电气化铁路对山东电网电能质量影响

刘祥国，王庆玉

(1.济宁供电公司，山东 济宁 272000；2.山东电力科学研究院，山东 济南 250002)

0 引言

电气化铁路，是电力机车通行的铁路，是一种现代化的铁路运输工具。 牵引动力是电力机车，由架设在铁路上方的接触网向电力机车直接输送电能。与内燃、蒸汽机车牵引的铁路相比，电气化铁路具有运输能力大、行驶速度快、消耗能源少、运营成本低、工作条件好等优点，对运量大的干线铁路和具有陡坡、长大隧道的山区干线铁路实现电气化，在技术上、经济上均有明显的优越性，铁路电气化、高速化是大势所趋。

从2006年胶济铁路电气化改造至今，山东境内目前运行的有胶济线、京沪线、京九线、新菏兖日线、京沪高铁等多条电气化铁路。

1 电气化铁路的供电特点

我国电气化铁路均由电力系统以220 kV或110 kV电压供电。电力机车牵引负荷为一类负荷，供电可靠性要求高，故电气化铁路牵引站设置两台牵引变压器(220/27.5 kV或110/27.5 kV)，并由电力系统提供两组相对独立的供电电源(两个不同的变电站或同一变电站的两段母线)。 牵引站接线方式为线路变压器组接线，正常运行为一主一备。

电力机车从接触网得到27.5 kV单相工频交流电，经机车内部的设备相应处理后供给牵引电动机。因此，牵引负荷为单相整流负荷，是一种呈随机特性、不对称的非线性负荷，功率大、波动性大、分布广泛，对电力系统的安全经济运行影响较大。

2 电气化铁路对电网的危害

电气化铁路牵引动力来自电力机车，单相分段半控桥变流方式或单相全波不控变流方式，机车运行过程中，具有严重的非线性，向电力系统注入大量的谐波电流，成为电力系统中最大的谐波源；电力机车为单相负荷，具有严重的不对称性，向电力系统注入了大量的负序电流；开停频繁，有功冲击大，造成电力系统电压波动和闪变。其中对电网影响最为严重的是谐波和负序电流［1-2］。

2.1 谐波危害

谐波注入电力系统后，使变电站的变压器噪音增大，含烃量增高，局部过热，介损和温升增大，增加变压器的涡流损耗和铁芯损耗。

谐波会引起无功补偿设备、高压电缆、PT、CT等一次设备局部过热，介损和温升增大，严重影响到这些一次设备的使用寿命。

不对称的3次谐波可能使部分站内配置5%(6%)电抗率的无功补偿设备发生串联谐振，使无功补偿装置电容器组产生谐振过电压，导致无功补偿设备损毁，甚至爆炸。

对通信系统产生电磁干扰，使电信质量下降。另外，在谐波的影响下，电能计量将出现测量误差［3］。

2.2 负序电流的危害

负序电流对电气设备的影响主要是热累积效应。系统中的发电机和电动机，由于一般在满载或接近满载的情况下运行，其热容量没有余地或余地很小，额外的电流会带来额外的温升和附加损耗，容易使电机过热而缩短绝缘寿命，并引起机组振动；因此，发电机承受负序电流有一定的限制(见GB755-2008《旋转电机 定额和性能》)。

不平衡的负序电流会引起电网继电保护负序元件频繁启动，以负序电流滤序器(单相式及三相式)为起动元件的继电保护及自动装置，都会连续引起误动作，同时也干扰其他保护的正常运行。电力机车的冲击电流(启动、涌流)也会引起电网继电保护电流突变量启动元件频繁启动［4］。

负序电流对计量表计的准确度也会有一定影响，间接影响电网运行安全性和经济性。

3 电气化铁路对山东电网电能质量的影响

3.1 普通速度电气化铁路对电网电能质量的影响

表1为新菏兖日电气化铁路投运前后，为其供电的某变电站110 kV母线电压谐波含有率、总畸变率及三相不平衡度对比。

表1 110 kV母线电压各次谐波含有率、总畸变率及三相不平衡率 %

6 0.01 0.01 0.01 0.046 0.035 0.04 0.8 7 0.47 0.44 0.47 1.205 1.136 1.167 1.6 8 0.01 0.01 0.01 0.072 0.062 0.07 0.8 9 0.02 0.04 0.02 0.242 0.166 0.233 1.6 10 0.01 0.01 0.01 0.053 0.047 0.045 0.8 11 0.14 0.14 0.14 0.528 0.511 0.536 1.6 12 0.01 0.01 0.01 0.033 0.024 0.028 0.8 13 0.06 0.05 0.06 0.269 0.224 0.272 1.6 14 0.01 0.01 0.01 0.035 0.023 0.029 0.8 15 0.02 0.02 0.02 0.216 0.131 0.196 1.6 16 0.02 0.02 0.02 0.041 0.027 0.033 0.8 17 0.07 0.08 0.09 0.265 0.166 0.229 1.6 18 0.03 0.03 0.03 0.047 0.026 0.037 0.8 19 0.09 0.08 0.07 0.303 0.184 0.265 1.6 20 0.04 0.04 0.04 0.054 0.03 0.043 0.8 21 0.05 0.04 0.05 0.299 0.195 0.292 1.6 22 0.03 0.02 0.03 0.059 0.033 0.048 0.8 23 0.12 0.12 0.13 0.402 0.3 0.36 1.6 24 0.01 0.01 0.01 0.066 0.039 0.053 0.8 25 0.11 0.10 0.10 0.335 0.308 0.355 1.6总畸变率 0.92 0.88 0.93 1.824 1.565 1.767 2三相不平衡度 0.30 0.742 2

图1 普速电气化铁路谐波电流频谱图

3.2 高速电气化铁路对电网电能质量的影响

表2为京沪高铁投运前后，为其供电的某变电站220 kV母线电压谐波含有率、总畸变率及三相不平衡度对比。

表2 110 kV母线电压谐波含有率、总畸变率及三相不平衡率 %

图2 高速电气化铁路谐波电流频谱图

由于京沪高铁采用了交—直—交型电力机车，谐波的频带被扩大，覆盖了从低次到高次很大范围。谐波频谱已超出现有国家谐波标准的范围(现有国标只规定至25次)。

图3 电流不平衡度趋势图

高铁单相负载特性没有发生改变，图3为京沪高铁某牵引站电流不平衡度变化曲线，由此可见，高铁负序问题依然严重，且接入电压等级越高，负序的影响范围越大。

高铁均以220 kV电压等级接入电网，因接入点电压等级的提高，接入点短路容量较110 kV接入点大大增加，减小了对电网的影响；与普速电铁相比，高铁谐波电流总有效值大幅度下降，但低次谐波依然存在，并占据一定比重。

4 结语

由测试数据发现，山东境内电气化铁路对山东电网电能质量的影响较大，其中某些变电站的电能质量已经超标或接近超标，对电网的安全稳定运行带来了一定的危害。 随着蓝烟线(蓝村—烟台)、胶新线(胶州—江苏新沂)、邯济线(邯郸—济南)、石家庄—济南客运专线、青岛—荣成城际铁路、山西瓦塘—日照等电气化铁路的逐渐投运，山东境内的电气化铁路越来越多，电能质量问题也将越来越严峻，应当引起各方面的重视。