电铁牵引负荷对安康电网的影响∗

张 彬 吴小曼 吴 淑 邵文权

（1.国网陕西省电力公司安康供电公司 安康 725000）（2.西安工程大学电气工程系 西安 710048）

电铁牵引负荷对安康电网的影响∗

张 彬1吴小曼1吴 淑2邵文权2

（1.国网陕西省电力公司安康供电公司 安康 725000）（2.西安工程大学电气工程系 西安 710048）

根据安康地区电网的实际情况，对安康四个牵引站的电能质量进行评估。分析电铁牵引负荷产生的谐波、负序电流对公共连接点（PCC点）及PCC点附近设备的影响。最后结合安康地区电网的特点提出相应的治理措施。

电网；电铁牵引负荷；谐波电流；负序电流；公共连接点

1 引言

目前我国电气化铁路总里程已超过4.8万km，跃居世界第1位［1］。而电铁牵引负荷作为一种不对称性、非线性单相大功率冲击性负荷，在供电系统中产生大量负序、谐波电流，不仅会造成供电质量下降［2］，同时还会导致继电保护误动作，损坏重要电力设备，致使于电力系统造成重大的经济损失［3］。随着牵引机车的日益提速和未来高铁的接入，牵引负荷冲击特性更为显著，与大量的电压敏感用户对更高质量的电能需求矛盾更为突出，因此全面监测电能质量并进行有效治理已成为供电部门的首要任务［4］。

国内已有许多文献就电铁牵引负荷对电网电能质量的影响进行了研究。文献［5］基于实测数据分析固原电网电铁牵引负荷引起的电压骤降、谐波注入对其电网电能质量的影响程度；文献［6～7］论述了电铁牵引负荷产生不利影响并分析了其危害原因并提出治理方法；文献［8］分析了负序电流对恒速恒

频风电机组的影响。本文重点利用安康地区电网牵引变电站的现场实测数据对该地区的电能质量进行评估，分析电铁负荷对电网的不利影响，并提出相应的治理方案。

2 安康地区电网现状

安康地区电网网架结构是以330kV为依托，以110kV为主骨干网架，主要担负着安康市九县一区和汉中市的镇巴、佛坪两县以及襄渝、阳安、西康三条电气化铁路供电的任务，并向湖北十堰部分地区供电。330kV电网通过金柞双回及安-喜-洋线路与陕西主网联络。110kV电网在正常供电方式下划分为金州变、湘溪变、安康电厂、石泉电厂四个供电区域，各供电区域之间为环网接线，开环运行。随着电气化铁路的快速发展，2015全年中电铁牵引负荷占全网负荷比重最大达到45.6%。安康地区电网110kV简化接线图如图1所示。

图1 110kV简化接线图

3 安康供电区牵引电流特征分析

3.1 牵引供电系统基本结构

电力机车本身不带能源，所需能源由电力牵引供电系统提供。牵引供电系统的简化构成如图2所示，其主要由外部电源、牵引变电所、牵引网和电力机车组成。

图2 牵引供电系统

外部电源一般指电力系统发电厂或地方变电所，为牵引供电系统提供电源。外部电源电压等级一般为110kV或者220kV，输送至安康地区牵引变电所的电压等级均为110kV。牵引变电所的作用是将电力系统供应的电能转变为适于电力机车使用的电能，其核心是牵引变压器。牵引变压器的类型有很多，如YND11接线牵引变压器、单相牵引变压器、V/V接线牵引变压器、Scott平衡变压器以及阻抗匹配平衡型牵引变压器等，分布在安康地区14座牵引变电所除安康东牵、大岭牵采用YND11接线形式，其他牵引变电所均采用V/V接线。牵引网由馈线、接触网、轨（地）、回流线等组成，是牵引供电网（回路），完成对电力机车的送电任务。电力机车通过将牵引网输送的电能转换转换为机械能，牵引列车移动。

3.2 牵引变压器接线及其电气量分析

牵引变压器接线方式不同，其带来的谐波与负序电流的特点不同。下面就安康地区采用的YND11、V/V两种接线方式下牵引变电站电流流入电网的情况进行分析。

V/V、YND11接线牵引变压器接线原理图如图2（a）、（b）所示，一次侧高压侧接入公用电网，三相电流为 IAV、IBV、ICV、IAY、IBY、ICY，低压侧两端口接入牵引网左右臂，两臂电流 IαV、IβV、IαY、IβY。

图3 不同牵引变压器接线方式

根据牵引变压器电流平衡与磁势平衡方程可分别求得V/V、YND11接线变压器高压侧三相电流分别如式（1）、（2）所示，式中kT为牵引变压器原边与次变额定电压之比，安康牵引变压器电压等级均为110kV/27.5kV，kT=4。

利用对称分量法对上式进行化解，则高压侧正序、负序、零序分量分别如式（3）、（4）所示。

从上述式（3）、式（4）不难看出，V/V、YND11接线变压器不会产生零序分量，但当任意一个供电臂有电流流过，即任意一臂有机车通过时，都会向系统注入负序分量。

3.3 谐波电流修正

GB/T14549-1993［9］给定不同基准短路容量下公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流允许值，当电网公共连接点的最小短路容量国家标准基准短路容量时，应按下式修正谐波电流允许值：

式中，Sk1为公共连接点处最小短路容量，单位MVA；Sk2为基准短路容量，单位MVA；Ihp为基准容量下第h次谐波电流允许值，单位A；Ih为最小短路容量下第h次谐波电流允许值，单位A。

同一公共连接点处单独用户向电网注入的谐波电流允许值应按用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配。在公共连接点处第i个用户的第h次谐波电流允许值Ihi按下式计算：

式中，Ih为按实际短路容量换算后的第h次谐波电流允许值，单位A；Si为第i个用户的用电协议容量，单位MVA；St为公共连接点的供电设备容量，单位MVA；α为相位叠加系数，各次谐波系数取值如表1所示。

表1 谐波的相位叠加系数

4 安康牵引变电站电压畸变率、负序与电流谐波分析结果

本文在考虑了网络结构、牵引变压器接线方式以及负荷特点（较大负荷）等综合因素下，选则对汉阴牵、大岭牵、毛坝牵、石泉牵这四个牵引变电站的24h实测数据进行分析。

4.1 电压畸变率、不平衡度分析结果

四座牵引变电所实测电压畸变率与不平衡度（负序分量与正序分量的比值百分比）的测量结果如表2、表3所示，表中概率代表95%概率大值，即将所有实测数据按从大到小的顺序排列，舍弃前面5%的大值，剩余数据中最大值即为95%概率大值。实际测量中往往取同时段内三相最大的95%概率大值作为判断是否超标。

表2 110kV电压畸变率实测结果

表3 110kV电压不平衡度实测结果

根据国家标准［10］规定：110kV公用电网谐波电压总畸变率、电压不平衡度值（95%概率值）不得超过2%，由表2可知分布在四个供电区域内的四个牵引变电所的电压总畸变率均超过了国家标准，其中汉阴牵、毛坝牵的最大电压畸变率分别达到了5.7%、7.003%，平均电压畸变率也均超过国家标准；电压不平衡度只有汉阴牵、毛坝牵超标，其中毛坝牵最大电压不平衡度超过国家标准短时电压不平衡度允许值4%。从牵引接线方式来考虑，虽然采用YND11接线的大岭牵95%概率值没有超过国家标准，但是其最大电压不平衡度依旧超过国家标准，综上所述说明采用V/V、YND11接线两种牵引变压器接线用于改善电能质量的效果相差不远。

4.2 电流谐波分析结果

牵引变电所各次谐波电流实测数据见表4。由表4可以看出，由于该地区大量使用交-直型电力机车，因此注入电力系统的谐波主要以奇次、低次谐波为主。

表4 110kV谐波电流实测95%概率大值/最大值（单位：A）

表5列出了电网实际运行时各点的最小短路容量Sk1、用的协议容量Si以及供电设备容量St，利用式（5）、式（6）对将表4中各次谐波允许谐波电流计算，结果如表6所示。

表5 容量统计表（单位：MW）

表6 110kV谐波电流允许值（单位：A）

对比表4、表6可知，汉阴牵、大岭牵、毛坝牵3次谐波电流均超标，大量实践证明3次谐波以其频率低、数值大等特点给电网造成的危害较大，因此需要强调三次谐波的危害。大岭牵5次谐波电流、毛坝牵7次谐波电流的95%概率大值超过国家标准；同时由于牵引负荷冲击性的特点，汉阴牵、大岭牵、毛坝牵有大量最大谐波电流也超过国家标准；而石泉牵由于公共连接点的最小短路容量远远大于其他三座牵引变电所，因此其允许的各次谐波电流也大于其他三座牵引变电所，可见最小短路容量较大的系统对谐波有一定的容纳能力。

5 电气化铁道对安康电网的影响

5.1 不利影响

电铁牵引负荷引起的负序与谐波分量注入电网后，不仅会对PCC点的电能质量造成影响，同时会对PCC附近附近的设备造成不利影响。

1）谐波影响

电力机车属于单相整流设备，大量电力电子器件的使用是造成谐波的原因。大量谐波通过牵引变压器注入电网后影响电网设备安全运行。

（1）对输电线路的影响。谐波电流增大线路损耗，缩短线路使用寿命，造成设备故障隐患。

（2）对变压器的影响。谐波电流会引起变压器高频损耗，实际使用容量降低，同时高频损耗会导致变压器发热升高、噪声增大。

（3）对旋转电机的影响。电机定子、转子绕组附加损耗增加，含有绝缘转子绕组的电机是谐波发热的薄弱环节，如果3、5、7次谐波电压超过额定电压的10%～20%，可使电机短时损坏。

（4）对继电保护的影响。大量谐波分量注入电力系统，可能会导致继电保护误动作。

（5）谐波可能会导致系统发生并联和串联谐振、测量仪表测量误差、通信线路产生杂音干扰等。

2）负序影响

（1）负序分量在电动机定子绕组产生相反的旋转磁场，使电动机出力和过载能力减小。

（2）负序分量增大包括线路、变压器、发电机的损耗，电流不对称度越大，网络损耗越大。

（3）负序分量造成三相电流不平衡，导致设备单相过载能力下降。

（4）负序分量还会造成继电保护误动作、干扰通信线路等不利影响。

5.2 治理方案

1）安装自动调节无功补偿装置。

安康电网14座铁路牵引变，目前除旬阳牵、月河牵、小河牵低压侧未装设无功补偿装置，装有电容器的牵引变大部分不能实现自动调节且补偿容量不足，而适量的无功补偿可以兼顾无功补偿、抑制谐波、降低电压波动和闪变以及解决三相不平衡等方面问题，因此安装自动调节无功补偿装置十分必要。

2）加强供电区域联系，实现闭环运行

系统最小短路容量越大，谐波电流允许值也越大，而且系统对不平衡负荷的承受能力也越大，因此适量提高系统最小短路容量可以相对削弱污染源对系统的影响。安康电网四个供电区域供电饱和，各供电区间之间互供能力弱，因此若能加强各供电区域的联系，实现网络可靠闭环运行，可以间接实现短路容量的提高。

3）坚持“从源头治理”原则

虽然目前要完全实现“谁污染，谁治理”目标存在难度，但“从源头治理”措施既可以保证经济性，又可以保证可靠性。目前可以采取的措施有：1）督促铁路部门在牵引变电所低压侧装设谐波滤除装置；2）合理设置电铁牵引负荷的运行，尽量保证供电臂负荷的平衡；3）采用平衡变压器，降低单相牵引负荷不平衡度对系统的影响。

4）加强电能质量的实时监测

电铁负荷是目前电力系统主要的谐波之一，因此有必要加强电能质量的监测，提出有针对性的提出电能质量治理方案，实现电能质量治理“对症下药”，效果事半功倍。

6 结语

本文通过对安康地区电网4座牵引变电所的实测数据进行分析可以看出目前安康供电区的电铁牵引负荷会产生的谐波与负序分量，不仅会引起电网电能质量下降，同时威胁PCC点附近设备的的安全运行。要对实现对电铁谐波与负序问题的有效治理需要在牵引变电站处安装自动无功补偿装置、同时加强供电区域的联系、采取积极主动防预、治理手段才是实现铁路与电力部门共赢的有效途径。

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Influence of Electric Railway Traction Load on Ankang Grid

ZHANG Bing1WU Xiaoman1WU Shu2SHAO Wenquan2
（1.State Grid Ankang Power Supply Bureau，Ankang 725000）
（2.Department of Electronic and Information，Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048）

According to the actual situation of Ankang grid，four traction station power quality of Ankang is assessed.The influence of harmonic and negative sequence current on the public connection point（PCC point）and the equipment near the PCC point of the electric railway traction load is analysised.In the end，the corresponding control measures are put forward according to the characteristics of the power grid of Ankang.

power grid，electric iron traction load，harmonic current，negative sequence current，common connection point

TM922.3

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.10.039

Class Number TM922.3

2017年4月8日，

2017年5月28日

张彬，男，高级工程师，研究方向：电力系统继电保护、电网安全分析。吴小曼，女，工程师，研究方向：电力系统无功优化、电能质量监测。吴淑，女，硕士研究生，研究方向：电能质量监测与评估。邵文权，男，副教授，博士，研究方向：电力系统自动化。