高速铁路接触网网压波动的研究及应对措施

张国栋



高速铁路接触网网压波动的研究及应对措施

张国栋

针对兰新高速铁路运行过程中网压波动的情况，通过跟踪试验动车组及变电所网压监测情况，结合国网电力公司对兰新高铁外部电网采取的供电方式，系统性研究高速铁路接触网网压波动的原因，对类似高速铁路接触网网压波动的应对措施提出合理化建议。

接触网；网压波动；电制动；调压；谐波

0 引言

随着我国高速铁路的飞速发展，高速动车组列车对电气化铁路接触网网压的平稳提出了更高的要求。动车组受电弓直接从接触网受流取压，接触网网压直接影响动车组列车的运行状态，同时网压的平稳与否也直接关系到变电所内供电设备的正常运行。

兰新高速铁路地处我国西北地区，横跨甘肃、青海、新疆三省区，由于风力资源巨大，风力等新能源发电形式在电网构成中占比较大。风电、光伏发电等属于波动性可再生能源，风力发电系统中风电机组的不稳定性、电网调峰能力缺乏以及电网系统倒切等因素都会导致铁路牵引变电所330 kV进线电压波动，从而引起接触网网压的异常波动。动车组列车通过接触网分相时的操作过电压等因素也会影响高速动车组列车的正常运行。

1 变电所进线电压及网压波动监测情况

兰新高铁管段内木兰城、军垦、首井、左公变电所地处嘉峪关、酒泉地区，330 kV外部电源中风力发电占比较大，自牵引变电所送电以来，330 kV进线电压较高，且频繁出现突变波动，高铁牵引变电所主变压器共5个档位，3档为平衡档位，每档的电压调节幅值为±2.5%，通过主变压器调档方式无法满足正常电压要求，造成牵引变电所馈出电压较高，无法满足动车安全运行要求。

为进一步掌握高铁接触网网压波动情况，对牵引变电所330 kV进线电压、27.5 kV母线电压以及接触网线路电压进行监测。

（1）兰新高铁首井变电所330 kV进线及 27.5 kV母线电压监测。

通过2016年4月14日监测情况可知：自5时11分，330 kV进线电压开始上升至363.33 kV，进线电压最大值为363.33 kV，最小值为350.79 kV，平均值为356.49 kV（图1）。

图1 首井变电所进线电压监测曲线图

通过2016年4月14日监测情况可知：母线电压最大值为28.76 kV，最小值为27.97 kV，平均电压为28.42 kV（图2）。

图2 首井变电所母线电压监测曲线图

（2）兰新高铁军垦变电所330 kV进线及 27.5 kV母线电压监测。

通过2016年4月14日监测情况可知：自5时11分，330 kV进线电压开始上升至365.31 kV，进线电压最大值为365.31 kV，最小值为352.11 kV，平均值为358.71 kV（图3）。

通过2016年4月14日监测情况可知：母线电压最大值为29.20 kV，最小值为28.02 kV，平均电压为28.61 kV（图4）。

图4 军垦变电所母线电压监测曲线图

（3）兰新高铁木兰城变电所330 kV进线及27.5 kV母线电压监测。

通过2016年4月14日木兰城变电所监测情况可知：自5时12分，330 kV进线电压开始上升至363 kV，进线电压最大值为363 kV，最小值为350.46 kV，平均值为356.73 kV（图5）。

图5 木兰城变电所进线电压监测曲线图

通过2016年4月14日监测情况可知：木兰城牵引变电所母线电压最大值为28.76 kV，最小值为27.42 kV，平均电压为28.09 kV（图6）。

图6 木兰城变电所母线电压监测曲线图

上述各所330 kV进线电压及27.5 kV母线电压统计如表1所示。

表1 变电所电压统计表

4月14日通过监测木兰城、首井、军垦变电所330 kV进线电压及27.5 kV网压发现3座牵引变电所进线电压及接触网网压同时在4月14日5时11分左右突变波动达到峰值。按照国家电力行业技术标准变压器进线电压不得超过额定电压的10%的规定，现场监测5时11分左右3座变电所330 kV进线电压均超过额定电压的10%。

2 网压波动造成的影响

（1）网压波动对动车组列车恒速、恒功率运行的影响。

高速铁路技术管理规程规定：“正常运行时接触网的标称电压为25 kV，最高工作电压为 27.5 kV，短时（5min）最高工作电压为29 kV，最低工作电压为20 kV”。

通过观察CRH5型动车组检测列车监测的接触网网压参数，了解动车组运行工况，与车辆段、客车厂技术人员探讨网压波动的状况。

动车组网压监控装置显示（图7）：网压在动态许可范围内时，动车组正常平稳运行；而在动车组通过牵引变电所、分区所附近的接触网关节式分相时，机车主断路器在合闸的瞬间，会出现机车操作过电压的情况，动车组列车监测到的接触网网压会出现短时（4 s左右）波动现象，网压瞬时达到29 kV或超过29 kV。网压过高可导致动车组列车电制动失效从而影响机车的恒速运行。

图7 动车组检测列车网压监测曲线图

参见图8，可发现：16：33：24～17：10：21时间段内接触网网压持续大于29 kV，持续时间 37 min；17：15：56～17：22：47时间段内接触网网压持续大于29 kV，持续时间近7 min；17：41：21～17：49：50时间段内接触网网压持续大于 29 kV，持续时间超过8 min。

图8 网压监控结果图

接触网网压突变波动导致电制动失效的原因分析：根据时速250 km动车组技术条件和动车组设计要求（网压在29～31.5 kV之间输出功率线性下降至零），CRH5型动车组在TCU软件中设定了接触网网压与输出功率的关系曲线，见图9。

图9 接触网网压与输出功率关系曲线图

同时，根据电制动故障条件，当动车组在电制动状态，输出功率小于预设电制动功率50%时，延时3 s电制动失效，见图10。

图10 电制动失效原理图

由图10可见，当TCU检测到接触网网压在29～31.5 kV范围时，输出功率线性下降至零，根据电制动故障条件，车组在电制动状态下，输出功率小于预设电制动功率50%时，延时3 s电制动失效。电制动失效时，动车组启动空气制动模式，需由动车组司机人工控速，影响动车组自动恒速运行。空气制动是动车组列车低速运行时的主制动方式，在动车组高速运行时长期频繁使用空气制动轻则导致制动力减弱，延长制动距离，严重情况下可能导致空气制动失效，动车失控。

（2）网压波动造成动车组列车牵引离线、丢失的影响及分析。

通过下载CRH5G动车组MPU-LT数据并对其进行分析即可得知，动车组列车在通过高速铁路接触网分相时，因网压波动畸变会发生牵引切除和牵引离线的问题，造成牵引丢失。

图11为CRH5G动车组01车MPU-LT数据显示图，数据显示牵引1与主机断开，牵引切除。

图11 CRH5G动车组01列车MPU-LT数据图

通过时间对比，图12中MPU-LT数据表明牵引切除发生在动车通过接触网分相过程中。

图12 CRH5G动车组00列车MPU-LT数据图

下载CRH5G动车组01车TCU数据进行分析，如图13所示，从上而下第4个波形为网压信号，第5个波形为过零点信号。可以看出在动车组列车通过分相期间，四象限锁相环一直在工作（过零点信号一直在翻转），但此时网压波形发生了严重的畸变；正常过分相的波形如图14所示，可以看出在网压正常的情况下，锁相环是正常工作的，或者没有网压锁相环停止。而当出现网压异常的情况，有可能锁相环一直在工作，但是锁相的结果又不匹配，导致四象限不启动。由于过零点信号是四象限控制最重要的信号之一，四象限通常要连续检测到正常的50个周波后才会启动，而由于网压异常，检测到的周期一直在变化，即使网压恢复正常后，由于之前的相位不正常，导致计算的相位与实际的相位一直有偏差，因此四象限不启动，超过一定时间后就停止了；需要等待下次锁相环停止，重新锁相正常后才启动。

图13 CRH5G动车组01车TCU数据过分相波形图

图14 CRH5G动车组TCU数据过分相正常网压波形图

3 网压波动的原因分析

（1）电网调峰调压引起网压波动。通过对木兰城变电所、首井变电所、军垦变电所330 kV进线电压监测及对比分析发现3座牵引变电所进线电压均在4月14日5时11分左右达到峰值。经与嘉峪关、酒泉电力公司核实，在4月14日，由于部分风力发电机组故障停机等原因，为使电网系统保持实时平衡，对风力发电系统进行了调峰调压，导致兰新高铁木兰城牵引变电所、首井牵引变电所、军垦变电所330 kV进线电压发生波动，进线电压较高使得铁路牵引变电所变压器二次侧馈出电压较高，引起接触网网压的突变波动。

二是重大战略研究取得新突破。“河湖水系连通战略重大课题研究”“与水有关生态补偿制度研究”已通过水利部验收；“第一次全国水利普查成果综合分析”基本完成；“主要江河流域水量分配方案技术协调与审查”“全国重点地区洪水风险图编制”“水利应对气候变化适应性研究”“全国干旱区划及旱灾风险评估”“水文干旱预警水位（流量）确定办法”“水库汛限水位动态控制关键技术研究”“治涝标准及关键技术研究”等重大战略研究进展顺利；围绕跨界河流的开发利用和保护开展了一系列专题研究，为保障国家水资源权益和加强跨界河流管理提供了有力的支撑。

电力系统运行时必须保证实时平衡，即电力系统的发电量和用电量时刻保持一致，为保持电力实时平衡，电力系统中需要保留一部分旋转备用电源，预留调频调压资源。而实际风力发电系统在运行过程中，电力调度中心根据日负荷预测曲线、电源与电网的运行状态和运行约束条件，制定次日各发电机组的开停机计划和出力曲线，以使电力电量在当日的每个时间段内在供需两侧保持实时平衡，但是由于影响电力系统运行的因素会存在超出预期之外的变化，如用户用电量的突然增加或较少，以及某台或多台风力发电机组因故障意外停机等因素，都会造成运行日内电力系统供需两侧不平衡的问题。此时就需要为这些随时出现的临时不平衡进行调整，通过增加或者减少某些风力发电机组的功率，对电网系统进行调峰（调压），以使电力系统供需两侧电量保持平衡。在电网系统调峰过程中，电网电压就会出现波动，此时牵引变电所进线电压及馈出电压就会随之出现波动情况。

（2）环形电网系统倒切引起网压波动。地方330 kV电力系统中的环形电网系统倒切时也会引起接触网网压的突变波动。正常运行时地方330 kV变电站有2路可靠的进线电源串接在电网当中，在电网适时倒切系统运行时也会出现短时的网压突变波动。

（3）机车通过分相时引起网压波动。兰新高铁接触网供电系统采用AT全并联供电方式，在AT分区所末端上下行全并联运行提高末端电压，通过添乘动车组检测列车发现，以下3种情况存在接触网网压瞬间达到或超过29 kV。

a.当动车组在区间正常运行时，如在同一供电臂上，后面列车正好通过分区所分相进入该供电臂时，由于动车组主断路器合闸瞬间接触网网压波动，会造成同一供电臂运行动车网压的波动。

b.当动车组运行至牵引变电所分相附近时，如果此时临线有动车组列车恰好通过临线分相位置，由于牵引变电所处上下行是并联运行，临线动车组主断路器合闸瞬间接触网网压波动，会造成临线运行动车组网压的波动。

c.当动车组运行至AT分区所分相附近时，如果此时邻线有动车组列车恰好通过邻线接触网关节式分相位置，由于AT分区所处上下行并联运行，邻线动车组主断路器合闸瞬间接触网网压波动，也会造成邻线运行动车组网压的波动。

4 消除网压波动及其影响的优化建议

（2）针对动车组列车通过分相时网压波动的优化建议。

兰新高速铁路采用的动车组类型是CRH5型，其交流传动系统采用“交-直-交”型传动系统，与以往交流传动系统的电力机车相比较，其整流部分普遍采用四象限PWM变流器，电路拓扑和电气特性与以往的韶山系列电力机车有着明显的不同，具有功率因数高、谐波含量低、可实现能量双向流动等优点。但是由于谐波特性的改变，引起动车组及机车与牵引供电系统的不匹配问题，据了解，在国内已开通的部分高速铁路干线上，由于动车组与牵引供电系统的不匹配，运行以来已多次发生谐振问题，造成谐波电流放大，引起谐波过电压，这是牵引供电系统与动车组车网电气耦合系统工作失稳的一种表现，对牵引供电系统及动车组的安全稳定运行带来一定的影响。

而交-直-交型动车组的负荷特性表现为功率因数高，谐波频谱加宽，谐波含量大大降低的特点。但机车基础负荷较大，再生工况频繁，宽频谱下的高次谐波绝对值仍较大，谐波源持续时间较长，该条件下供电系统的线路电容效应不能忽略。因此建议在动车组主电路上（主变高压侧或低压侧）加装RC吸收滤波装置，以减小牵引网电流高次谐波的含量；改变动车组整车不同动力单元的控制策略，调整多重化移相角度，使电流频谱避开牵引网的谐振频率；调整动车组牵引传动系统控制参数，抑制谐波电流的含量。

（3）针对动车组列车通过高速铁路接触网分相区时网压畸变导致过零点锁相环异常的问题，建议由动车组列车生产厂在机车控制程序中锁相环启动条件里增加主断信号，这样就能保证在过分相时锁相环停止工作，待网压恢复以后重新进行锁相，从而避免动车组列车通过高速铁路分相区时因网压畸变导致过零点锁相环异常、四象限不启动以及牵引离线问题的发生。

5 结语

综上所述，引起牵引供电系统网压波动的原因基本可以概括为2个方面，一是外部电网由于调峰调压、系统倒切、并网作用造成网压波动。针对此情况，建议在外部电网发电系统加装稳压滤波装置，以此来消除网压的波动和谐波的干扰作用。二是由于动车组列车自身产生的谐波及与牵引供电系统车网电气耦合状态失稳造成网压波动。针对此情况建议在动车组主电路上加装RC吸收滤波装置，调整动车组牵引传动控制参数等方式减小牵引网电流高次谐波的含量，以此来稳定牵引网的工作电压。或者由动车组列车生产厂修改机车控制程序以规避牵引离线问题的发生。同时铁路局供电段应适时与地方电网协调沟通，做好所内网压的监测工作，若发生持续性的电压升高问题，要及时联系路局电调、国网公司进行应急处置。

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[4] 王卫安，桂卫华. 基于MRPC的电气化铁道谐波治理技术研究[J]. 机车电传动，2014，（2）.

With regard to fluctuation of network voltage of overhead contact system for Lanzhou-Xinjiang high speed railway, by tracking and testing of electric multiple unit and monitoring of substation network voltage, and with reference of power supply mode adopted by the State Grid Corporation served as the external power supply for Lanzhou-Xinjiang high speed railway, the paper studies systematically causes of fluctuation of network voltage of overhead contact system for high speed railway, and puts forward rational proposals on countermeasures to the fluctuation of network voltage of overhead contact system for similar high speed railways.

Overhead contact system; fluctuation of network voltage; electric braking; voltage regulation; harmonic

U224

B

1007-936X(2017)02-0025-05

张国栋.兰州铁路局嘉峪关供电段高铁技术科，工程师，电话：18693757982。

2016-07-26