德大电气化铁路接入对山东电网电能质量的影响

董云先，张青青，张高峰，王庆玉

（1.华电国际莱城发电厂，山东 莱城 271100；2.山东电力集团公司电力科学研究院，山东 济南 250002）

0 引言

随着电气化铁路的飞速发展，极大提高了铁路运力，但对于电力系统，电气化铁路牵引负荷是一种特殊的流动性负荷。我国电气化铁路采用工频单相交流制，电气化铁路牵引系统主要包括供电系统和牵引系统。其中，供电系统，我国电气化铁路均由电力系统以220 kV或110 kV电压供电；牵引系统，由牵引站、供电线及接触网等部分组成。电力机车从接触网得到27.5 kV单相工频交流电，经机车内部的整流设备整流成直流供给牵引电动机［1］。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，牵引负荷所产生的较大负序分量和谐波分量，对电力系统其它用户及发电机产生危害。

1 德大电气化铁路工程概况

德大电气化铁路为德龙烟铁路其中的一段，德龙烟铁路起自山东省德州市德城区黄河涯镇，经过潍坊市大家洼、龙口市，止于烟台市，被称为山东第二条“胶济铁路”，由德大（拟建）、大莱龙（建成）、龙烟（在建）铁路共同组成。

德大电气化铁路工程新建陵县、商河、阳信、洛王、东营南、东宅科 6座牵引变电所，外部电源均采用山东省电网110 kV电压等级供电。电网供电站分别为 220 kV杨治站、龙门站、商河站、乐陵站、阳信站、双庙站、滨北站、利津站、丁庄站、史口站、北海站、丰台站。新建6个直供牵引变电所设两回独立110 kV进线源，进线侧采用线路变压器接线，进线隔离开关的线路侧设置手动接地刀闸，牵引变压器采用V/v结线变压器，固定备用方式，一主一备，互为备用。

表1 德大电气化铁路主要技术标准

2 V/v联结牵引变压器建模

V/v结线牵引变压器原理和相量关系如图1所示。

图1 V/v结线牵引变压器原理和相量关系图

V/v结线牵引变压器一次、二次侧电流关系［1］：

式中，K为牵引变压器的变压比。

3 ETAP建模及仿真分析

Electrical Transient Analyzer Program简称ETAP，是功能全面的综合型电力及电气分析计算软件。通过收集德大电气化铁路供电电网资料，并分析德大电气化铁路的负荷特点，运用ETAP搭建仿真模型，对德大电气化铁路接入山东电网将引起的电能质量问题进行仿真计算分析。

3.1 牵引站注入系统的谐波电流

当公共连接点的短路容量不同于基准容量时，公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（均方根值）允许值［2］

式中：Sk1为公共连接点的最小短路容量，MVA；Sk2为基准短路容量，MVA；Ihp为第h次谐波电流允许值，A；Ih为短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值，A。

按国标 GB/T14549-93《电能质量—公用电网谐波》附录C的要求，在公共连接点处的第i个用户的第h次谐波电流允许值还需按式（3）进行换算：

式中：Ih为上述短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值，A；Si为第 个用户的用电协议容量，MVA；St为公共连接点的供电设备容量，MVA；坠为相位叠加系数［2］。

根据式（2）及式（3），计算牵引机车注入电力系统公共连接点的3、5、7次谐波电流允许值如表2所示。

表2 牵引站注入系统的谐波电流允许值 A

根据铁路部门提供的资料，分析牵引负荷特点后计算得出牵引站注入系统的各次谐波电流如表3所示。

表3 牵引站注入系统的谐波电流值 A

对比表 2及表 3可知，德大电气化铁路接入引起电力系统公共连接点3、5、7次谐波电流均严重超标。

3.2 牵引站接入引起的公共连接点电压畸变

在分析牵引负荷引起的电能质量问题时，首先应了解牵引站所接入的附近电网的公共连接点母线背景电能质量情况。为此，对供电变电站110 kV母线以及各站重要进线电能质量情况进行了长时间连续测试。谐波、三相电压不平衡度的测量结果采用 95%概率值，并选取三相总谐波畸变率最大值相作为总谐波畸变率，得出谐波和不平衡度背景数据。

建立谐波网络仿真模型，对牵引站引起供电变电站母线的谐波电压进行仿真计算。计算中考虑各牵引站供电方式 （供电变电站为一主一备方式给牵引变电站供电，对供电变电站进行排列组合），在不同供电方式下注入根据机车谐波电流含有率计算出的机车 3～7次谐波电流，得到相应公共连接点的各次谐波电压含有率及总谐波畸变率。在不考虑背景谐波情况下，各供电变电站母线（110 kV）总谐波畸变率最大时的各次谐波含有率及相应的总谐波电压畸变率（THD）如表4所示。

表4 不考虑背景谐波时牵引站接入供电变电站母线谐波电压及总谐波畸变率 %

考虑背景谐波后，各牵引站接入电网后，牵引站供电站母线各次谐波电压畸变率及总谐波电压畸变率见表 5［3］。

表5 考虑背景谐波时牵引站接入供电变电站母线谐波电压及总谐波畸变率 %

根据表 4所示，不考虑背景谐波时，因牵引站接入注入系统的谐波电流引起的各次谐波电压畸变较大，其中杨治站 7次谐波电压含有率超过国标奇次谐波电压畸变率 1.6%限值要求，同时杨治、龙门、商河、乐陵、利津、史口、北海站谐波电压总畸变率超过国标 2%限值要求；根据表5所示，考虑背景谐波后，除上述谐波电压超标外，商河站5次谐波电压含有率超过国标奇次谐波电压畸变率 1.6% 限值要求，阳信站、双庙站、丁庄站谐波电压总畸变率超过国标 2% 限值要求［2］。

3.3 牵引站接入引起的公共连接点三相电压不平衡度

在进行负序计算时，首先根据发电机、变压器、线路等元件参数建立系统等值负序网络，得到注入系统各母线的基波负序电流和母线负序电压。

牵引站注入系统的负序电流的取值跟牵引变压器的接线方式和牵引供电臂的负荷电流有关，牵引变压器的接线方式为V/v接线，两臂电流取值考虑4种方式。

方式一，重馈线取 95% 概率最大电流值，轻馈线电流为 0；

方式二，重馈线取 95% 概率最大电流值，轻馈线电流为95%概率最大电流值的50%；

方式三，重馈线取 95% 概率最大电流值，轻馈线电流为95%概率最大电流值的75%；

方式四，重馈线取 95% 概率最大电流值，轻馈线为95%概率最大电流值；

在 V/v变压器接线时，供电臂电流的四种取值方式下，应用 ETAP仿真得到各公共连接点正序电压、负序电压及三相电压不平衡度，计算结果如表 6所示。考虑各供电站公共连接点背景三相不平衡后，得到德大电气化铁路接入后各公共连接点母线三相电压不平衡度见表 7。

表6 不考虑背景下各公共连接点母线三相电压不平衡度结果 %

表7 考虑背景下各公共连接点母线三相电压不平衡度结果 %

分析表 6及表 7可知，陵县牵引站接入引起公共连接点母线（杨治 110 kV、龙门110 kV）三相电压不平衡度超过国标规定的接于系统公共连接点的每个用户引起该点三相电压不平衡度不超过1.3% 的限值要求［4］，其余牵引站接入引起的公共连接点三相电压不平衡度虽未超标，但数值较大。

4 结语

通过仿真计算得知德大电气化铁路负荷注入电网的3、5、7次谐波电流均超标。不考虑背景谐波时，因牵引站接入注入系统的谐波电流引起杨治站7次谐波电压含有率超过国标奇次谐波电压畸变率 1.6% 限值要求，同时杨治、龙门、商河、乐陵、利津、史口、北海站谐波电压总畸变率超过国标2%限值要求。考虑背景谐波后，除上述谐波电压超标外，商河站 5次谐波电压含有率超过国标奇次谐波电压畸变率 1.6%限值要求，阳信站、双庙站、丁庄等站谐波电压总畸变率超过国标2%限值要求。陵县牵引站接入引起公共连接点母线（杨治 110 kV、龙门110 kV）三相电压不平衡度超过国标规定的接于系统公共连接点的每个用户引起该点三相电压不平衡度不超过 1.3%的限值要求。

［1］谭秀炳.交流电气化铁道牵引供电系统［M］.成都：西南交通大学出版社，2009.

［2］GB/T 14549-1993电能质量 公用电网谐波［S］.

［3］刘勇，段晓波.电气化铁路V/v牵引变压器接入系统谐波评估［J］.河北电力技术， 2007，26（5）： 21-23.

［4］GB/T 15543-2008电能质量 三相电压不平衡［S］.