外部电源对电气化铁路电能质量的影响

电气化铁路电能质量与综合控制技术西南交通大学电气工程学院第六章外部电源对电气化铁路电能质量的影响6.1概述电气化铁路进线一般选择110kV或220kV情况变化电网建设和改造：主网由220kV向500kV发展重视电能质量：尤其针对电气化铁路因此推荐电气化铁路进线采用220kV电压等级依据220kV的供电可靠性高于110kV电压等级，与客运专线和高速铁路的高可靠性相匹配；220kV的供电电压水平要求更高；大量新建的客运专线和高速铁路全部采用最先进的交-直-交牵引方式，功率因数极高，谐波含量极低，不再对电网构成威胁。牵引变电所采用220kV进线会使变电所的造价有所增加。6.2牵引供电系统常用供电方式6.2.1牵引供电系统的电流制直流制：优势采用串励直流电机，不足电压低单相低频交流制：16.67Hz，德国、奥地利等西欧国家采用三种方式：完全独立的电力牵引专用的低频供电系统；在专设的变频变电所内将三相工频交流电变为单相电；在牵引变电所进行降压、变频变相。工频单相交流制：50Hz，法国、日本、前苏联、中国等，40%工频单相交流制特点主要优点牵引供电系统结构简单。牵引供电电压增高。交流电力机车的粘着性能和牵引性能良好。和直流制比较，交流制的地中电流对地下金属的腐蚀作用小，—般可不设专门防护装置。主要问题负序电流功率因数低交直机车谐波电流严重对沿线通讯线路造成电磁干扰环形供电牵引变电所在高压侧与一次系统联成环形网。优点：供电可靠性好，能适应负荷的剧烈变化要求：铁路附近有两个以上发电厂或地区变电所且其间有电力网互联。（受系统结构限制）地区变电所或发电厂地区变电所或发电厂牵引变电所牵引变电所6.2.2电力系统供电方式双侧供电（两边供电）电源来自电力系统的两个地区变电所，给铁路供电的输电线是联络这两个地区变电所的通路。优点：同环形供电要求：牵引变电所两侧都有电源应用广泛双路输电线牵引变电所牵引变电所单侧供电（一边供电）单侧供电是由一个地区变电所给数个牵引变电所供电，为保证供电可靠性，应采用双路（或双回）输电线。单侧供电方式的可靠性一般比双侧供电方式和环形供电方式要差，而投资不会比环形供电方式和双侧供电方式少。要求：必须有两回路输电线供电，且有各自的杆塔和走线双路输电线牵引变电所牵引变电所散射供电（辐射线供电）当各牵引变电所离开电源差不多等距并且比单边供电更经济时，可采用散射供电方式。缺点：可靠性差要求：相邻几个牵引变电所布置成弧形，且地区变电所或发电厂的距离较近时，必须两回路输电。地区变电所或发电厂牵引变电所6.2.3内部供电方式（按牵引网设备类型的分类）（1）直接供电方式牵引网结构最简，投资最小，但钢轨电位较高，对通信线的干扰感应最大，主要适用于通信线路（主要是明线）较少或很易将受扰通信线迁改径路的场合。基本型直接供电方式在法国、英国、原苏联都广泛应用。CT基本型直接供电方式带回流线的直接供电方式：在钢轨上并联架空回流线（又称负馈线）。钢轨电位大为降低，对通信线的干扰得到较好抑制。还能降低牵引网阻抗，使供电臂延长30%及以上。带负馈线的直接供电方式NCT（2）BT供电方式BT/回流线方式：BT串入接触网，间隔约1.5km-4km，用以吸回地中电流，减少通讯干扰。BT/回流线方式牵引网结构复杂，造价较高，牵引网阻抗变大，供电臂长度将减小；因存在BT分段（火花间隙），不利于高速、重载等大电流运行；但BT方式的钢轨电位低，抑制通信干扰的效果很好。BT/回流线方式BTBTNCTBT-回流线方式比BT-钢轨方式抑制通信干扰的效果好。我国采用的BT方式均为BT-回流线方式，而英国、法国、瑞典两种方式都有应用，挪威只用BT-钢轨方式。BT/钢轨方式BTBTCT（3）AT供电方式AT并联于牵引网中，克服了BT串入网中BT分段的缺陷，使供电电压成倍提高，牵引网阻抗小，供电距离长（约为直接供电方式的170%-200%），网上压损和能损都小，是一种适于高速、重载等大电流牵引方式。一般AT间隔约10km左右，AT供电方式的钢轨电位较低，抑制道路干扰的效率与BT-回流线方式相近，投资要高一些。AT供电方式在日本山阳新干线上应用，后来法国、美国、前苏联、我国等相继采用。nnATATPFCTAT接触网钢轨正馈线6.3电源供电能力与电气化铁路运行可靠性电源供电能力一般用短路容量来衡量。短路容量是指三相短路时系统等效电源供给短路点处的容量。电力系统的短路容量，是选择牵引变电所牵引变压器与开关等电力设备所必需的重要参数，同时也是估计电力系统供电能力的重要依据。6.3电源供电能力与电气化铁路运行可靠性日本、法国、英国、美国平均每户每年停电时间分别为9、94、77、58min，即供电可靠率分别为99.998％、99.982％、99.98％、99.989%。我国的供电可靠性较低，1995年供电可靠率只有99.075%。6.4电能质量与外部电源电压等级选择影响因素供电的可靠性电源电压等级越高，其供电可靠性也越高，客运专线、高速铁路及重载铁路都提出了更高的可靠性要求电能质量电气化铁路主要涉及电压偏差、三相电压不平衡、电压波动、电网谐波、无功补偿与功率因数等电能质量指标，它们在国标中主要反映用户干扰量与系统短路容量的关系。增大系统供电容量，可以达到增强系统的承受能力的目的。6.4.1电力系统的供电能力限制电力网送电能力的因素导线发热电压损失功率和能量损耗起因：电流解决方法：提高供电电压，减小电流表6-1电力网电压与输送功率、距离的关系额定电压（kV）输送功率（MVA）输送距离（km）11010～5050～150220100～150100～3005001000～1500150～850我国普速电气化铁路一般采用110kV电压等级。对于高速电气化铁路推荐采用220kV电压等级。既有京沪线电气化工程部分即采用了220kV的电压等级。新建客运专线则全部采用220kV电源。外部供电电源容量与可靠性（1）短路容量外部供电电源容量一般用短路容量来衡量电力系统的发电容量越大，短路容量越大；负载点距离电力系统电源越近，短路容量也越大提高输电线的电压等级，可提高电力系统的短路容量Sd分布范围(MVA)110kV电网440~3500220kV电网3700~14000电网短路容量分布范围6.4.2牵引供电系统电压损失对短路容量的需求分析的负荷和系统条件普速110kV系统PCC短路容量取500~2000MVA，供电设备容量取180~350MVA。牵引变压器容量取较为常见的20MVA、25MVA、31.5MVA、50MVA；牵引变压器的接线方式；采用复线带回流线直接供电方式或AT方式；供电臂长度20~25km且每供电臂最大列车数为四列。列车采用交－直传动方式，时速120km/h，追踪间隔5分钟，列车功率因数大于0.8，单列机车额定功率6400kW，4800kW。6.4.2牵引供电系统电压损失对短路容量的需求分析的负荷和系统条件高速按220kV系统PCC短路容量取750~6000MVA，供电设备容量取180~350MVA。牵引变压器容量63MVA、75MVA、120MVA（规划中远期最大容量），阻抗电压10.5%；牵引变压器的接线方式；采用复线AT供电方式；供电臂长度30km且每供电臂最大列车数为四列。列车采用交－直－交传动方式，时速250~350km/h，追踪间隔3分钟，列车功率因数大于0.95，谐波电流总畸变率5%，单列机车额定功率13200kW，最大功率23000kW。6.4.2牵引供电系统电压损失对短路容量的需求牵引供电系统的最低电压水平牵引网压损影响因素列车功率因数供电臂长度常速列车牵引网压损为4000V左右，高速列车牵引网压损为5000V左右。minmax29jTSUUUU6.4.2牵引供电系统电压损失对短路容量的需求牵引变压器压损影响因素变压器的容量变压器的漏抗负载电流的大小低压侧功率因数牵引网电压损失和牵引变压器压损与系统短路容量无关。常速列车两者之和在6500V左右，高速列车两者之和在7000V左右。短路容量与电压偏差为减小电压偏差，应选择尽量大的短路容量普通铁路高速铁路ST（MVA）202531.5506375120Sd（MVA）50075012001900180025004500Sd/ST25303838293338最低网压20kV要求的ST与Sd的关系普通铁路：建议Sd在500~2000MVA以上，接入110kV电网。高速铁路：建议Sd在1800~4500MVA以上，接入220kV电网。以上是按铁路标准（TB）最低网压20kV计算的结果。表6-3各部分电压损失统计分析表牵引变容量（MVA）202531.540506380牵引网压损（V）316235%390043%461249%477753%356840%383043%488954%牵引变压损（V）419347%385043%347937%333537%430748%423547%340738%电力系统压损（V）159718%122214%139215%8479%107912%90710%6838%结论：由统计分析可见，与电力系统短路容量密切相关的电力系统电压损失仅占总损失的８%至18％间。因所占份量相对较小，通过提高短路容量提高电铁供电电压的所得是有限的。电压偏差系统短路容量与供电电压偏差的关系GB/Tl2325－2008《电能质量一供电电压允许偏差》中规定：35kV及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10％。电压波动的范围与牵引供电系统的外部电源供电能力即电压等级直接相关。一般系统容量增大，系统的短路阻抗减小，使得系统的电压损失降低，从而牵引变压器出口电压水平提高，牵引网电压水平提高，但相应的电压波动允许百分比也降低了。保证电铁供电系统电压质量的基本结论常速普通电气化铁路（牵引变容量20MVA-50MVA）：系统短路容量建议在500MVA至2000MVA以上，即为牵引变容量的25-38倍。重载货运电气化铁路（牵引变容量63MVA-75MVA）：系统短路容量建议在2800MVA至3800MVA以上，即为牵引变容量的44-48倍。高速客运专线电气化铁路：（牵引变容量63MVA-120MVA）：系统短路容量建议在1800MVA至4500MVA以上，即为牵引变容量的29-38倍。上述计算中，仅考虑了典型的牵引负载，在实际系统设计中，还要更详细的考虑牵引系统可能遇到的各种负载情况。6.4.3三相电压不平衡度限定对短路容量的需求GB/T15543－2008《电能质量-三相电压不平衡》的规定，电力系统公共连接点的正常电压不平衡度允许值为2％，短时不得超过4％。三相电压不平衡度可由下式近似计算在负序功率一定的情况下，三相电压不平衡度只与公共连接点的短路容量有关，短路容量越大，系统承受负序影响的能力越强。kNuSIU103京津城际采用交-直-交型电力机车，设计速度350km/h，运营速度300km/h，全线（复线）按2个单相接线牵引变电所配置计算，每个牵引变电所的最大单相负荷功率为81.9MVA。220kV电力系统110kV电力系统''81.9100%100%1.638%5000euSS''81.9100%100%4.095%2000euSS短路容量与电压不平衡度增大牵引变电所受电点处的短路容量，可以减小该处的三相电压不平衡程度和对其他负荷的负序影响。从电压不平衡度（负序）看：依GB/T15543-2008，取1.5倍牵引变压器额定负荷为95％概率大负荷值，则需要Sd≈116ST。GB/T电压偏差要求的ST与Sd的关系标准对负序的要求很严格，当给电气化铁路供电的电网Sd达不到表所列数值时，铁路产生的负序需予治理。注意到120MVA牵引变电所对应的电网Sd为13920MVA，已近220kV极限，负序问题尤为突出。普通