高速电气化铁路对电网运行影响的测试

周水金　翟严

电气化铁路具有速度快、运输能力强、供电距离长、节约能源与造价、牵引性能好等优点，因而具有广阔的发展前景，是世界以及我国铁路发展的方向，广泛地应用于铁路运输之中。2010年全国铁路营业里程达到90000公里以上，复线、电气化率均达到45%以上。根据国务院批准的《中长期铁路网规划》，到2020年，我国铁路总里程将达到10000公里，其中电气化50000公里，主要干线铁路将实现电气化。铁路电气化率约为50%，承担80%以上的运量。其中，将建成以京沪、京广、京哈、沪涌深及徐兰、杭长、青太及沪汉蓉“四纵四横”客运专线（高速铁路）12000公里，客货混跑快速线路20000公里，形成我国铁路快速客运网。

一、高铁对电网运行存在较大影响

我国采用的单相工频交流牵引是当今世界比较先进也是应用比较广泛的铁路电力牵引制式。但是，自其出现以来，就存在着一些电能质量问题。负序功率、谐波含量丰富、功率因数低是电气化铁道的三个主要特征。而牵引负荷的剧烈波动则使问题进一步复杂严重。

江苏铁路规划表明，未来将有多条高铁线路运行。目前电网缺少高铁运行方面的经验，本文将为电网规划和调度运行提供参考依据，为保护提供优化配置方案，提出高铁的治理合理措施。

二、国内外研究水平综述

自1964年10月1日日本建成开通世界上第一条高速铁路以来，经过几十年的实践和发展，各国高速铁路的牵引供电系统都有了很大的改进，达到了很高的水平，而且都各具特色。最具有代表性的是日本、法国和德国高速铁路的牵引供电系统。

1.牵引供电方式。高速铁路要求接触网受流质量高，分段和分相点数量少。目前各国大多采用自耦变压器（AT）供电方式和带回线的直接（RT）供电方式。日本、法国采用AT供电方式；德国及以德国高速铁路为技术原型建设高速铁路的国家多采用RT供电方式。AT供电方式的优点是：供电质量高、变电所数量少、便于牵引变电所选址和电力部门的配合、牵引变电所间距大、分相点少。因此，便于高速列车运行，防干扰效果也好。

2.电源电压等级。由于牵引负荷为单相系统，随着高速铁路负荷电流的增大，对电力系统的不平衡影响也越来越大。为了减少对电力系统的影响，高速铁路一般都采用较高的电源电压。日本采用154kV、220kV和275kV三种电压等级、德国采用110kV电压等级、意大利采用150kV电压等级、西班牙采用220kV和400kV两种电压等级、韩国采用154kV。

3.接触网电压。接触网的电压对电力机车功率发挥及机车运行速度有很大影响，而且直接关系到牵引供电设备技术参数的选定和供电系统的工程投资，各国都非常重视这一技术标准。日本接触网的标称电压为25kV，最高电压为30kV，最低电压为22.5kV。欧洲标准规定（EN50163）：接触网额定电压为25kV，最高长期电压为27.5kV，最高瞬时电压为29kV（smin），最低设计长期工作电压为19kV。

4.牵引变压器接线型式。牵引变压器是牵引供电系统中最重要的设备。它对牵引供电系统和工程投资起决定性的影响，不同类型的牵引变压器对电力系统产生不同的不平衡影响。

日本采用斯科特接线和变形伍德桥接线三相变压器。法国、德国、意大利和西班牙采用单相变压器。单相变压器的优点是变压器容量利用率高、经济效果好，并能有效减少分相点的数量，最适合在高速铁路上应用。国内高铁目前主要采用三相V/V（V/X）变压器。

高铁的固有两相供电存在较大的负序电流问题，需要从电能质量、保护等方面进行评估。

目前，国外学者对高速铁路做了较为深入的研究。文献指出，由于现代高速铁路牵引供电系统（TPS）的容量需求越来越大，动态负荷评估方法已经不仅仅是牵引供电系统规划的重要工具，也是评估牵引系统的不平衡特性对电网影响的一个工具。如果没有一个优良的动态负荷评估算法，不平衡的影响很容易被低估，导致电力系统不稳定。一个好的动态负荷评估方法实施必须以电力工程的角度出发，同时结合实际的铁路运行原则和方法。文章提出了一种准确的动态负荷评估算法实现这些目标，这种算法能满足所有的原则和参数要求。文献介绍了一种系统评估高速铁路对电网影响的方法。文章指出，大功率的牵引负荷将导致系统电压和电流的不平衡，由此引起的旋转电机发热，系统损耗增加，对邻近通信系统的干扰，并导致继电保护装置和测量仪器出现故障。其中有些问题可能严重影响电力系统和其他与之相连设备的正常运行。因此，该方法是面向系统运行分析，而不是系统规划分析。文獻对即将运行的台湾高铁对台湾电力系统的影响进行了深入研究。运用一种新开发的三相牛顿最优潮流法作为分析工具，对电压不平衡率，高速铁路供电电压及静态电压稳定性问题进行了研究。研究发现，台湾电力系统在有单相高速机车负荷接人的情况下，仍保持了良好的特性。文献分析了在机车负荷情况下为高铁线路供电的电力系统的动态特性。文献说明了靠三相电力系统供电的高速铁路负荷，在电力系统中是一个重要的不平衡扰动源。电压和电流不平衡度取决于机车的型号，负载模型和电力系统结构。文章提出了一种分辨电压不平衡值超过标准限值脆弱区域的方法和一种在高速铁路规划和设计期间评估其对电力系统造成电压不平衡度的方法。

三、理论和实践依据

通过普速电气化铁路的研究分析和对已投运高铁的测试，牵引负荷对电网的影响主要表现：

1.负序电流对电力系统的影响。由于牵引站两相供电的特点，电气化铁路存在负序不平衡等问题，尤其是高速列车由于速度很高，列车运行时空气阻力明显增大，牵引功率和能耗相应增加。与普通交直型电力机车相比，高速列车需要的牵引功率大幅增加，注入电力系统的负序电流显著增大。同时，高速列车负载率高，受电时间长，高速电气化铁路的负序电流具有持续时间长的特征。由于高速列车牵引功率大的特点，高速铁路将给沿线的电力系统带来严重的负序问题。

负序电流对同步发电机影响最大的是转子的附加损耗与发热，其次是附加振动。对于异步电动机来说，负序电压产生负序电流和逆转的电磁转矩。负序电压对异步电动机的运行是十分不利的，较小的负序电压加到异步电动机上将会引起较大的负序电流及负序逆转电磁转矩，直接影响异步电动机的效率和安全可靠运行；负序电流造成电力系统三相电流不对称，因而系统中的三相变压器有一相电流最大而不能有效发挥变压器的额定出力（即变压器容量利用率下降）。

随着高速机车中的变压器容量增大，在过分区停及启动时，将会产生更大的励磁涌流，系统的保护将承受更大的冲击，会产生比较大的影响，需要对相关接人站的保护进行分析。

2.谐波电流对电力系统的影响。高速交流动车组采用交直交传动方式。该种传动方式产生的谐波总量相对较小，但谐波频谱宽，高次谐波电流成分高。谐波导致电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率；引起发电机产生机械振动、噪声和过电压；可能造成电容、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短、以致损坏；干扰继电保护和自动装置，引起保护误动作，影响系统安全稳定运行；造成电气测量仪器计量精度下降。

在谐波频率下，系统中各个元件对地和相间分布电容存在，使得电力系统中构成了一个复杂的由电容、电抗、电阻组成的网络，加上系统本来存在的补偿电容器等大电容元件和电磁式电压互感器、变压器等非线性磁性元件的相互作用，会在系统的局部存在谐波振荡或对谐波敏感的点，因此高铁负荷注入系统的谐波可能引起谐振或者谐波放大。

3.对电力系统的其他影响。电气化铁路是典型的冲击型负载，所引起的电压波动非常大。电压波动的范围与供电系统的容量、网络参数、负载容量等相关。如果220kV牵引变电站在公共连接点有其它负荷，则这些负荷会受到电压波动的影响。由于电气化铁路牵引站主要是牵引负荷，在这种情况下，电气化铁路牵引系统自身就是電压波动的最大受害者。

功率因数低、负序功率大、谐波含量丰富是电气化铁道的三个主要特征。一方面高速铁路牵引负荷的大大增加以及负荷本身的大幅波动使问题进一步复杂，影响程度进一步加大。电气化铁路产生的负序、谐波、冲击恶化了电网电能质量，降低了电网供电的安全可靠性。另一方面随着高新技术产业的发展，设备自动化水平的提高，用户对电能质量提出了比传统的机电产品更新更高的要求，由于电压暂降、谐波等电能质量问题使产品质量下降甚至导致生产过程中断，造成巨大的经济损失。