陕西境内电气化铁路供电现状分析

李晓婷，孙 威

（陕西省电力设计院，西安 710054）

1 陕西电网及已投产电气化铁路总体概况

截至目前，陕西省建成运营的电气化铁路有陇海铁路、阳安铁路、宝中电铁、宝成铁路、襄渝铁路、神朔铁路、宝天铁路、西南铁路、西康铁路、西安铁路枢纽北环线、包神铁路总计11条，非电气化铁路1条，为西延铁路。电气化铁路在陕西西安、咸阳、宝鸡、渭南、榆林、汉中、安康、商洛8个城市均有分布，电铁牵引站总计61座。电气化铁路变电站的外部供电电压等级均采用110 kV。陕西境内电气化铁路年最大用电负荷约86万kW，占全省用电负荷的9.1%；年用电量约23.2574亿kW·h，占全省全社会用电量的3.6%左右；电气化铁路系统总体最大负荷利用小时数约2 600 h[1-2]。

2 目前电气化铁路外部供电技术标准及基本要求

2.1 电力牵引系统主要技术标准

1）牵引站主接线方式：均为线路分支接线；

2）牵引变压器形式：大多为Yn,d11接线型式、个别为三相VV接线型式；

3）牵引系统供电方式：均为带回流线的直接供电方式；

4）牵引机车形式大都采用客机SS7E、SS9，货机SS4；

5）电力牵引站主变构成以及运行方式：现状运行的电力牵引站均为2台变压器，单台主变容量从15MV·A、16MV·A、20MV·A、31.5MV·A、50MV·A不等，2台变压器容量构成不尽相同，且均有较大的过负荷能力。正常方式下2台变压器一台运行一台热备用。

2.2 电气化铁路外部供电工程对电力系统的基本要求

电气化铁路机车牵引负荷为一类负荷，要求可靠性高，一般由电力系统以110 kV电压供电。牵引变电站除要求安装2台主变，一台运行一台热备用外，还必须有2个独立的电源，且牵引变的2个供电线路要求有各自杆塔和走径，保证一回供电线路故障切除时，另一回线路迅速投运，缩短牵引变的停运时间。

3 电气化铁路外部供电对电力系统的影响

3.1 电气化铁路电力牵引系统运行特性对供电系统的影响及应对措施

电气化铁道电力机车牵引负荷为波动性大的大功率单相整流负荷，在电力系统中具有随机性、冲击性、不对称性和非线性等特点，从而对电力系统设备及电能质量产生诸多影响，归结起来主要有以下几点：

1）机车运行的随机性和冲击性造成系统电压波动。

2）不对称性供电会在电力系统中产生负序分量，进而造成系统中运行的发电机产生振动或转子局部过热现象，直接危害发电设备，影响运行状况及寿命，也可能使负序分量起动的保护发生误动。

3）非线性。电力机车从接触网得到的单相工频交流电，需经机车内部大容量的硅整流变成直流，因此在机车运行过程中整流设备会在系统中产生高次谐波。由此产生的高次谐波会造成高频保护误动、电容器诱发谐振甚至烧坏、对通讯线路造成干扰、网损增加、电度表计量精度下降等问题，对电网供电可靠性、运行经济性都会产生不利。减小负序电流和高次谐波的措施主要有：

①牵引变采用限制负序电流和谐波效果较好的变压器，如“SCOTT”变压器、平衡变压器等。

②牵引变电站采用换相连接，尽量使电力系统平衡运行以减小负序电流。

③合理安排牵引机车的运行方式，使三相负荷平衡以减小负序电流。

④系统中安装滤波器、SVC等设备以吸收谐波、减小负序电流[3]。

3.2 电力铁路走径、牵引变电所落点等固有特点对供电工程的影响

3.2.1 电气化铁路路径方面

牵引变电所都沿铁路走向分布，由于电气化铁路大多路段途经偏远地带；僻远地段交通、经济相对落后，往往此类区域也正是电网薄弱区域甚至是电网覆盖盲区。因此，在电气化铁路外部供电工程中，不可避免地需要新建大量电力线路；同时为满足电气化铁路高可靠性的要求，电铁外部供电电源线路原则上应从电力系统变电站直接出线，因此电力系统需要为电气化铁路供电储备大量的出线间隔；从而必然引起电力系统已有变电站的改扩建。已有电网无法解决的区域，在低电压供电技术本身能满足要求的地方需考虑采用更高等级电压供电或采用大量技术难度大、运行复杂的技术手段。

比如，在太中银电气化铁路从东自吴堡县进入陕西，一路向西到定边县出陕西境，陕西境内全长约300 km。所经地区均处于电网末端，缺乏电源及电网支撑。为满足沿线7座牵引变电所供电，电力系统须建设绥德、靖边和定边3座330 kV变电站；同时需建设110 kV输电线路约500 km，电网总投资约12亿元。仅110 kV线路投资约3亿元[4]。在包西电气化铁路供电工程中张兴庄牵、绥德牵、呼家塔牵、子长牵、北塬牵仍存在上述问题。

3.2.2 电力牵引变电所所址落点对电力系统的影响

大多电力牵引变电所落点都在人口密集、厂房集中、交通发达的火车站附近。从而导致牵引变电所外供电源进出线异常困难；理想的、技术性优越的外部供电方案落实困难。例如包西电气化铁路的闫庄则、子长、蟠龙、延安、甘泉、洛川东共6座牵引变电所，由于牵引变所址所处区域人口密集、厂房集中直接影响架空出线，为此牵引变电所进线段不得不采用电缆，共计采用电缆约14 km，较普通架空线路投资约高6 000万元[5]。不仅如此，而且在采用电缆时，由于受电气化高次谐波影响，电力电缆将产生的集肤效应等不利于电缆安全运行和电缆使用寿命的不良影响[6]。

3.2.3 电力牵引变电所固有技术标准对供电工程系统方案的影响

现已运行、在建以及正在设计的电气化铁路牵引变电所主接线方式均为线路分支接线,电源侧接线简易，严重制约了牵引所之间供电电源侧互联。因此，为保证电力牵引变电所供电可靠性，电气化铁路供电线路连接必须从电网方面解决。比如，电力牵引所要么从系统变电站直出电源、要么为沿线电力牵引所建设单独的开关站，这样一来一方面制约着电气化铁路供电方案的优越性发挥，另一方面造成电网建设投资增大。比如太中银、包西电气化铁路等供电方案中，为满足电气化铁路供电需要，受牵引变电所接线形式限制不但占用了系统大量的出线间隔位置，而且须配套建设数座系统变电站或开关站。尤其在太中银电气化铁路供电工程中：

1）若采用电力牵引变电所固有的线路分支接线，采用系统直出接线方式向牵引变供电，至少须系统12个110 kV出线间隔，须新建约620 km线路，建1座110 kV开关站（或变电站），投资约4.2亿元；

2）同样如果采用系统直出接线方式向牵引变供电，电力牵引变电所不采用固有电气主接线的情况下，较采用固有电气主接线形式，须出线10个110 kV出线间隔，建线路约442 km，也不需要专门建设开关站，投资约2.8亿元。可见，仅通过电力牵引变电所优化完善电气主接线形式，可节省电网建设投资1.4亿元。

3.4 电气化铁路用电与供电工程建设工期差异对供电工程的影响

由于电气化铁路本体工程中，外部供电系统站总体工程比例甚小，往往在本体施工阶段才与电力部门沟通，因此造成供电工程建设被动；加之电网建设前期审批、核准等程序复杂、流程周期长，故而为满足铁路按时供电，直接导致供电工程建设周期短、压力大。

4 结论及建议

1)考虑电力牵引负荷为单相的非线性负荷，由于功率大，分布广，而且三相不对称，在其运行过程中必然会有较大的负序电流和高次谐波注入电网，从而使电能质量受到影响。一方面，作为电力系统应完善网架结构，加大电网容量、提高电网抗负序及谐波能力，合理安排电网运行方式，在保证电力系统安全稳定运行的前提下，可以利用电力系统中所能允许的某些元件如线路、变压器、电抗器的投入或退出来改变系统中负序电流的分配，以达到减少流入监视负序电流的目的。另一方面，铁路设计、运行等部门在电铁设计、运行过程中对运行方式应予以充分重视，无论是在相序安排或是考虑限制电气化铁路的运行方式等多方面进行考虑，保证电网安全稳定运行[7]。

2)有关铁路设计、建设等部门应与供电部门加强沟通，在执行有关电铁标准的同时应充分考虑电力行业有关标准，在规程规范许可范围内适当采用加强型电气主接线形式。

3)有关铁路部门，须对电气化牵引负荷采取有效的谐波管理和抑制措施，尽量减少各次谐波电压含有率及负序电流，并在铁路列车正式投运前提交对谐波及负序治理效果的专题测试报告。

4）随着电铁运输量的不断增大，电铁牵引站引起的负序电流分量仍可能会相应增大。因此，为保证发电机组的安全运行，必须在发电机组的入口处加强对负序电流的监测和保护。对机车注入电网的负序、谐波电流及高次谐波电压含量进行监视。

5）建议供电部门在保证电气化铁路安全供电的同时，在供电质量、报装容量与实际运行差异性方面采取相应的考核措施。

[1] 李晓婷，孙红丽.陕西境内电气化铁路供电工程调研报告[R].西安：陕西省电力设计院，2009.

[2]张车正，姚金雄，杨柳.“十二五”陕西电气化铁路供电规划研究[J].陕西电力,2009，37（11）:37-40.

[3] 徐政,郑翔.SVC抑制SSR的机理及控制器设计[J].南方电网技术,2010（3）:57-61.

[4] 姚金雄.太中银电气化铁路（陕西段）供电方案研究[R].西安：陕西省电力设计院，2007.

[5] 张超.包西电气化铁路（陕西段）供电方案研究[R].西安：陕西省电力设计院，2009.

[6] 王星,尚涛,黄贤球,等.海南联网海底电缆护套绝缘监测方法[J].南方电网技术,2009,3（1）:62-65.

[7]姚金雄.“十二五”陕西境内电气化铁路供电工程规划专题[R].西安：陕西省电力设计院，2009.