兴泉铁路接入对电网电能质量的影响分析

黄俊

（中国电建集团江西省电力设计院有限公司，江西 南昌 330000）

实现“碳达峰、碳中和”目标的关键在于能源转型。铁路电气化是中国能源转型背景下的必然选择，在铁路电气化快速发展带来巨大社会经济效益的同时，大规模接入对电网的运行也产生了一定的影响。中国电气化铁路牵引系统主要由牵引变电所、外部供电线路及内部接触网等组成。电力机车电源由接触网的27.5 kV单相工频交流电，经机车内部的整流设备整流成直流供给牵引电动机[1]。因此，牵引负荷是单相整流负荷，是一种非线性负荷，相对于电网三相稳定负荷，具有随机特性，且不对称。牵引负荷接入电网会产生较大负序分量和谐波分量，这将对电力系统的供电质量有一定的影响。

1 兴泉铁路概况

新建兴国至泉州铁路（以下简称“兴泉铁路”）西起江西省赣州市兴国县京九铁路兴国站，经于都、宁都、石城3县，进入福建省三明市宁化县。根据项目可研批复和初设批复，兴泉铁路江西省境内新建兴国南、葛坳、宁都、石城共4座牵引变电所。兴泉铁路江西段新建的4座牵引站变电所均采用双回路110 kV进线电源，互为热备用；110 kV侧接线采用带跨条分支接线形式，其中牵引变压器采用平衡接线方式，一主一备，设置备用电源及主变自动投切装置。27.5 kV侧采用单母线分段接线，馈线断路器采用固定备用方式。

2 电能质量计算基础数据

2.1 计算条件

计算负荷水平、电源及网络，依据电网发展规划中的相关内容。牵引变所在地区110 kV及以上网络参与计算，电网220 kV及以上网络参与计算。牵引站负荷均按远期有效负荷、最大负荷进行校验计算。计算工具采用美国ETAP电能质量计算仿真软件ETAP 12.6.0版本。

2.2 计算参数

兴泉铁路全路段开行电力机车全部为交直交型电力机车。电力负荷随电力机车运行变化，负荷曲线波动较大，牵引变压器负荷率和容量利用率较低，功率因数较高，牵引变电站内不设置无功补偿装置。本线各型电力机车主要技术指标如下：货车机型为HXD3，客车机型为HXD3D，速度分别为120 km/h、160 km/h，额定功率为7 200 kW（双机14 400 kW），功率因数大于0.97，综合谐波含量小于2.5%。设计采用平衡结线牵引变压器以减小电气化铁路对电力系统电能质量的影响。兴泉铁路各型电力机车谐波含有率如表1所示。系统变电站110 kV母线的谐波电压现状如表2所示。

表1 货车HXD3谐波含有率

表2 系统变电站110 kV母线的谐波电压现状

3 电能质量计算分析结果

3.1 谐波计算

本铁路机车均为HXD系列，因此仿真计算时谐波源主要考虑HXD3交直交型货机列车产生的谐波。另考虑由于9次以后谐波影响较小，因此下列结果分析中只列出9次之前的谐波结果。电力机车在运行中负荷波动大，根据远期负荷特性数据，分别计算了各牵引变电站在有效负荷、95%最大概率负荷2种情况下注入变电站的谐波电流。

远期兴泉铁路各牵引变电所注入PCC点的谐波电流值如表3所示。

表3 远期兴泉铁路各牵引变电所注入PCC点的谐波电流值

电网正常运行方式下，牵引站注入PCC点的各次谐波电流均符合国家标准要求时，牵引变注入PCC点的各次谐波电流均符合国家标准要求[2]。

综合考虑系统的背景谐波后，各个PCC点的谐波电压含有率如表4所示。

表4 远期95%最大负荷时系统变电站谐波电压含有率（单位：%）

电网正常运行方式下，接入变电站110 kV母线的各次谐波电压含有量和电压总谐波畸变率均未达到国家规定标准，牵引变注入PCC点的各次谐波电流均符合国家标准要求，接入变电站110 kV母线的各次谐波电压含有量和电压总谐波畸变率均未达到国家规定标准。

3.2 电压波动计算

由于铁路设计单位目前无法准确提供牵引站的负荷曲线，依据GB/T 12326—2008对电压变动的估算方法[3]，对于冲击负荷，为负荷冲击时，视在功率由0上升为最大功率的变化量；Ssc为供电系统PCC的短路容量。本文考虑电铁对电网电能质量影响的较严重情况，以高峰小时负荷进行分析计算，估算各牵引变电站并网点处（所接入变电站的110 kV侧）由牵引负荷引起的电压波动值分别为0.88%、0.65%、0.68%、0.99%，均低于2.5%规定限值，满足国家标准要求。

3.3 三相不平衡计算

为了充分考虑由于两臂负荷不平衡对系统产生的负序影响，本文中牵引变左、右2个供电臂的行车运行状态考虑了以下2种运行方式：各牵引变2个供电臂正常运行（对应全日平均有效电流）；相邻的2个牵引变的相邻供电臂一个供电臂重载运行（对应95%概率最大电流），另一臂正常运行（对应全日平均有效电流）。本文中电力系统公共连接点负序电压不平衡度考核标准值取为，对应牵引变供电臂正常、重载运行时，负序电压不平衡度不超过2%；供电臂紧密运行时，负序电压不平衡度不超过4%。本文对兴泉铁路各个牵引站对近区电网负序电压的影响进行了计算，包括主供工况下的远期2种运行方式（正常、重载）。由于各牵引站主、备供电均接入110 kV电压等级，接入点短路容量较大，各牵引站对近区电网负序电压的影响不大，各种计算方式下相关变电站母线负序电压不平衡度最大为3.21%，符合规程规定。计算结果如表5所示。

表5 兴泉铁路近区电网负序电压不平衡度

三相不平衡计算结论：各个牵引站主供、备供工况下的远期2种运行方式（正常、重载）下，牵引站近区变电站母线电压均满足国标要求[4]，但建议加强监视。

4 结论与建议

兴泉铁路专线为HXD3交直交型货机和HXD3D交直交型客机时，电网正常运行方式下，牵引站注入PCC点的各次谐波电流均符合国家标准要求；牵引站接入变电站110 kV母线的各次谐波电压含有量和电压总谐波畸变率均满足国家标准要求。牵引站近区变电站110 kV侧母线电压波动分别为0.88%、0.65%、0.68%、0.99%，均低于2.5%规定限值，满足国家标准要求。牵引站近区变电站正常运行和重载运行时，110 kV母线电压不平衡度分别低于2%、4%规定限值，均满足国家标准要求。报告给出的是以典型参数为基础的计算结果，可能会与建成后的实际情况有所差别，建议在本工程投运初期进行电能质量测试，以准确评估兴泉铁路专线各牵引变电所对电力系统的实际电能质量的影响。