淺析電氣化鐵路負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響及其治理措施

紀(jì)麟凡

摘 要：鐵路電氣化能夠增強(qiáng)運(yùn)輸能力，而且提高能源的利用效率，達(dá)到節(jié)能減排目的。近些年來我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分迅速，而且科學(xué)技術(shù)也取得了很大的進(jìn)步，電氣化鐵路的發(fā)展也到了一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期。不過因?yàn)閱蜗噙\(yùn)行、負(fù)荷變化以及整流供電等因素的存在，電氣化鐵路牽引符合對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生了一些不利影響，首先是降低了功率因數(shù)；其次是三相電壓平衡性減弱；再者是諧波超出標(biāo)準(zhǔn)；最后是電壓波動(dòng)幅度較大等。本文參考我國(guó)河南省電網(wǎng)的現(xiàn)狀和電氣化鐵路的發(fā)展情況，對(duì)電氣化鐵路負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響特點(diǎn)進(jìn)行了探討，有針對(duì)性地提出相應(yīng)的治理措施。

關(guān)鍵詞：河南電網(wǎng)；電氣化鐵路；電能質(zhì)量；治理措施

隨著電氣化鐵路的應(yīng)用不斷深入，鐵路網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸能力將會(huì)逐漸增強(qiáng)，能源利用效率也會(huì)得到很大程度的提升，有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，同時(shí)能夠促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的健康發(fā)展。我國(guó)在《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中明確指出，截止到2020年的時(shí)候，我國(guó)鐵路的總里程數(shù)必須達(dá)到5萬(wàn)公里以上。由于電氣化鐵路的發(fā)展相當(dāng)迅速，其相應(yīng)的牽引供電系統(tǒng)規(guī)模也會(huì)逐步擴(kuò)大。作為我國(guó)鐵路網(wǎng)絡(luò)的中心，河南省鐵路電氣化比例相當(dāng)大，可靠數(shù)據(jù)顯示，在2015年底的時(shí)候，該省的電氣化鐵路里程數(shù)已經(jīng)超過了2500公里。河南省的地級(jí)市幾乎都設(shè)置額電氣化鐵路牽引站，牽引站總數(shù)接近40座，容量和負(fù)荷則是分別達(dá)到2600MVA和1100MVA左右，約為30億千瓦時(shí)的電量位列我國(guó)電網(wǎng)公司第二名[1]。

然而需要指出的是，對(duì)于電氣化鐵路而言，目前我國(guó)使用的主要是工頻單相交流制，所以電力機(jī)車單相整流負(fù)荷具有相當(dāng)大的波動(dòng)性，這對(duì)三相對(duì)稱供電系統(tǒng)產(chǎn)生了不利影響，進(jìn)而使得其對(duì)稱性、線性以及穩(wěn)定性均不理想。三相諧波電流的平衡性較差，整個(gè)電力系統(tǒng)因此受到很大影響。與此同時(shí)，整個(gè)牽引網(wǎng)出現(xiàn)諧振的可能性增強(qiáng)，最終使得諧波電流變得相當(dāng)大。隨著諧波電流的不斷增加，無功功率占據(jù)的比例不斷增加，其功率因數(shù)也會(huì)逐漸降低，相比諧波電壓而言，諧波電流畸變問題更為突出。尤其是近些年來電氣化鐵路負(fù)荷持續(xù)增加，河南省的敏感用戶也越來越多，諧波和負(fù)序等問題變得十分嚴(yán)重，整個(gè)電網(wǎng)出現(xiàn)了各種各樣的問題，比較突出的問題有：電容器頻繁發(fā)生故障；風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)面臨較大困難；直流充電模塊燒毀現(xiàn)象越來越多；用戶保護(hù)誤跳閘情況比較嚴(yán)重。正是由于上述問題的存在，電網(wǎng)電能質(zhì)量的保證成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)，電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性也將面臨很大的挑戰(zhàn)[2]。

1 河南省電氣化鐵路牽引站現(xiàn)狀

如前文所述，作為全國(guó)鐵路網(wǎng)絡(luò)的中心，河南省匯集了很多國(guó)家鐵路主干線和支線?？煽繑?shù)據(jù)顯示，在2015年年底的時(shí)候，河南省正線運(yùn)營(yíng)的鐵路總里程數(shù)多達(dá)4000多公里，現(xiàn)階段已經(jīng)初步形成了“三縱五橫”的鐵路網(wǎng)絡(luò)，是國(guó)家鐵路交通網(wǎng)絡(luò)的重要樞紐。

針對(duì)目前的情況來看，河南省內(nèi)電氣化鐵路牽引站主要使用的供電電壓等級(jí)是110KV，比較有代表性的是京廣鐵路、隴海鐵路、太焦新月鐵路和寧西鐵路，它們?cè)诤幽鲜?nèi)的牽引站數(shù)量分別為10座、15座、5座、5座。除此之外，京九鐵路、焦柳鐵路的牽引站數(shù)量分別為4座和8座。少數(shù)客運(yùn)專線使用的是220KV電壓等級(jí)進(jìn)行供電，其中鄭西客運(yùn)專項(xiàng)就設(shè)置了8座這樣的牽引站。可靠數(shù)據(jù)顯示，截止2015年年底的世行，全省的牽引站數(shù)目為60多座，多達(dá)5000MVA的牽引容量意味著其牽引站數(shù)量遍布到絕大部分的地級(jí)市[3][5]。

2 電氣化鐵路供電電網(wǎng)電能質(zhì)量測(cè)試分析

隨著電氣化鐵路的不斷發(fā)展，其負(fù)荷將會(huì)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生不用程度的影響。鑒于此，該省電力公司針對(duì)所有地級(jí)市的供電情況進(jìn)行了測(cè)試分析，掌握其牽引站和供電系統(tǒng)連接點(diǎn)的電能質(zhì)量，主要針對(duì)的是背景諧波和負(fù)序。具體測(cè)試的時(shí)候采用連續(xù)測(cè)量的方式，各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試時(shí)間必須達(dá)到24小時(shí)以上，記錄間隔時(shí)間選擇1分鐘，各個(gè)周期內(nèi)采樣數(shù)目必須多余128，不同諧波分析的周波不得少于4個(gè)。參考我國(guó)現(xiàn)行的基本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，下面將針對(duì)統(tǒng)計(jì)后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以下的測(cè)試結(jié)果。

2.1 牽引站注入諧波電流統(tǒng)計(jì)分析

目前，該省接受測(cè)試分析的電氣化鐵路全部都是普速鐵路，所以對(duì)應(yīng)的牽引站主要使用的是韶山型機(jī)車與和諧號(hào)動(dòng)車。對(duì)于前者來說，交直型機(jī)車的整流橋脈動(dòng)為2，具有很大的奇次諧波，而且諧波電流超標(biāo)的情況存在于全部的牽引站，絕大部分牽引站的諧波集中在313次，詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如下表1所示。結(jié)合我國(guó)電科院給出的全國(guó)電氣化鐵路測(cè)試分析平均水平結(jié)果可知，其諧波電流的水平相對(duì)更高，這主要是因?yàn)樵撌∈请姎饣F路的中心，所以列車運(yùn)行數(shù)目和牽引重量更大，諧波電流更大在一定程度上可以視為一種必然。

2.2 牽引站公共接入點(diǎn)諧波電壓畸變率統(tǒng)計(jì)分析

通過對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，目前該省有8座牽引站的諧波電壓總畸變率超出了國(guó)標(biāo)2%以上。如果從嚴(yán)重程度進(jìn)行分類如下表2所示：

除此之外，還有諸如酈城變、靈山變、朝陽(yáng)變以及南陽(yáng)變等諧波含量較高，都大于1.5%，這些地方將不允許再接入非線性負(fù)荷。不過值得肯定的是，背景諧波超標(biāo)的情況并不嚴(yán)重，只有函谷變略有超標(biāo)。然而我們?nèi)匀徊荒軌蛎つ繕酚^，畢竟那些沒有超標(biāo)的站點(diǎn)也和標(biāo)準(zhǔn)限值相當(dāng)接近。

深入分析此次測(cè)試站點(diǎn)情況可知，由于電氣化鐵路諸如系統(tǒng)諧波有明顯超標(biāo)，絕大部分站點(diǎn)母線電壓諧波超出標(biāo)準(zhǔn)值，很多情況下電氣化鐵路站內(nèi)濾波器沒有正常工作。除此之外，由于電氣化鐵路向供電系統(tǒng)注入了大量的諧波，而且很多容量較大的非線性負(fù)荷被接入到系統(tǒng)之中，所以也使得諧波超標(biāo)情況變得十分嚴(yán)重，而且母線電壓波形畸變程度較高，諧波超標(biāo)難以控制。最后，一些變電站通常是在整個(gè)電網(wǎng)的末端部分，所以其短路容量相當(dāng)不足。

2.3 牽引站負(fù)序測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析

參考測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，在電氣化鐵路注入到供電系統(tǒng)之后，其不平衡電流不會(huì)超過基波電流的65%，而且這些牽引站都沒導(dǎo)致公共連接點(diǎn)不平衡度超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)范圍。根本原因在于電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，其短路容量也在持續(xù)增加，整個(gè)供電系統(tǒng)對(duì)不平衡度的承受能力有所提升。

不過值得一提的是，如果針對(duì)一些供電公司進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試能夠發(fā)現(xiàn)，少量變電站還是存在運(yùn)行較少的情況，甚至在某些情況下不存在任何運(yùn)行。

3 諧波和負(fù)序的不良影響

綜合前文對(duì)河南省電氣化鐵路負(fù)荷接入后對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的測(cè)試結(jié)果可知，在電氣化鐵路負(fù)荷介入電網(wǎng)之后，電能質(zhì)量出現(xiàn)的主要問題體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：其一是諧波問題；其二是負(fù)序問題，這些問題將會(huì)給整個(gè)電力系統(tǒng)帶來不良影響，下面將進(jìn)行一一說明。

第一，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)工作不利，一方面振動(dòng)明顯加劇，另一方面附加損耗明顯增多，整個(gè)發(fā)電機(jī)組的容量利用率有明顯降低，而且運(yùn)行過程中的安全性受到很大挑戰(zhàn)；

第二，電容局部放電情況比較嚴(yán)重，其電解質(zhì)老化和變質(zhì)速度明顯加快，系統(tǒng)發(fā)生不同程度的諧振，所以對(duì)電容的正常工作產(chǎn)生較大阻礙作用；

第三，電力系統(tǒng)繼電器保護(hù)裝置產(chǎn)生誤操作的可能性明顯增強(qiáng)，而且自動(dòng)控制裝置工作的穩(wěn)定性受到負(fù)面影響，電網(wǎng)運(yùn)行的安全性難以可靠保證；

第四，電力系統(tǒng)變壓器利用效率有所降低，各種線路損耗明顯加劇；

第五，在連續(xù)換相的情況下，逆變器產(chǎn)生故障的可能性增加，而且這個(gè)換相設(shè)備都可能發(fā)生故障；

第六，電力系統(tǒng)中存在部分直流設(shè)備，在電氣化鐵路負(fù)荷接入的影響之下，其正常的換流器觸發(fā)脈沖間隔不一致，所以整流器工作穩(wěn)定性能不夠理想；

最后，各種計(jì)量設(shè)備的精度受到影響，在這樣的條件下，半導(dǎo)體變流設(shè)備也會(huì)受到不同程度影響，尤其是會(huì)產(chǎn)生大量的附加諧波電流。

4 河南省電氣化鐵路供電存在的不足之處

如上文所述，近些年來河南省電氣化鐵路的發(fā)展十分迅速，其快捷和節(jié)能的優(yōu)勢(shì)也在實(shí)際應(yīng)用中得到了充分體現(xiàn)，不過由于電氣化鐵路接車的移動(dòng)性、平衡性以及沖擊性都不夠理想，所以給電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來了大量的不良影響，并且使得電網(wǎng)建設(shè)面臨巨大的挑戰(zhàn)。結(jié)合現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)情況來看，河南電氣化鐵路在技術(shù)方面存在的不足之處主要有以下幾點(diǎn)：

第一，還是存在一些地區(qū)，其諧波和負(fù)序等兩大問題比較嚴(yán)重，這使得局部電網(wǎng)運(yùn)行的安全性受到負(fù)面影響。首先，由于電氣化鐵路的不斷注入，其諧波電流超標(biāo)的程度越來越明顯。分析前文監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，河南省還是存在一些地級(jí)市變電站的諧波超標(biāo)，這不但使得電容器損壞的幾率增加，而且使得繼電器保護(hù)誤動(dòng)作的可能性增強(qiáng)，不利于提高整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。

第二，由于一些變電站處于電網(wǎng)末端的地方，所以電氣化鐵路供電可靠性難以得到有效保證。尤其是針對(duì)那些邊遠(yuǎn)地區(qū)的末端更是如此，一方面系統(tǒng)運(yùn)行安全性難以得到保證，另一方面電氣化鐵路供電并不可靠。

第三，目前用于監(jiān)測(cè)電氣化鐵路的技術(shù)比較落后。現(xiàn)階段河南省電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在諸多的不足之處，其中結(jié)構(gòu)不合理、功能不完善以及數(shù)據(jù)傳輸能力弱等是主要的問題，除此之外，一些電氣化鐵路的線路還根本沒有接入到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之中，所以電氣化鐵路電能質(zhì)量的有效監(jiān)測(cè)難以實(shí)現(xiàn)。

第四，電氣化鐵路的調(diào)度關(guān)系并不合理，和目前電力系統(tǒng)的既定要求并不一致。毫無疑問，電氣化鐵路也屬于用戶的范疇，所以從電網(wǎng)調(diào)度既定規(guī)程來看應(yīng)該具備幾個(gè)條件：首先是通信通道有兩種且保持獨(dú)立；其次是具有相應(yīng)的自動(dòng)化設(shè)備。但是目前的電氣化鐵路牽引站和電力系統(tǒng)之間的通信通道比較缺乏，只能夠?qū)崿F(xiàn)市話聯(lián)絡(luò)，所以不能夠達(dá)到調(diào)度所需的自動(dòng)化水平。與此同時(shí)，因?yàn)殡姎饣F路的運(yùn)行狀態(tài)難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，所以這對(duì)合理調(diào)度運(yùn)行極為不利，而且在處理事故的時(shí)候也變得十分困難。

5 治理措施

作為一種比較常見的非線性負(fù)荷，電氣化鐵路具有很多固有特點(diǎn)。首先是其牽引負(fù)荷的波動(dòng)比較明顯；其次是這種波動(dòng)將會(huì)給電力系統(tǒng)造成不同程度的沖擊，進(jìn)而導(dǎo)致了諧波和負(fù)序等問題，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的安全性造成了很大影響。事實(shí)上，前些年河南省還出現(xiàn)過幾次電網(wǎng)事故，這些事故主要就是因?yàn)橹C波和負(fù)序等問題所致。眾所周知，在十二五規(guī)劃到來之后，交流機(jī)車的應(yīng)用變得相當(dāng)廣泛，電氣化鐵路的負(fù)荷出現(xiàn)了一些新的特征，其中比較明顯的是諧波電流總有效值幅度降低，不過低次諧波還是沒有完全消除，尤其是三次諧波占據(jù)的比重還相當(dāng)大。除此之外，由于整流脈動(dòng)數(shù)量的逐漸增加，電氣化鐵路的頻帶也在擴(kuò)大，其對(duì)應(yīng)的諧波極有可能超出測(cè)試儀器的限值，在這樣的情況下，除了需要對(duì)諧波影響引起足夠重視，還應(yīng)該對(duì)諧振問題引起高度關(guān)注。

第一，爭(zhēng)取在十三五期間建立和完善該省全網(wǎng)電氣化鐵路電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，尤其是要將所有的牽引站引入到系統(tǒng)之中。其中評(píng)估層級(jí)分為三個(gè)，分別是省級(jí)、市級(jí)和變電站級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣化鐵路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與周期評(píng)估。

第二，結(jié)合十三五規(guī)劃的基本要求，尤其是針對(duì)一些相對(duì)比較薄弱的地區(qū)而言應(yīng)該加大牽引站諧波的治理力度。結(jié)合短路比進(jìn)行計(jì)算可知，目前寧西鐵路信陽(yáng)東段等需要重視諧波治理問題，這樣才能夠增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。

第三，電氣化鐵路運(yùn)行過程中存在不平衡的問題，電網(wǎng)因此會(huì)受到影響，鑒于此，諸如三門峽和信陽(yáng)地區(qū)等應(yīng)該考慮使用平衡變壓器來解決上述問題，尤其是要充分考慮適當(dāng)輪換各條鐵路的相序。

6 結(jié)語(yǔ)

未來我國(guó)鐵路電氣化改造進(jìn)程還將進(jìn)一步深入，新建的電氣化鐵路也會(huì)越來越多，所以針對(duì)電氣化鐵路負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的研究具有十分重要的意義。

在接入新建牽引變電站的世行需要注意，首先應(yīng)該科學(xué)合理地評(píng)估電能的質(zhì)量是否滿足要求，同時(shí)有針對(duì)性地提出解決諧波與負(fù)序等問題的治理措施，嚴(yán)格參照我國(guó)對(duì)電能質(zhì)量規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)來治理各類污染，保證設(shè)計(jì)、施工和投運(yùn)的同步性。

針對(duì)現(xiàn)有的電氣化鐵路而言，首先應(yīng)該準(zhǔn)確地測(cè)試其電能質(zhì)量的真實(shí)情況，找出其中諧波與負(fù)序超標(biāo)的牽引變電站，結(jié)合其諧波與負(fù)序的實(shí)際超標(biāo)現(xiàn)狀有針對(duì)性地提出治理措施。

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