，進(jìn)線電壓最大值為365.31 kV，最小值為352.11 kV，平均值為358.71 kV（圖3）。

通過2016年4月14日監(jiān)測情況可知：母線電壓最大值為29.20 kV，最小值為28.02 kV，平均電壓為28.61 kV（圖4）。

圖4 軍墾變電所母線電壓監(jiān)測曲線圖

（3）蘭新高鐵木蘭城變電所330 kV進(jìn)線及27.5 kV母線電壓監(jiān)測。

通過2016年4月14日木蘭城變電所監(jiān)測情況可知：自5時12分，330 kV進(jìn)線電壓開始上升至363 kV，進(jìn)線電壓最大值為363 kV，最小值為350.46 kV，平均值為356.73 kV（圖5）。

圖5 木蘭城變電所進(jìn)線電壓監(jiān)測曲線圖

通過2016年4月14日監(jiān)測情況可知：木蘭城牽引變電所母線電壓最大值為28.76 kV，最小值為27.42 kV，平均電壓為28.09 kV（圖6）。

圖6 木蘭城變電所母線電壓監(jiān)測曲線圖

上述各所330 kV進(jìn)線電壓及27.5 kV母線電壓統(tǒng)計如表1所示。

表1 變電所電壓統(tǒng)計表

4月14日通過監(jiān)測木蘭城、首井、軍墾變電所330 kV進(jìn)線電壓及27.5 kV網(wǎng)壓發(fā)現(xiàn)3座牽引變電所進(jìn)線電壓及接觸網(wǎng)網(wǎng)壓同時在4月14日5時11分左右突變波動達(dá)到峰值。按照國家電力行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)變壓器進(jìn)線電壓不得超過額定電壓的10%的規(guī)定，現(xiàn)場監(jiān)測5時11分左右3座變電所330 kV進(jìn)線電壓均超過額定電壓的10%。

2 網(wǎng)壓波動造成的影響

（1）網(wǎng)壓波動對動車組列車恒速、恒功率運(yùn)行的影響。

高速鐵路技術(shù)管理規(guī)程規(guī)定：“正常運(yùn)行時接觸網(wǎng)的標(biāo)稱電壓為25 kV，最高工作電壓為 27.5 kV，短時（5min）最高工作電壓為29 kV，最低工作電壓為20 kV”。

通過觀察CRH5型動車組檢測列車監(jiān)測的接觸網(wǎng)網(wǎng)壓參數(shù)，了解動車組運(yùn)行工況，與車輛段、客車廠技術(shù)人員探討網(wǎng)壓波動的狀況。

動車組網(wǎng)壓監(jiān)控裝置顯示（圖7）：網(wǎng)壓在動態(tài)許可范圍內(nèi)時，動車組正常平穩(wěn)運(yùn)行；而在動車組通過牽引變電所、分區(qū)所附近的接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式分相時，機(jī)車主斷路器在合閘的瞬間，會出現(xiàn)機(jī)車操作過電壓的情況，動車組列車監(jiān)測到的接觸網(wǎng)網(wǎng)壓會出現(xiàn)短時（4 s左右）波動現(xiàn)象，網(wǎng)壓瞬時達(dá)到29 kV或超過29 kV。網(wǎng)壓過高可導(dǎo)致動車組列車電制動失效從而影響機(jī)車的恒速運(yùn)行。

圖7 動車組檢測列車網(wǎng)壓監(jiān)測曲線圖

參見圖8，可發(fā)現(xiàn)：16：33：24～17：10：21時間段內(nèi)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓持續(xù)大于29 kV，持續(xù)時間 37 min；17：15：56～17：22：47時間段內(nèi)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓持續(xù)大于29 kV，持續(xù)時間近7 min；17：41：21～17：49：50時間段內(nèi)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓持續(xù)大于 29 kV，持續(xù)時間超過8 min。

圖8 網(wǎng)壓監(jiān)控結(jié)果圖

接觸網(wǎng)網(wǎng)壓突變波動導(dǎo)致電制動失效的原因分析：根據(jù)時速250 km動車組技術(shù)條件和動車組設(shè)計要求（網(wǎng)壓在29～31.5 kV之間輸出功率線性下降至零），CRH5型動車組在TCU軟件中設(shè)定了接觸網(wǎng)網(wǎng)壓與輸出功率的關(guān)系曲線，見圖9。

圖9 接觸網(wǎng)網(wǎng)壓與輸出功率關(guān)系曲線圖

同時，根據(jù)電制動故障條件，當(dāng)動車組在電制動狀態(tài)，輸出功率小于預(yù)設(shè)電制動功率50%時，延時3 s電制動失效，見圖10。

圖10 電制動失效原理圖

由圖10可見，當(dāng)TCU檢測到接觸網(wǎng)網(wǎng)壓在29～31.5 kV范圍時，輸出功率線性下降至零，根據(jù)電制動故障條件，車組在電制動狀態(tài)下，輸出功率小于預(yù)設(shè)電制動功率50%時，延時3 s電制動失效。電制動失效時，動車組啟動空氣制動模式，需由動車組司機(jī)人工控速，影響動車組自動恒速運(yùn)行?？諝庵苿邮莿榆嚱M列車低速運(yùn)行時的主制動方式，在動車組高速運(yùn)行時長期頻繁使用空氣制動輕則導(dǎo)致制動力減弱，延長制動距離，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致空氣制動失效，動車失控。

（2）網(wǎng)壓波動造成動車組列車牽引離線、丟失的影響及分析。

通過下載CRH5G動車組MPU-LT數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行分析即可得知，動車組列車在通過高速鐵路接觸網(wǎng)分相時，因網(wǎng)壓波動畸變會發(fā)生牽引切除和牽引離線的問題，造成牽引丟失。

圖11為CRH5G動車組01車MPU-LT數(shù)據(jù)顯示圖，數(shù)據(jù)顯示牽引1與主機(jī)斷開，牽引切除。

圖11 CRH5G動車組01列車MPU-LT數(shù)據(jù)圖

通過時間對比，圖12中MPU-LT數(shù)據(jù)表明牽引切除發(fā)生在動車通過接觸網(wǎng)分相過程中。

圖12 CRH5G動車組00列車MPU-LT數(shù)據(jù)圖

下載CRH5G動車組01車TCU數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖13所示，從上而下第4個波形為網(wǎng)壓信號，第5個波形為過零點信號。可以看出在動車組列車通過分相期間，四象限鎖相環(huán)一直在工作（過零點信號一直在翻轉(zhuǎn)），但此時網(wǎng)壓波形發(fā)生了嚴(yán)重的畸變；正常過分相的波形如圖14所示，可以看出在網(wǎng)壓正常的情況下，鎖相環(huán)是正常工作的，或者沒有網(wǎng)壓鎖相環(huán)停止。而當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)壓異常的情況，有可能鎖相環(huán)一直在工作，但是鎖相的結(jié)果又不匹配，導(dǎo)致四象限不啟動。由于過零點信號是四象限控制最重要的信號之一，四象限通常要連續(xù)檢測到正常的50個周波后才會啟動，而由于網(wǎng)壓異常，檢測到的周期一直在變化，即使網(wǎng)壓恢復(fù)正常后，由于之前的相位不正常，導(dǎo)致計算的相位與實際的相位一直有偏差，因此四象限不啟動，超過一定時間后就停止了；需要等待下次鎖相環(huán)停止，重新鎖相正常后才啟動。

圖13 CRH5G動車組01車TCU數(shù)據(jù)過分相波形圖

圖14 CRH5G動車組TCU數(shù)據(jù)過分相正常網(wǎng)壓波形圖

3 網(wǎng)壓波動的原因分析

（1）電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)壓引起網(wǎng)壓波動。通過對木蘭城變電所、首井變電所、軍墾變電所330 kV進(jìn)線電壓監(jiān)測及對比分析發(fā)現(xiàn)3座牽引變電所進(jìn)線電壓均在4月14日5時11分左右達(dá)到峰值。經(jīng)與嘉峪關(guān)、酒泉電力公司核實，在4月14日，由于部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障停機(jī)等原因，為使電網(wǎng)系統(tǒng)保持實時平衡，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)峰調(diào)壓，導(dǎo)致蘭新高鐵木蘭城牽引變電所、首井牽引變電所、軍墾變電所330 kV進(jìn)線電壓發(fā)生波動，進(jìn)線電壓較高使得鐵路牽引變電所變壓器二次側(cè)饋出電壓較高，引起接觸網(wǎng)網(wǎng)壓的突變波動。

二是重大戰(zhàn)略研究取得新突破?！昂雍颠B通戰(zhàn)略重大課題研究”“與水有關(guān)生態(tài)補(bǔ)償制度研究”已通過水利部驗收；“第一次全國水利普查成果綜合分析”基本完成；“主要江河流域水量分配方案技術(shù)協(xié)調(diào)與審查”“全國重點地區(qū)洪水風(fēng)險圖編制”“水利應(yīng)對氣候變化適應(yīng)性研究”“全國干旱區(qū)劃及旱災(zāi)風(fēng)險評估”“水文干旱預(yù)警水位（流量）確定辦法”“水庫汛限水位動態(tài)控制關(guān)鍵技術(shù)研究”“治澇標(biāo)準(zhǔn)及關(guān)鍵技術(shù)研究”等重大戰(zhàn)略研究進(jìn)展順利；圍繞跨界河流的開發(fā)利用和保護(hù)開展了一系列專題研究，為保障國家水資源權(quán)益和加強(qiáng)跨界河流管理提供了有力的支撐。

電力系統(tǒng)運(yùn)行時必須保證實時平衡，即電力系統(tǒng)的發(fā)電量和用電量時刻保持一致，為保持電力實時平衡，電力系統(tǒng)中需要保留一部分旋轉(zhuǎn)備用電源，預(yù)留調(diào)頻調(diào)壓資源。而實際風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，電力調(diào)度中心根據(jù)日負(fù)荷預(yù)測曲線、電源與電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行約束條件，制定次日各發(fā)電機(jī)組的開停機(jī)計劃和出力曲線，以使電力電量在當(dāng)日的每個時間段內(nèi)在供需兩側(cè)保持實時平衡，但是由于影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的因素會存在超出預(yù)期之外的變化，如用戶用電量的突然增加或較少，以及某臺或多臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因故障意外停機(jī)等因素，都會造成運(yùn)行日內(nèi)電力系統(tǒng)供需兩側(cè)不平衡的問題。此時就需要為這些隨時出現(xiàn)的臨時不平衡進(jìn)行調(diào)整，通過增加或者減少某些風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率，對電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)峰（調(diào)壓），以使電力系統(tǒng)供需兩側(cè)電量保持平衡。在電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰過程中，電網(wǎng)電壓就會出現(xiàn)波動，此時牽引變電所進(jìn)線電壓及饋出電壓就會隨之出現(xiàn)波動情況。

（2）環(huán)形電網(wǎng)系統(tǒng)倒切引起網(wǎng)壓波動。地方330 kV電力系統(tǒng)中的環(huán)形電網(wǎng)系統(tǒng)倒切時也會引起接觸網(wǎng)網(wǎng)壓的突變波動。正常運(yùn)行時地方330 kV變電站有2路可靠的進(jìn)線電源串接在電網(wǎng)當(dāng)中，在電網(wǎng)適時倒切系統(tǒng)運(yùn)行時也會出現(xiàn)短時的網(wǎng)壓突變波動。

（3）機(jī)車通過分相時引起網(wǎng)壓波動。蘭新高鐵接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)采用AT全并聯(lián)供電方式，在AT分區(qū)所末端上下行全并聯(lián)運(yùn)行提高末端電壓，通過添乘動車組檢測列車發(fā)現(xiàn)，以下3種情況存在接觸網(wǎng)網(wǎng)壓瞬間達(dá)到或超過29 kV。

a.當(dāng)動車組在區(qū)間正常運(yùn)行時，如在同一供電臂上，后面列車正好通過分區(qū)所分相進(jìn)入該供電臂時，由于動車組主斷路器合閘瞬間接觸網(wǎng)網(wǎng)壓波動，會造成同一供電臂運(yùn)行動車網(wǎng)壓的波動。

b.當(dāng)動車組運(yùn)行至牽引變電所分相附近時，如果此時臨線有動車組列車恰好通過臨線分相位置，由于牽引變電所處上下行是并聯(lián)運(yùn)行，臨線動車組主斷路器合閘瞬間接觸網(wǎng)網(wǎng)壓波動，會造成臨線運(yùn)行動車組網(wǎng)壓的波動。

c.當(dāng)動車組運(yùn)行至AT分區(qū)所分相附近時，如果此時鄰線有動車組列車恰好通過鄰線接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式分相位置，由于AT分區(qū)所處上下行并聯(lián)運(yùn)行，鄰線動車組主斷路器合閘瞬間接觸網(wǎng)網(wǎng)壓波動，也會造成鄰線運(yùn)行動車組網(wǎng)壓的波動。

4 消除網(wǎng)壓波動及其影響的優(yōu)化建議

（2）針對動車組列車通過分相時網(wǎng)壓波動的優(yōu)化建議。

蘭新高速鐵路采用的動車組類型是CRH5型，其交流傳動系統(tǒng)采用“交-直-交”型傳動系統(tǒng)，與以往交流傳動系統(tǒng)的電力機(jī)車相比較，其整流部分普遍采用四象限PWM變流器，電路拓?fù)浜碗姎馓匦耘c以往的韶山系列電力機(jī)車有著明顯的不同，具有功率因數(shù)高、諧波含量低、可實現(xiàn)能量雙向流動等優(yōu)點。但是由于諧波特性的改變，引起動車組及機(jī)車與牽引供電系統(tǒng)的不匹配問題，據(jù)了解，在國內(nèi)已開通的部分高速鐵路干線上，由于動車組與牽引供電系統(tǒng)的不匹配，運(yùn)行以來已多次發(fā)生諧振問題，造成諧波電流放大，引起諧波過電壓，這是牽引供電系統(tǒng)與動車組車網(wǎng)電氣耦合系統(tǒng)工作失穩(wěn)的一種表現(xiàn)，對牽引供電系統(tǒng)及動車組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來一定的影響。

而交-直-交型動車組的負(fù)荷特性表現(xiàn)為功率因數(shù)高，諧波頻譜加寬，諧波含量大大降低的特點。但機(jī)車基礎(chǔ)負(fù)荷較大，再生工況頻繁，寬頻譜下的高次諧波絕對值仍較大，諧波源持續(xù)時間較長，該條件下供電系統(tǒng)的線路電容效應(yīng)不能忽略。因此建議在動車組主電路上（主變高壓側(cè)或低壓側(cè)）加裝RC吸收濾波裝置，以減小牽引網(wǎng)電流高次諧波的含量；改變動車組整車不同動力單元的控制策略，調(diào)整多重化移相角度，使電流頻譜避開牽引網(wǎng)的諧振頻率；調(diào)整動車組牽引傳動系統(tǒng)控制參數(shù)，抑制諧波電流的含量。

（3）針對動車組列車通過高速鐵路接觸網(wǎng)分相區(qū)時網(wǎng)壓畸變導(dǎo)致過零點鎖相環(huán)異常的問題，建議由動車組列車生產(chǎn)廠在機(jī)車控制程序中鎖相環(huán)啟動條件里增加主斷信號，這樣就能保證在過分相時鎖相環(huán)停止工作，待網(wǎng)壓恢復(fù)以后重新進(jìn)行鎖相，從而避免動車組列車通過高速鐵路分相區(qū)時因網(wǎng)壓畸變導(dǎo)致過零點鎖相環(huán)異常、四象限不啟動以及牽引離線問題的發(fā)生。

5 結(jié)語

綜上所述，引起牽引供電系統(tǒng)網(wǎng)壓波動的原因基本可以概括為2個方面，一是外部電網(wǎng)由于調(diào)峰調(diào)壓、系統(tǒng)倒切、并網(wǎng)作用造成網(wǎng)壓波動。針對此情況，建議在外部電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)加裝穩(wěn)壓濾波裝置，以此來消除網(wǎng)壓的波動和諧波的干擾作用。二是由于動車組列車自身產(chǎn)生的諧波及與牽引供電系統(tǒng)車網(wǎng)電氣耦合狀態(tài)失穩(wěn)造成網(wǎng)壓波動。針對此情況建議在動車組主電路上加裝RC吸收濾波裝置，調(diào)整動車組牽引傳動控制參數(shù)等方式減小牽引網(wǎng)電流高次諧波的含量，以此來穩(wěn)定牽引網(wǎng)的工作電壓?；蛘哂蓜榆嚱M列車生產(chǎn)廠修改機(jī)車控制程序以規(guī)避牽引離線問題的發(fā)生。同時鐵路局供電段應(yīng)適時與地方電網(wǎng)協(xié)調(diào)溝通，做好所內(nèi)網(wǎng)壓的監(jiān)測工作，若發(fā)生持續(xù)性的電壓升高問題，要及時聯(lián)系路局電調(diào)、國網(wǎng)公司進(jìn)行應(yīng)急處置。

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With regard to fluctuation of network voltage of overhead contact system for Lanzhou-Xinjiang high speed railway, by tracking and testing of electric multiple unit and monitoring of substation network voltage, and with reference of power supply mode adopted by the State Grid Corporation served as the external power supply for Lanzhou-Xinjiang high speed railway, the paper studies systematically causes of fluctuation of network voltage of overhead contact system for high speed railway, and puts forward rational proposals on countermeasures to the fluctuation of network voltage of overhead contact system for similar high speed railways.

Overhead contact system; fluctuation of network voltage; electric braking; voltage regulation; harmonic

U224

B

1007-936X(2017)02-0025-05

張國棟.蘭州鐵路局嘉峪關(guān)供電段高鐵技術(shù)科，工程師，電話：18693757982。

2016-07-26