高速铁路车-网电气耦合匹配特性研究

冯庆鹏，王越，刘思阳，朱远帆，陈民武

（1. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000；2. 西南交通大学，四川 成都 610031）

0 引言

当前我国轨道交通行业高速发展，根据《中长期铁路网规划》，到2025年高速铁路规模将达到38 000 km左右[1]。高速铁路在推广采用自耦变压器（AT）牵引供电方式的同时，大量新型大功率交-直-交型动车组上线运行[2-3]，现场出现了各类“车-网”耦合匹配问题，例如，牵引网电压波动导致车载主变流器过流保护启动、谐波电流注入引起辅助变流器直流侧过压故障、高次谐波谐振造成地面和车载电气设备异常等一系列供用电品质相关问题[4-5]。为保障高速铁路安全、高质和高效运营，需要对典型区段牵引供电系统-动车组群电气耦合匹配特性开展综合测试与评估。

以某高铁线路为例，采用专业电能质量监测设备，对典型区段牵引变电所、AT所和分区所以及在线运行动车组开展供电品质综合测试，定量评估车-网电气耦合系统匹配关系，给出主要参数的分布特性与变化规律，阐明影响供用电品质的主要因素，并提出相关优化建议。

1 车-网耦合系统供用电品质测试方法

对牵引变电所、AT所和分区所高压侧电压、馈线侧电压、馈线侧谐波以及馈线侧功率因数进行测量，测试点布置示意见图1（▲为测点位置）。同时，对动车组用电特性进行测试，测试布置示意见图2。

高速同步数据采集系统放置在车厢内，电压和电流测试用电脑由车载电源供电。测试设备带抗混叠滤波器的输入回路含有采样/保持单元的A/D转换器，同时测试窗口宽度为10个周期，满足GB/T 17626.7—2008[6]标准的要求。

此外，测试设备应进行可靠固定，防止动车组运行中甩脱或振坏。测试时动车组处于正常状态，实时记录动车组过分相前后网压、牵引变压器原边电流等。

2 电能质量相关标准及计算方法

2.1 供电电压偏差

图1 牵引供电系统测试点布置示意图

图2 动车组测试布置示意图

国家标准GB/T 12325—2008《电能质量：供电电压允许偏值》[7]规定：35 kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%。如供电电压上下偏差同号（均为正或负）时，按较大的偏差绝对值为衡量依据。电压偏差的计算方式如下：

铁路行业标准TB 10009—2016《铁路电力牵引供电设计规范》[8]规定：对牵引变压器27.5 kV侧母线电压，认定其母线电压大于29 kV或者小于20 kV为不合格电压，牵引网的最高电压为29 kV，最低电压为20 kV。因此，对牵引变压器27.5 kV侧母线电压，认定其母线电压大于29 kV或者小于20 kV为不合格的电压。基于时间的电压不合格率（%）=（＞29 kV概率）%+（＜20 kV概率）%。

2.2 谐波畸变率及等效干扰电流

GB/Z 17625.4—2000《电磁兼容 限值 中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估》[9]规定：总谐波电压综合畸变率THDU计算方式如下：

式中：UH为总谐波电压含量；Uh为第h次谐波电压；h为谐波次数；U1为基波电压。

在此对动车组等效干扰电流JP进行计算与分析，具体计算方式如下[10]：

式中：IW为机车全电流；Sn为杂音评价系数；I2n为第2n次谐波电流；N为机车牵引电机台数；Id为1台牵引电机的持续电流；KB为变压器的变比。

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为了对牵引变电所、AT所和分区所的谐波特征进行全面分析，分别统计各所50次以内的谐波含量，并通过录波数据分析机车在供电区间内运行时各所测得的频谱特性。

2.3 功率因数

《功率因数调整电费办法》规定：功率因数考核指标为0.90。依据TB/T 2517—1995《电力机车功率因数和谐波的测试方法》[11]中给出的方法计算功率因数，其计算公式如下：

式中：P为有功功率；Q为无功功率；在此通过录波数据计算机车在供电区间内运行时牵引变电所的功率因数，U为基波电压、I为基波电流。

3 所内测试数据分析

本次测试选取某高铁线路中的1个供电区间，分别对其中的牵引变电所、AT所和分区所进行测试，评估其供电能力。牵引变电所外部电源电压等级为220 kV。

3.1 进线侧数据分析

在某一典型时间段内，对牵引变电所一次侧A、B以及AB相电压信号进行连续的实时测量，并将上述电压信号绘制成电压波形信号（见图3—图5）。从10：32：32开始，动车组进入供电区间。当动车组驶入后，A相、B相、AB相电压出现明显跌落，其中A相最低电压为130.4 kV，B相最低电压为127.8 kV，AB相最低电压为222.1 kV，均满足标准限值要求，供电质量良好。

图3 牵引变电所进线侧A相电压变化

图4 牵引变电所进线侧B相电压变化

图5 牵引变电所进线侧AB相电压变化

3.2 馈线侧数据分析

3.2.1 网压分布特性分析

在某一典型时间段内，分别对牵引变电所馈线侧、AT所和分区所母线的电压信号进行连续的实时测量，其录波数据见图6—图8。从10：32：32开始，动车组进入供电区间。当动车组驶入后，牵引变电所、AT所和分区所母线电压均出现跌落，持续时间为8 s。其中牵引变电所最低电压为21.64 kV，AT所最低电压为20.62 kV，分区所最低电压为19.70 kV，牵引变电所与AT所母线电压满足标准TB 10009—2005中规定的最低电压要求，但分区所母线电压存在低于标准规定的情况。

图6 牵引变电所馈线侧母线电压

图7 AT所母线电压

图8 分区所母线电压

为了评估车-网耦合系统谐波传递特性，当动车组运行至上述供电区间时，得到牵引变电所、AT所和分区所的母线谐波电压频谱（见图9—图11）。牵引变电所和分区所处高次谐波含量较为突出，其中，牵引变电所的总谐波畸变率THDU=2.99%，AT所的总谐波畸变率THDU=1.81%，分区所的总谐波畸变率THDU=3.27%。整体来看,该供电区段未出现谐波谐振现象。

3.2.3 负荷过程分布特性分析

牵引变电所典型时间段的负荷过程和功率因数分布见图12—图14。牵引负荷波动性和冲击性突出，但功率因数基本稳定在1.0左右。在动车组驶入该供电区段时，由于再生制动，功率因数降低至接近-1.0。同时，在10：32：46最大视在功率达到75.21 MVA，超出变电所额定容量2.38倍，牵引变电所的牵引变压器具有良好的过负荷能力。

图9 牵引变电所谐波电压频谱

图10 AT所谐波电压频谱

图11 分区所谐波电压频谱

4 车载测试数据分析

本次测试选取在线运行动车组进行测试，分析其过分相时车载电压波动、等效干扰电流以及功率因数变化。

4.1 车载电压数据分析

新型动车组运行过程中牵引网侧电压变化趋势见图15。当动车组进入牵引变电所供电臂开始取流时，新型动车组瞬时冲击电压有效值为35 kV，稳态电压有效值为28.3 kV，满足TB 10009—2005规定，过分相时并未出现显著过电压过程。

图12 牵引变电所输出视在功率

图13 牵引变电所功率因数

图14 动车组驶入该供电区段对应的功率因数

图15 动车组过分相过程牵引网侧电压变化趋势

4.2 谐波特性分析

动车组网侧谐波电流频谱分布见图16，动车组等效干扰电流见表1。动车组谐波电流畸变率THDI=1.04%，满足设计对谐波电流的要求。

图16 动车组网侧谐波电流频谱分布

表1 动车组等效干扰电流

4.3 功率因数分析

选取动车组过分相过程为例，当通过电分相环节后重新取流并达到最大功率时，整个过程对应的功率因数变化趋势见图17。测试过程中动车组过分相取流加速过程约为2 s，在牵引功率不断增加的同时，功率因数可以稳定在0.983，满足该新型动车组设计要求。

图17 动车组过分相后重新取流加速时功率因数分布

5 结论

为了定量评估牵引供电系统和动车组之间的电气耦合匹配关系，选择某高铁线路开展同步测试，重点分析车-网耦合系统电气匹配特性，主要结论如下：

（1）典型供电区段内牵引变电所、AT所和分区所主要供电品质指标良好，基本满足国标和铁标相关限值的要求。

（2）新型动车组上线运行过程用电特性良好，过分相过程未出现显著过电压现象，谐波电流畸变率较低，等效干扰电流满足标准限值要求。

（3）在紧密运行时间段，牵引变压器过载达到2.45倍额定容量，导致牵引网末端电压偏低，考虑牵引负荷短时冲击特性，建议进一步提升牵引供电系统的供电能力。