电气化铁路对新疆哈密电网的影响

陈伟伟，樊艳芳，李凤婷

（新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830002）

电气化铁路对新疆哈密电网的影响

陈伟伟，樊艳芳，李凤婷

（新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830002）

结合兰新电气化铁路新疆哈密段工程，研究电气化铁路对电网的影响因素，探讨电气化铁路负荷在用电过程中产生谐波及负序对电网的影响，特别是对含风电和电铁同时接入的电网公共连接点(PCC点)电能质量以及风电场的影响。在仿真软件中搭建了新疆哈密地区电网模型，对其影响进行评估和分析，提出治理措施和建议。

电气化铁路；负序电流；谐波电流；评估；治理措施

电铁机车是单相大功率整流负荷，其用电会产生大量的谐波与负序，如果不能在电铁牵引站得到及时治理，将注入电力系统，影响全网，波及用户。由于机车是移动的电能质量污染源，其对电网产生的危害性比其它谐波源设备更为严重和广泛，产生的负序电流对系统电网的不利影响也越来越突出。

新疆哈密是我国为数不多的可同时大规模开发清洁能源和煤电的大型能源基地。兰新电气化铁路新疆段横跨哈密境内，部分路段途经风电场群且距离电厂较近，部分牵引站不可避免地接入含有风电接入的电网公共连接点(PCC点)，电铁运行过程中会对哈密电网的安全产生不利影响，特别是对含风电和电铁同时接入的PCC点以及对风电机组的影响较大。考虑到哈密电网的特殊性以及兰新线的投运及兰新二线的建成，有必要分析评估电气化铁路对哈密电网的影响，同时针对可能出现的问题提出可行的实际措施，保证电网的安全运行。

1 新疆哈密电铁及其供电系统

新疆电气化铁路全线牵引变电所共28座。哈密境内共有8座铁路牵引站，分别是：黑山梁、思甜、烟墩、红旗村、哈密、二堡、了墩、红台。哈密电铁接线见图1。

图1 哈密电铁接线图

新疆哈密牵引站变电所由两路电源供电，当一路电源故障时，另一路应正常工作，各牵引站设两台主变压器（一主一备）。牵引变电所进线采用带跨条的分支接线，见图2；牵引网采用自耦变压器（AT）供电方式；牵引网供电电压为27.5 kV。各牵引站主变压器采用三相V/V接线型式，见图3。

2 电气化铁路对电网的影响

电气化铁路对电网的影响主要是负序和谐波电流两项总和的影响。

2.1 电气化铁路负序电流对电网的影响

负序电流对电网的影响主要表现在以下几个方面[1-2]：引起发电机附加发热和振动；可能导致发电机负序分量启动的继电保护装置误动作；降低电动机的过载能力；造成变压器的局部过热，损坏绝缘；可能造成输电线路的相差高频保护误动作；可能造成电网PCC点电压不平衡度超标，影响电网电能质量。

图2 牵引变电站主接线图

图3 变压器V/V接线型式

针对负序问题，国家提出的对电铁牵引站注入电网负序的技术要求如下：接于公共连接点的单个电铁牵引站引起的该点正常电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不得超过2.6%；现行《发电机运行规程》规定：汽轮发电机三相电流值差不得超过额定电流的10%，折算相应最大允许负序电流为6.5%；风机不对称保护定值通常为最大允许不平衡电流5%；最大允许不平衡电压为2%。

2.2 电气化铁路谐波电流对电网的影响

谐波对电网的影响主要表现在以下几个方面[1-2]：引起发电机的附加损耗、发热、附加振动、谐波过电压和噪声；引起感应电动机产生附加振动，增加定子和转子铜耗；引起变压器的附加损耗和局部发热，降低变压器的容量利用率；增加线损，降低线路输电能力；加快电容器介质的老化速度；引起安全自动装置和继电保护装置非正常频繁启动、拒动或者误动。

根据电铁谐波电流对电网的不利影响，国家提出了对电铁牵引站注入电网谐波的技术要求《GB/T 14549-1993电能质量公用电网谐波》，具体规定见表1。

当以各牵引变电站高压侧母线作为PCC点时，表1中各次谐波电流允许值应按式(1)进行修正：

表1 电铁牵引站注入电网各次谐波电流允许值

3 电铁负序谐波电流计算方法

3.1 负序电压不平衡度计算方法

对于单相接线、V/V接线等非平衡牵引站，将牵引负荷看作单相负荷，取重馈线电流最大值max，牵引站注入PCC点的不平衡度为：

3.2 负序不平衡电流计算方法

目前国内负序电流的计算方法多以形成节点负序阻抗矩阵来计算，文献[3]提供了这一方法的具体计算步骤，此方法过程比较繁琐。本文采用负序电流分配系法。电力机车在运行时是一个负序源，它产生的负序电流经牵引变高压侧注入系统，按一定的电流分配系数给各电厂，从而得出牵引站对各个电力机组的最大允许负序电流值。

3.3 谐波电流计算方法

根据《GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波》标准计算谐波电流。

两个谐波源的同次谐波电流叠加值为：

4 电铁对哈密电网的影响评估分析

考虑到新疆哈密电网的特点和现状，电气化铁路对哈密电网的影响主要考虑负序电流对PCC点三相电压不平衡度、PCC点附近电厂发电机组的影响及谐波电流对电网的影响。

4.1 负序电流对PCC点三相电压不平衡度的影响

根据铁路部门提供的基础参数，结合电网夏季大运行方式，计算结果见表2。

表22013年注入PCC点不平衡度计算结果

根据计算结果分析可知，公共连接点的三相短路容量越大，PCC点电压不平衡度就越小，十三间房变与电网联系相对较弱，三相短路容量较小，PCC点电压不平衡度较大；不同类型的牵引机车对PCC点电压不平衡度也有影响。在HXD/SS7机型运行时，十三间房变电压不平衡度超标。

4.2 负序电流对PCC点附近电厂的影响

考虑哈密电网的特殊性，将负序电流对PCC点附近电厂发电机组的影响分为对常规电厂机组的影响和风电机组的影响。

4.2.1 对常规电厂机组的影响

本次计算选择可能引起负序电流最大的几个站点进行校验，计算结果见表3。

表3 负序电流百分比计算结果

根据计算结果分析可知，同一点不同容量的机组受注入的负序电流的影响程度随机组容量大小成反比，容量越大的机组受负序电流的影响就越小；发电机组距离牵引站的位置越远，中间并入的变电所越多，发电机受到负序电流的影响也就越小；系统容量越大，负序电流对发电机的影响也就越小。天光电厂位于新疆哈密主网附近，系统电网较为坚强，系统容量较大，故其负序电流百分比比其它电厂小。

4.2.2 对风电机组的影响

本次计算选择距离风电场较近且负序容量较大的几个牵引站，由上述负序电流计算公式可得到各牵引站注入风电场风电机组的负序电流值。计算结果见表4。

由表4中计算结果可知牵引负荷注入风电场最大负序电流值均未超过风电机组负序电流整定值70A，故不会造成风电机组负序电流保护动作。考虑到电铁负荷中长期的发展，负序电流值可能会超过风电场负序电流保护整定值，引起保护动作，造成风电机组脱网运行。尤其是当风电场装机容量在局部地区占有一定比重，风机脱网运行的危害是不言而喻的，可能会造成附近区域风电机组脱网运行，造成电网有功功率缺额过大，引起频率波动，产生动态频率扰动过程，造成更多风电机组因频率保护切除脱网，可能进一步扩大事故影响范围，威胁主网安全稳定运行。有必要采取一系列措施降低负序电流值，降低和限制负序电流对电力系统的影响，特别是对风电机组的影响。

表4 牵引站注入风电场风电机组的负序电流

4.3 谐波电流对电网的影响

牵引机车主要产生3，5，7次谐波。其中3次谐波电流含有率最高，随着谐波次数的增加，幅值会迅速减少。在治理谐波时，通常只对3，5，7次谐波进行治理。本次评估均只针对牵引站接入的PCC点处3，5，7次谐波进行分析。2013年各牵引站注入供电变电站的谐波电流结果见表5。根据计算结果分析可知，不同牵引机型、系统的短路容量以及谐波源的数目对谐波电流的大小有较大影响。系统的短路容量越大，系统承受谐波电流的能力就越大，在一定程度上可以降低谐波电压水平，而这往往取决于电力系统的发展。SS4机型机车运行时，牵引站注入电网的3、5、7次谐波均超过国标值。

5 改善措施和对策

针对新疆哈密电网的特点和现状，为减少电气化铁路对哈密电网的不利影响，建议如下：

（1）根据目前哈密电网现状，加强哈密电网的电源建设及哈密电网与新疆主网的联系，在一定程度上可以减少谐波电流对电网的影响；

（2）考虑到哈密电气化铁路的发展，建议在谐波电流超标的电铁牵引站和电铁牵引站合建站加装交流无源滤波装置，建议谐波超标的牵引站采用的3、5、7次谐波滤波器中电容器电抗器容量分别为1.6、0.064；1.6、0.064；0.8、0.016 (Mvar)，经初步计算治理后的谐波电流均满足要求；

（3）就目前哈密运行电力牵引机车，部分货运机车相对落后，建议在其机车上安装无功补偿装置，在源头上减少谐波和负序电流对电网的影响；

（4）对于在建的兰新第二双线电铁牵引站，尽量接到高电压等级上供电，保证连接点的电压不平衡度（建议各牵引站接入电压等级采用220 kV)；

（5）建议在红台和了墩牵引站安装一定容量的静止无功补偿装置(SVC)，红台和了墩供电臂分别安装容量为2 Mvar的晶闸管控制电抗器(TCR)，负序治理后十三间房变电压不平衡度均低于1.3%，负序电流对风电机组的不利影响也大大降低；

（6）对于含有两个及两个以上牵引站的PCC点，牵引站接线建议采用轮换相序的接线方法（如红台和了墩牵引站）。

6 结语

通过定量研究电气化铁路对哈密电网的影响，根据电网具体情况提出相应的治理措施，对保障哈密电网的安全运行具有一定的实际意义和借鉴意义。随着风电集群开发和电气化铁路的建设，电气化铁路对电网的影响，特别是对含风电和电铁同时接入的PCC点及途经电铁的大规模风电机组的影响越来越值得关注，需要进一步细化分析。

[1]卢志海，厉吉文.电气化铁路对电力系统的影响[J].继电器，2004，32(7)：33-36.

[2]姚宗溥，侯世英，祝石厚.电气化铁路牵引负荷对固原电网的影响[J].电网技术，2007，31：15-19.

[3]姚金雄，张涛，林榕，等.牵引供电系统负序电流和谐波对电力系统的影响及其补偿措施[J].电网技术，2008，32(9)：61-64.

Influence of electrified railway on Xinjiang Hami power grid

CHEN Wei-wei,FAN Yan-fang,LI Feng-ting

Based on an electrified railway in xinjianghami project,the influence factors of electrified railway on power grid were studied.Electrified railway load in the process of powerharmonics and negative sequence influence to power grid,especially wind power and electric iron at the same time,access to the PCC point and the influence of wind farms were discussed.Ahami district was set up in simulation software,xinjiang power gridmodel.It's effect was evaluated and analyzed.The correspondingmeasures and Suggestions at the same time were put forward.

electric railways;negative sequence current;harmonic current;assessment;controlmeasures

TM 727

A

1002-087 X(2014)10-1910-03

2014-03-12

新疆维吾尔自治区高校科研重点项目(XJEDU-2011I05)；国家自然科学基金项目(51367016)

陈伟伟(1989—)，男，四川省人，硕士研究生，主要研究方向为风力发电及电力系统稳定性。

樊艳芳(1971—)，女，副教授，主要研究方向为风力发电及电力系统稳定性。