电铁牵引负荷对某地区电网电压的影响分析及治理措施

叶树平，杜严行

（国网宁夏电力有限公司宁东供电公司，宁夏 银川 750411）

0 引言

为广大用户提供具有合格电压质量（满足国家标准）的电能是供电企业的基本任务，然而随着科技的快速发展及大量非线性负荷的接入，对电力系统供电电压产生了不容忽视的影响，尤其是生产过程或工艺具有“高、精、尖”特征的用户，由于其对电压质量敏感性高，异常的供电电压可能导致产品或者物料报废，造成重大经济损失，因此必须关注供电电压质量。其中谐波电流和负序电流是影响电网电压质量的一个重要因素，而电铁牵引系统是主要的谐波源［1-4］。为了从源头上限制谐波，国内外学者针对电铁牵引系统进行了大量的研究，并提出了一系列限制谐波的措施，并且这些措施在电铁牵引系统中得到了大量的应用，可是不论采取什么措施都不能完全消除谐波，而铁路又是国家重要的交通基础设施和重大民生工程，截至2020 年底全国铁路营业里程更是达到了14.63 万km，而且这个数字还在不断增加，与之相应的电铁牵引变电站也在不断增加。

如何“协调”电铁牵引系统与电网中其他“高、精、尖”用户更好地“和谐相处”成为电网公司的一大难题［5-6］，通过对某地区电网电压波动现象进行分析，得出电力系统短路容量的大小也是影响电网电压稳定运行的一个重要因素。

1 电铁牵引供电系统原理及其负荷性质

1.1 电铁牵引供电系统原理

铁路牵引供电系统主要由牵引变电所、接触网、回流线及火车钢轨组成，牵引变电所从地区电网引入电源，然后通过主变压器将电能变换为符合电力机车牵引要求的电能并输送到铁路接触电网上。接触网悬挂在钢轨上方，沿轨道敷设，并和铁路轨顶保持一定的距离，当火车通过时，火车的受电弓和接触网的滑动接触供给机车电能，从而驱动牵引电动机使火车运行，而回流线和钢轨作为导通回的流组成部分把轨道中的回路电流导入牵引变电站的主变压器，其基本结构原理如图1 所示。

1.2 电铁牵引负荷性质

电气化铁路牵引系统内有大量的电力电子设备，通过这些设备的整流和逆变后会产生大量的高次谐波电流，另外电力机车是一种单相负荷，在运行过程中根据对称分量法还会向系统输送负序分量。除此之外由于电力机车的数量、位置、取流大小（与线路峡道及弯道、牵引重量、运行速度、行车密度等有关）是不断变化的，因而负荷具有明显的波动性和间歇性。文献［7］通过分析电铁的运行工况，指出电铁负荷本质上是一种随机性、波动性、冲击性、不对称性的非线性负荷。

2 电铁牵引对地区电网电压影响

2.1 变电站运行方式

GSW牵引变电站为某地区某铁路的一所牵引变电站，接线方式如图2 所示，其有两条进线供电电源，一条为110 kV F 高牵线接自110 kV XF 变电站（如图3所示），另外一条为110 kV J高牵线接自330 kV JJN 变电站（如图4 所示），其中110 kV J 高牵线为该牵引变电站的主供电源，110 kV F 高牵线为该牵引变电站备供电源［8］。根据图3 可知，110 kV XF 变电站接线较为简单，而且该变电站为单电源供电，其110 kV 系统除111 ZF 线进线电源外只有两条出线，其中121 F 利线为该地区一个能源化工企业的供电电源（该用户为氨纶生产企业，对电网电压质量要求特别高），112 F 高牵线为GSW 电铁牵引变电站的备供电源。如图4 所示330 kV JJN 变电站接线则较为复杂，不仅电压等级较高，且只110 kV 系统出线就达16 条之多，其中也不乏带有“高、精、尖”用户［9］。

图2 GSW牵引变电站运行方式

图3 110 kV XF变电站接线及运行方式

图4 330 kV JJN变电站110 kV系统接线及运行方式

2.2 电网电压异常波动分析

2021年5月30日JJN变电站111 J高牵线需要更改定值而将GSW牵引变电站的负荷临时倒至110 kV XF 变电站112 F高牵线供电。10：31该变电站所带氨纶生产用户向调控中心值班调度员反映他们对侧电压波动很大，调度员立即查看该110 kV 母线ABC 三相电压曲线，如图5—图7所示。

图5 XF变电站110 kV母线A相电压

图6 XF变电站110 kV母线B相电压

图7 XF变电站110 kV母线C相电压

为GSW 电铁牵引变电站供电的112 F 高牵线的负荷曲线如图8所示，112 F高牵线负荷波动较大，与电铁牵引变电站联系得知此刻火车通过。

图8 XF变电站112 F高牵线的负荷曲线

根据图5—图8曲线图可以看出，当GSW牵引变电站有火车通过时XF 变电站110 kV 母线三相电压都发生了不同程度的突降，其中A 相和B 相电压降幅较大，最大降幅近2 kV，而C 相电压波动相对前两相较小，也就是说XF变电站110 kV母线三相电压在过火车时发生了明显的不平衡。除此之外还可以看出XF 变电站110 kV 母线三相电压的波动幅度跟电铁牵引负荷的大小也有关系，当电铁牵引负荷较大时三相电压波动幅度也跟着变大，当电铁牵引负荷较小时三相电压波动幅度则相对较小［9-10］。

2.3 XF变电站110 kV母线电压波动分析

2.3.1 XF变电站与JJN变电站特点

GSW 电铁牵引变电站的负荷常年由330 kV JJN变电站的110 kV J高牵线所供，在110 kV J高牵线供电期间，无论什么时候过火车或者过什么类型的火车，JJN 变电站110 kV 母线三相电压一直平稳，JJN变电站所带用户也从未反映其站内电压有波动现象［11］。比较两座变电站的接线及运行方式发现两座变电站主要有两处不同点：1）XF 变电站电压等级最高为110 kV，JJN 变电站电压等级最高为330 kV；2）XF 变电站由110 kV ZF 线单电源供电，110 kV 系统除了110 kV F 高牵线外只有110 kV F 利线一条出线，而JJN变电站110 kV系统有16条出线。

2.3.2 谐波电流和负序电流对电网的影响

电力机车在运行时会向电网输送谐波电流，而我国电力系统中对母线谐波电压、谐波电流的限值是有国家标准的，公共电网谐波电压值见表1，注入公共连接点（Point Common Connection，PCC）的谐波电流值见表2。

表1 公用电网谐波电压（相电压）

表2 注入PCC的谐波电流限制

如果PCC 点的最小短路容量与基准短路容量不一致时，则流入PCC 点谐波电流需要进行限制，其值可由式（1）算出［12］。

式中：SJ为基准短路容量；SX为PCC 点最小短路容量；IhJ为基准短路容量对应的第h次谐波电流的限值；IhX为短路容量为SX时的第h次谐波电流的限值。

如果有多个谐波源的谐波电流同时注入一个PCC 点时，则这个PCC 点第P个用户流入的第h次谐波电流值需要进行限制，其限值可由式（2）进行计算。

式中：IhP为由式（2）进行计算得出的第h次谐波电流限值；Ih为第h次谐波电流；I为流入PCC 点的总电流；SP为第P个用户的用电协议容量；Sd为电网PCC点的短路容量；α为叠加系数，其值按表3选取。

表3 叠加系数

除此之外由于电铁牵引负荷是不对称负荷，根据对称分量法可分解出负序分量，再加上电力机车在运行过程中产生的谐波电流大量注入电网PCC点，其和谐波电流在电网PCC 点产生三相电压不平衡度εU和谐波电压UHRh为［13-14］：

式中：UN为电网的额定电压；I2为负序电流。

由式（1）和式（2）得知，根据电网PCC 点短路容量的大小不同需要对流入PCC 点谐波电流需要进行限制，电网PCC 点短路容量大则允许流入的谐波电流大。从式（3）和式（4）可以更直观地看出，电铁牵引负荷在PCC 点引起的电压不平衡度和谐波电压与PCC 点的短路容量成反比，与电铁牵引负荷注入的负序电流和谐波电流成正比，而XF 变电站为110 kV变电站且为单电源供电，再加上出线较少，其110 kV母线短路容量相对来说很小根本不可能满足国家标准关于三相电压不平衡度允许值2%、短时不超过4%的要求［15］。因此可以分析出谐波电流和负序电流是造成电网电压波动的第一原因，而GSW 电铁牵引站在由短路容量较大330 kV JJN 变电站供电时其110 kV 母线电压平稳运行的现象可以得出XF 变电站110 kV 母线电压波动的原因应该是其110 kV 母线短路容量较小。

2.3.3 电力系统短路容量抗牵引负荷干扰能力分析

根据式（3）—式（4）及GSW 电铁牵引站在由不同短路容量变电站供电时变电站110 kV母线电压运行情况，可以初步判断GSW 牵引负荷在由XF 变电站110 kV F高牵线供电时，引起XF变电站110 kV母线电压的波动的原因为XF 变电站110 kV 母线短路容量较小［16］。短路容量是反映电力系统中某一供电点电气性能的一个特征量，电力系统中某点的短路容量Sd等于该点三相短路电流Id和电网额定电压UN的乘积，即

根据电铁牵引系统原理，可将电铁牵引负荷等效为单相负荷。图9 为单相负荷接入电网引起电网电压波动分析模型。图中，UA、UB、UC为系统相电压，IL为负荷电流，ΔU为电压降。

图9 单相负荷的供电系统简化电路

按照图9 给出的电路模型，依据欧姆定律我们可以计算出负荷电流IL为

式中：U0系统线电压；ZL为单相负荷阻抗。

依据欧姆定律可继续算出单相负荷的容量SA为系统阻抗上的电压降ΔU为

式中：Z0为系统阻抗。

短路容量可以由式（10）计算。

利用式（7）—式（10）可以推导出相对电压波动d的公式为

从式（11）可以看出，在负荷变化量相同的条件下，负荷引起的电压波动与负荷接入PCC 点的系统短路容量成反比，也就是说系统短路容量越大，引起的波动量就小，相反则越大。

用系统短路容量从侧面可以区分电力系统是强系统还是弱系统，短路容量较大的系统称为强系统，就强系统来说，其电网端口的伏安特性比较硬，承受扰动的能力自然也强；相反，电网短路容量比较小的系统则称为弱系统，对于弱系统而言，其电网端口的伏安特性较软，同理，承受扰动的能力就比较弱［17］。

从表4 可以看出XF 变电站110 kV 母线短路容量仅为432.74 MVA，而JJN 变电站的110 kV 母线短路容量约是XF变电站的8倍，实际中XF变电压最高等级为110 kV，JJN 变电站电压最高等级为330 kV。即同样是110 kV 母线供电，JJN 变电站相比XF 变电站是强系统，除此之外由于JJN 变电站110 kV 系统有较多的出线可以多分散负序电流，所以GSW 电铁牵引负荷由XF 变电站供电时对XF 变电站110 kV母线电压影响较大，也就是说当谐波电流和负序电流一定的情况下，决定PCC 点母线电压是否能保持平稳运行的因素就取决于该PCC 点母线短路容量的大小。

表4 XF变电站与JJN变电站110 kV母线短路容量对比单位：MVA

3 解决措施

根据式（3）和式（4）可知，造成PCC 点电网电压波动的最根本原因就是电铁牵引负荷产生的谐波电流和负序电流注入了电网，所以限制谐波电流跟负序电流是解决电压波动的最有效的途径，而限制谐波电流和负序电流最好最有效的方法就是从源头上来解决。限制谐波电流的措施可以采取在牵引变电站内装设滤波装置，比如有源滤波器、无源滤波器、静止无功补偿器、并联补偿电容装置等，除此之外也可通过增加电力机车整流器的脉动数来限制谐波电流。牵引变电站内装设有源滤波器和静止无功补偿器也可以达到限制负序电流的效果，在动态补偿的时候，可以抑制电压波动、闪变和三相不平衡［18］。

根据式（3）和式（4）以及单相负荷的供电系统简化电路分析模型分析下还可以得出系统短路容量也是影响电压波动的一个非常重要因素，牵引变电站的电源尽量从330 kV 及以上电压等级的变电站引出，因为相对于110 kV变电站短路容量，330 kV变电站短路容量更大，短路容量越大系统承受负荷的非线性扰动程度越强，牵引负荷对电网的影响就越小。除此之外330 kV 变电站供电可靠性也较110 kV 变电站高。

对于不方便从短路容量大的变电站引源情况，则需要在为牵引变电站供电的电源侧变电站内安装对于谐波电流有抑制作用的电容器，并且要求随时投入运行，而且还需要多配出线来分散电铁牵引负荷产生的负序电流，从而增强该变电站运行稳定性，同时与铁道部门沟通，要求其提高调度电力机车的自动化水平，尽量使火车匀速运行。除此之外该变电站最好不要带有对供电电压质量敏感的高科技企业用户。

4 结语

近年来随着我国经济社会不断发展，高科技企业越来越多，这些高科技企业对于电网供电电压质量要求是越来越高，而电铁牵引系统的谐波电流和负序电流是影响电网电压质量的一个重要因素，现阶段的技术水平只能将电铁牵引系统内的谐波电流和负序电流进行一定的限制而却无法做到完全消除。结合电网实际运行现象，对电铁牵引负荷引起对某地区电网电压波动现象进行了分析，分析得出强大的电力系统可以完全抵御电铁牵引负荷谐波电流和负序电流的影响。我国电力系统经过多年的发展，现已建成了强大的高压、特高压电网，在彻底消除电铁谐波技术欠缺下，完全可以依靠我国先进的、强大的电力系统来承受经限制后剩余的谐波电流和负序电流从而保障经济社会的发展，建议今后电铁负荷尽量接入电压等级较高、较强的电力系统。