电气化铁路负荷的集中接入对接入点电压的影响分析

胡仁祥，王斌，王福华，张燕

(吐鲁番电业局，新疆维吾尔自治区吐鲁番市，838000)

0 引言

为了贯彻国家能源政策和环保要求，加强节能减排和生态环境保护，改善铁路沿线的环境质量，加快资源节约型、环境友好型交通运输体系建设，新疆电网电气化铁路进入了飞速发展时期，出现了220kV电压等级的电气化铁路负荷集中接入现象。

由于电力机车负荷［1-2］是一种急剧变化、随机性强的负荷，电力牵引负荷波动范围大。若电气化铁路集中接入，将引起接入点的电压巨大的波动，严重影响电网的电压质量。

本文以新疆吐鲁番电网220kV小草湖变电站集中接入2个220kV牵引变电站为例，运用电力系统分析综合程序(PSASP 6.28)仿真分析机车的同时驶入对小草湖变电站220kV母线电压波动的影响情况，并针对此情况仿真论证了加装SVC的解决措施。

1 电气化铁路供电系统

1.1 牵引供电系统组成

牵引供电系统［2］如图1所示，主要由牵引变电所、分区亭及牵引电网组成。牵引网额定电压为单相25kV，最高运行电压为27.5kV。牵引变电所高压侧一般接于110或220kV电力系统，其主变压器低压侧一相接地，另外两相为两侧单相供电臂的电源。为了减轻高压侧三相不平衡度，铁路全线所有牵引变电所主变压器低压侧轮换接地，牵引供电系统2个牵引变电所之间的供电臂在中间设立分区亭，正常情况下断开运行，事故情况下合闸后可以作为2个变电所的相互备用电源。由于220kV系统的短路容量大于110kV系统，接入高电压等级时，电铁冲击负荷对接入点的电压影响要小于接入低电压等级［3］。

图1 典型牵引供电系统Fig.1 Typical traction power supply system

1.2 电铁负荷对系统无功的需求

在电力机车进入牵引变电站的供电范围之前，变电站基本处于空载状态;当电力机车进入牵引变电站的供电臂时，需要变电站立刻提供与电力机车相匹配的有功和无功功率;而电力机车离开变电站的供电范围时，变电站又要迅速进入空载状态［4-6］。典型的电气化铁路牵引变电站的无功功率变化波形如图2所示，可看出电铁负荷的无功功率表现为明显的阶梯状态。

图2 典型电气化铁路牵引变电站无功功率波形Fig.2 Reactive power waveform of typical traction station of electrical railway

2 SVC无功动态补偿原理

系统、负荷和补偿器的单相等效电路如图3所示［7］。图3中U1为无功功率等于0时的系统线电压;U2为系统工作线电压;R和X为系统电阻和电抗。设负荷变化很小，ΔU远小于U2，其中ΔU=U1－U2。

图3 单相电路无功补偿Fig.3 Reactive power compensation of single-phase circuit

投入SVC无功补偿装置之后，系统供给的无功功率为负载和补偿装置提供的无功功率之和，即

式中:QL为负载无功功率;Qc为补偿装置的无功功率。

QL变化时，若Qc总能够弥补QL的变化，从而使Q维持不变，即ΔQ=0，则ΔU也将为0，使工作电压U2保持恒定。

3 仿真分析

吐鲁番地区天山和吐鲁番牵引变电站均为220kV电压等级，接入220kV小草湖变电站，接线如图4所示。

图4 牵引变电站集中接入示意图Fig.4 Schematic diagram of centralized access of traction station

运用电力系统分析综合程序(PSASP 6.28)仿真分析机车的同时驶入对小草湖变电站220kV母线电压波动的影响情况，天山和吐鲁番牵引变电站有功负荷从0变化到最大负荷(90MW)时的无功负荷冲击仿真波形如图5所示，牵引冲击负荷对接入点电压的影响如图6所示。

从图6可以看出，接入点小草湖220kV母线电压随牵引负荷发生变化，负荷无功功率为正时接入点电压下降，无功负荷越大，电压下降的幅度也越大;负荷无功为负时，即向系统提供无功功率，接入点电压下降，若此无功功率等于线路传输功率消耗的无功功率时，接入点电压将不会下降，表现为从最低电压上升到正常水平，波动较大。这种因无功负荷的波动而引起接入点电压的波动，将对电网的安全稳定运行产生较大影响。

从图6还可以看出，220kV天山和吐鲁番牵引变电站同时运行时，对系统的电压冲击较大。接入点母线波动最大接近19.9kV，波动幅度为8.57%，且电压恢复的过程较缓慢。

由以上分析可知，电气化铁路负荷的接入将对电网无功功率控制产生较大影响。

4 改善措施

(1)提高接入点正常运行电压。将小草湖变电站220kV母线运行电压适当提高，但必须在电压合格范围内，即不超过电压上限242kV。本文将接入点电压从232.3kV提高到241.2kV。接入点电压变化时，牵引冲击负荷对接入点电压的影响如图7所示，此时电压波动情况见表1。

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从图7和表1可以看出，当接入运行电压提高后，受到同样的牵引负荷冲击时，运行电压较高时的电压波动幅度仅为6.35%，比运行电压低时的电压波动幅度小2.22%。

可见，适当地提高接入的运行电压，承受牵引负荷的冲击能力可以得到提高。

(2)加装SVC动态无功补偿。本文还考虑了在天山和吐鲁番牵引变电站同时加装SVC，来改善冲击负荷对接入的电压影响。接入点有无SVC时的电压变化情况如图8所示，此时电压波动情况见表2。

从图8和表2可以看出，有无SVC对接入点的电压影响非常大，加装SVC后电压仅下降6.7kV，波动幅度比没有SVC时小5.69%，对接入点的电压改善取得了很好的效果。

可见，牵引变电站加装SVC后承受牵引负荷的冲击能力得到明显提高。

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5 结语

通过对电气化铁路负荷集中接入时接入点电压变化情况的仿真分析，指出了电铁冲击负荷中无功负荷的波动，造成接入点电压的波动，对电网的安全稳定运行产生了较大影响。

针对上述现象，本文提出了提高接入点正常运行电压和加装SVC这2种措施，显著提高了接入点承受电铁冲击负荷的能力，有效降低了接入点电压的波动幅度。

［1］铁路部电气化工程局电气化勘测设计院.电气化铁路设计手册:牵引供电系统［M］.北京:中国铁路出版社，1988.

［2］韩柳，谈顺涛.电气化铁路对电网的影响及对策［J］.江苏电机工程，2005(3):8-11.

［3］张小瑜，吴俊勇.电气化铁路接入电力系统的电压等级问题［J］.电网技术，2007，31(7):12-17.

［4］卢志海，厉吉文，周剑.电气化铁路对电力系统的影响［J］.继电器，2004，32(11):33-36.

［5］贺建闽，黄治清.电压质量问题分析［J］.电气化铁道，2002(3):1-4.

［6］中国电力科学研究院.电气化铁路供电接入电压等级及谐波治理问题的研究报告［R］.北京:中国电力科学研究院，2006.

［7］刘凡，杨洪耕，叶茂清.静止无功补偿器对提高电铁电压稳定水平的研究［J］.继电器，2003，31(5):30-32.