电气化铁路对电力系统的影响

2023-05-30 来源：个人技术集锦

　西安理工大学学报JournalofXi’anUniversityofTechnology(2002)Vol.18No.2　　　文章编号:100624710(2002)0220193204

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电气化铁路对电力系统的影响

马　军,杨　媛,高　勇

(西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048)

摘要:从实际运行经验中实测出数据,分析了电气铁道牵引变压器对固原地区电力系统的

影响,表明电气化铁路输入电力系统的谐波电流为三相不平衡谐波,应从源头上减少谐波、降低负序。

关键词:电力机车;负序;谐波

中图分类号:TM711　　　文献标识码:A

TheAffectionoftheElectricalRailwaytothePowerSystem

MAJun,YANGYuan,GAOYong

(Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048,China)

Abstract:ThedatameasuredfrompracticeprovestheaffectionsoftheelectricalrailwaytransformertoGuyuanpowersystem.Itisshowedthattheharmoniccurrentputintothepowersystemfromtheelectricalrailwayisthree2phaseunbalancedharmonicwave,whichbringthenegativeeffectstothepowernetwork.Sotheviewthattheharmonicwaveandnegative2sequencecurrentshouldbereducedattheplacewhereitisproducedispresented.Keywords:powerengine;negative2sequence;harmonicwave

随着宝中电气化铁路的建成投运,出现单相牵引整流冲击负荷,严重地破坏了固原地区电力系统的对称运行,产生的负序分量和高次谐波将给该地区电力系统带来一定的影响。

1　固原地区新电网及牵引变概况

固原地区新电网的特点是以330kV为主网,以连接陕、甘、宁的固原330kV枢纽变电所为电源点,贯穿南北110kV双回线路供地方负荷和牵引负荷,四个110kV牵引变分别位于六盘山、固原、三营、李旺等地区,六个110kV地方负荷变分别位于瓦亭、固北、三营、七营、西吉、海原等地区,以上变电所均为单侧电源供电。

2　牵引电流的性质

牵引负荷是波动的,在振幅方面波动大,在相角与谐波含量上波动小。波的形状将由机车设备的型号、数量、分布及其运行状态(如加速度、正常运转、滑行与制动)所决定,还受供电电路参数所影响。根据有关资料,列车所取得的电流不能保持恒定30s之久,因为坡度、曲率以及风阻的变动,所以对机车需作经常的调节以保持其恒速运行;此外,机车进站停车也需要按照信号改变速度。机车电流往往在几秒钟或更短期间内从零变化到满负载或从满负载到零,而且在整个期间都有很大的变动。这就明显说明,不可能详尽考查各种负荷情况,可假定一些有代表性的负荷曲线。

有几列列车同时在同一区段运行时,它们的电流要合成典型供电点电流,电流波动大且频繁,其最大电流只经历很短时间,供电点的电流将是各个机车电流的总和。当列车离开一个馈电站馈电的区段而进入下一馈电站馈电的区段时,便要限制它由新区段吸取的那一级电流。虽然如此,还是与有剩

收稿日期:2001208213

作者简介:马军(19572),男,西安理工大学在职博士研究生。

194　西安理工大学学报(2002)第18卷第2期　

磁通的变压器突然连接,这必然会出现磁化涌流,其滞迟约2s,波形类似半波整流电流,谐波畸变很大,而且还包含有偶次谐波。分析表明,最大谐波含量只有约10MVA的牵引负荷,所以此现象并不表明存在任何严重的系统问题。

3　电气化铁路的影响

宝中电铁在固原地区有四个牵引变,电力机车牵引负荷为波动性很大的功率单相整流负荷。根据宝中线设计,当线路坡度在6‰以下时由韶山4型单机(功率6400kW)牵引,线路坡度在6‰～13‰时由韶山4型双机(功率12800kW)牵引。固原区段全线海拔最高,固原以南坡度10‰左右,采用双机牵引,固原以北坡度6‰左右,采用单机牵引。从牵引负荷的性质及实测谐波曲线图1、图2、图3分析,在该供电区间变电所的谐波及负序分量大大超过了国际限值。由此可见,负序和谐波两项总和的影响是电气化铁路对固原地区电力系统的最主要影响,分述如下。

图1　实测电压谐波及负序分量曲线

图2　3次谐波电流及电压谐波畸变率

图3　5次谐波电流及电压谐波畸变率

　马军等:电气化铁路对电力系统的影响　195

1)负序影响。电气化铁路采用单相联系工频电力机车,牵引变电所采用Y󰃗∃接线制,所以每列

电气牵引列车对电力系统构成两相制负荷。虽然各牵引变电所相序互相错开,整条电气铁路的三相负荷仍不能平衡,且不平衡负荷时大时小,使得电气铁路产生快速波动的负序电流,并流入电力系统各处。负序电流或负序电压启动后,受它们干扰的继电保护和自动装置频繁误启动。其中距离保护的负序震荡闭锁装置误动后,除了作用于触发声光报警信号外,还可能产生以下后果:①当电气铁路负序信号作用时间较长时,距离保护要转入闭锁状态,使线路在当时失去保护;②当铁路负序作用于解除振荡闭锁后,系统又立即发生振荡,则使保护误动而触发跳闸(切断线路)。

固原地区电力系统考虑牵引负荷的干扰,从设计到设备选型均考虑了该因素,经考查,选用了许昌继电器厂适用于电气化铁路的线路保护装置,它是利用负序和零序作为起动元件,针对电气化铁路的特点,线路距离保护振荡闭锁采用了快速复归功能。快速复归的作用是,当有冲击负荷、系统操作等情况时使装置能迅速复归,不进入振荡状态,以免在此时发生故障时装置可能失去快速保护作用;另外,当有冲击负荷、系统操作时装置不对外发信号,以免干扰运行人员。快速复归时间不大于100ms,虽然在原理上未根本解决负序干扰,但在我国甘肃、陕西等电网中已得到了应用,证明基本可保证系统安全运行。

如果采用从超高压(220kV或以上电压)降压变电所以110kV专用线路按放财型方式向电铁牵引变电所供电,也可缓解线路保护受电铁谐波和负序干扰而启动时对电网安全运行的威胁。重要的问题在于,因为我国财力的限制,全部的牵引变达不到该条件供电,固原地区电力系统四个牵引变仅有固原牵引变采用330kV变电所以110kV专用线路供电,其余三个牵引变是从公用的110kV网络供电,要用供电方式来缓解电铁对保护的严重性,在若干年内难有较大的进展。

2)谐波影响。电铁的电力牵引单相整流机车使牵引变压器27.5kV侧电流以及电压发生畸变,所产生的大量高次谐波分量通过牵引变压器的高压侧注入电力系统,并与系统“背景负荷”产生的负序源两者叠加,使系统内部电网的3次、5次谐波在谐振时严重放大。电力机车是一个很大的谐波源,机车类型不同,波形畸变不同,谐波含有率也不同,根据资料统计,韶山4型电力机车主要含有3次、5次谐波。

谐波电流大小与基波电流有关,基波电流决定于牵引负荷,其经验公式为In=kI1󰃗n,式中I1为

基波电流,In为n次谐波电流,n为谐波次数,k=1.5～2,为修正系数。根据该公式及实测值,按电铁负荷计算出的谐波电流值如表1所示。

表1　按电铁负荷计算谐波电流值(归算到110kV)

机车型号韶山4型(6400kW)韶山4型双机车(12800kW)

I39.07～12.919.4～25.8

I53.49～4.656.98～9.30

I71.78～2.373.56～4.74

　　而根据国家的有关规定,任一用户注入电网连接点的各次谐波电流均不得超过表3规定的允许值。按电网最小短路容量计算的实际允许的谐波电流允许值见表2。

表2　用户注入电网的谐波电流允许值

用户供电

电压󰃗kV

110kV及以上

14.9

33.9

43.0

谐波次数及允许值󰃗A

4.0

3.0

72.8

81.2

91.1

基准短路

容量󰃗MVA

750

　　当电网实际最小短路容量和所选基准容量不同时,则应对允许进网的谐波电流进行换算:In=

196　西安理工大学学报(2002)第18卷第2期　

Sk1Inp󰃗Sk2,其中Sk1为电网最小短路容量,Sk2为计算机准容量(MVA),Inp为基准短路容量下谐波电

流允许值,In为实际允许进网的电流。按电网最小短路容量计算的实际允许的谐波电流允许值如表3所示。

表3　按电网最小短路容量计算的实际允许的谐波电流允许值

用户名六盘山牵引变固原牵引变三营牵引变李旺牵引变

I34.8611.96.603.47

谐波次数及允许值󰃗A

4.9912.26.783.56

I73.498.544.752.49

最小短路容量

󰃗MVA

93622911273668

　　比较表3和表1,可见电铁注入电网的谐波电流已超过允许值(还未包括“背景负荷”负序源分

量)而且牵引机车的负荷是一个随机变量,因而影响电网的谐波也是一个随机变化的量,严重地影响了本地区电力系统的安全运行。

4　结　语

通过以上所述,由于电气铁道Y󰃗∃—11牵引变压器的三相不对称运行以及T接牵引变压器两相负荷的不平衡,输入电力系统的谐波电流为三相不平衡谐波。各次谐波均由正序和负序谐波分量组成,没有零序谐波分量。T接牵引变压器两相负荷平衡时输入系统的谐波为三相平衡正序和负序谐波。电铁机车取用基波电流的同时向变电所注入大量的谐波电流,引起供电变电所谐波及负序分量的大幅度增加。要对电铁负荷产生的谐波分量进行制理,必须要从源头抓起,否则成效不会太大。这就需要铁道部门在设计、生产、运营各部门把关,充分考虑电力牵引负荷的特殊性,在电力机车上应装设3、5、7次滤波器,从源头上减少谐波对电网的影响。还可以将各牵引变电所并补装置设计改为3、5、7次滤波器设计,使得谐波分量消化在牵引变以内。对电铁负荷产生的负序分量,要求铁路调度

应力使电力机车均匀运行,以有效利用换相措施抑制负序电流的增加,必要时应考虑在牵引变的110

降低负序、抑制电压波动和闪变的静止无功补偿装置。kV侧装设具有滤波、

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(责任编辑　王卫勋)

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