李曉婷，孫 威

（陜西省電力設(shè)計(jì)院，西安 710054）

1 陜西電網(wǎng)及已投產(chǎn)電氣化鐵路總體概況

截至目前，陜西省建成運(yùn)營(yíng)的電氣化鐵路有隴海鐵路、陽(yáng)安鐵路、寶中電鐵、寶成鐵路、襄渝鐵路、神朔鐵路、寶天鐵路、西南鐵路、西康鐵路、西安鐵路樞紐北環(huán)線、包神鐵路總計(jì)11條，非電氣化鐵路1條，為西延鐵路。電氣化鐵路在陜西西安、咸陽(yáng)、寶雞、渭南、榆林、漢中、安康、商洛8個(gè)城市均有分布，電鐵牽引站總計(jì)61座。電氣化鐵路變電站的外部供電電壓等級(jí)均采用110 kV。陜西境內(nèi)電氣化鐵路年最大用電負(fù)荷約86萬(wàn)kW，占全省用電負(fù)荷的9.1%；年用電量約23.2574億kW·h，占全省全社會(huì)用電量的3.6%左右；電氣化鐵路系統(tǒng)總體最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)約2 600 h[1-2]。

2 目前電氣化鐵路外部供電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及基本要求

2.1 電力牽引系統(tǒng)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1）牽引站主接線方式：均為線路分支接線；

2）牽引變壓器形式：大多為Yn,d11接線型式、個(gè)別為三相VV接線型式；

3）牽引系統(tǒng)供電方式：均為帶回流線的直接供電方式；

4）牽引機(jī)車形式大都采用客機(jī)SS7E、SS9，貨機(jī)SS4；

5）電力牽引站主變構(gòu)成以及運(yùn)行方式：現(xiàn)狀運(yùn)行的電力牽引站均為2臺(tái)變壓器，單臺(tái)主變?nèi)萘繌?5MV·A、16MV·A、20MV·A、31.5MV·A、50MV·A不等，2臺(tái)變壓器容量構(gòu)成不盡相同，且均有較大的過(guò)負(fù)荷能力。正常方式下2臺(tái)變壓器一臺(tái)運(yùn)行一臺(tái)熱備用。

2.2 電氣化鐵路外部供電工程對(duì)電力系統(tǒng)的基本要求

電氣化鐵路機(jī)車牽引負(fù)荷為一類負(fù)荷，要求可靠性高，一般由電力系統(tǒng)以110 kV電壓供電。牽引變電站除要求安裝2臺(tái)主變，一臺(tái)運(yùn)行一臺(tái)熱備用外，還必須有2個(gè)獨(dú)立的電源，且牽引變的2個(gè)供電線路要求有各自桿塔和走徑，保證一回供電線路故障切除時(shí)，另一回線路迅速投運(yùn)，縮短牽引變的停運(yùn)時(shí)間。

3 電氣化鐵路外部供電對(duì)電力系統(tǒng)的影響

3.1 電氣化鐵路電力牽引系統(tǒng)運(yùn)行特性對(duì)供電系統(tǒng)的影響及應(yīng)對(duì)措施

電氣化鐵道電力機(jī)車牽引負(fù)荷為波動(dòng)性大的大功率單相整流負(fù)荷，在電力系統(tǒng)中具有隨機(jī)性、沖擊性、不對(duì)稱性和非線性等特點(diǎn)，從而對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備及電能質(zhì)量產(chǎn)生諸多影響，歸結(jié)起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)：

1）機(jī)車運(yùn)行的隨機(jī)性和沖擊性造成系統(tǒng)電壓波動(dòng)。

2）不對(duì)稱性供電會(huì)在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生負(fù)序分量，進(jìn)而造成系統(tǒng)中運(yùn)行的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)或轉(zhuǎn)子局部過(guò)熱現(xiàn)象，直接危害發(fā)電設(shè)備，影響運(yùn)行狀況及壽命，也可能使負(fù)序分量起動(dòng)的保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)。

3）非線性。電力機(jī)車從接觸網(wǎng)得到的單相工頻交流電，需經(jīng)機(jī)車內(nèi)部大容量的硅整流變成直流，因此在機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中整流設(shè)備會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生高次諧波。由此產(chǎn)生的高次諧波會(huì)造成高頻保護(hù)誤動(dòng)、電容器誘發(fā)諧振甚至燒壞、對(duì)通訊線路造成干擾、網(wǎng)損增加、電度表計(jì)量精度下降等問(wèn)題，對(duì)電網(wǎng)供電可靠性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性都會(huì)產(chǎn)生不利。減小負(fù)序電流和高次諧波的措施主要有：

①牽引變采用限制負(fù)序電流和諧波效果較好的變壓器，如“SCOTT”變壓器、平衡變壓器等。

②牽引變電站采用換相連接，盡量使電力系統(tǒng)平衡運(yùn)行以減小負(fù)序電流。

③合理安排牽引機(jī)車的運(yùn)行方式，使三相負(fù)荷平衡以減小負(fù)序電流。

④系統(tǒng)中安裝濾波器、SVC等設(shè)備以吸收諧波、減小負(fù)序電流[3]。

3.2 電力鐵路走徑、牽引變電所落點(diǎn)等固有特點(diǎn)對(duì)供電工程的影響

3.2.1 電氣化鐵路路徑方面

牽引變電所都沿鐵路走向分布，由于電氣化鐵路大多路段途經(jīng)偏遠(yuǎn)地帶；僻遠(yuǎn)地段交通、經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后，往往此類區(qū)域也正是電網(wǎng)薄弱區(qū)域甚至是電網(wǎng)覆蓋盲區(qū)。因此，在電氣化鐵路外部供電工程中，不可避免地需要新建大量電力線路；同時(shí)為滿足電氣化鐵路高可靠性的要求，電鐵外部供電電源線路原則上應(yīng)從電力系統(tǒng)變電站直接出線，因此電力系統(tǒng)需要為電氣化鐵路供電儲(chǔ)備大量的出線間隔；從而必然引起電力系統(tǒng)已有變電站的改擴(kuò)建。已有電網(wǎng)無(wú)法解決的區(qū)域，在低電壓供電技術(shù)本身能滿足要求的地方需考慮采用更高等級(jí)電壓供電或采用大量技術(shù)難度大、運(yùn)行復(fù)雜的技術(shù)手段。

比如，在太中銀電氣化鐵路從東自吳堡縣進(jìn)入陜西，一路向西到定邊縣出陜西境，陜西境內(nèi)全長(zhǎng)約300 km。所經(jīng)地區(qū)均處于電網(wǎng)末端，缺乏電源及電網(wǎng)支撐。為滿足沿線7座牽引變電所供電，電力系統(tǒng)須建設(shè)綏德、靖邊和定邊3座330 kV變電站；同時(shí)需建設(shè)110 kV輸電線路約500 km，電網(wǎng)總投資約12億元。僅110 kV線路投資約3億元[4]。在包西電氣化鐵路供電工程中張興莊牽、綏德?tīng)俊⒑艏宜?、子長(zhǎng)牽、北塬牽仍存在上述問(wèn)題。

3.2.2 電力牽引變電所所址落點(diǎn)對(duì)電力系統(tǒng)的影響

大多電力牽引變電所落點(diǎn)都在人口密集、廠房集中、交通發(fā)達(dá)的火車站附近。從而導(dǎo)致?tīng)恳冸娝夤╇娫催M(jìn)出線異常困難；理想的、技術(shù)性優(yōu)越的外部供電方案落實(shí)困難。例如包西電氣化鐵路的閆莊則、子長(zhǎng)、蟠龍、延安、甘泉、洛川東共6座牽引變電所，由于牽引變所址所處區(qū)域人口密集、廠房集中直接影響架空出線，為此牽引變電所進(jìn)線段不得不采用電纜，共計(jì)采用電纜約14 km，較普通架空線路投資約高6 000萬(wàn)元[5]。不僅如此，而且在采用電纜時(shí)，由于受電氣化高次諧波影響，電力電纜將產(chǎn)生的集膚效應(yīng)等不利于電纜安全運(yùn)行和電纜使用壽命的不良影響[6]。

3.2.3 電力牽引變電所固有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)供電工程系統(tǒng)方案的影響

現(xiàn)已運(yùn)行、在建以及正在設(shè)計(jì)的電氣化鐵路牽引變電所主接線方式均為線路分支接線,電源側(cè)接線簡(jiǎn)易，嚴(yán)重制約了牽引所之間供電電源側(cè)互聯(lián)。因此，為保證電力牽引變電所供電可靠性，電氣化鐵路供電線路連接必須從電網(wǎng)方面解決。比如，電力牽引所要么從系統(tǒng)變電站直出電源、要么為沿線電力牽引所建設(shè)單獨(dú)的開(kāi)關(guān)站，這樣一來(lái)一方面制約著電氣化鐵路供電方案的優(yōu)越性發(fā)揮，另一方面造成電網(wǎng)建設(shè)投資增大。比如太中銀、包西電氣化鐵路等供電方案中，為滿足電氣化鐵路供電需要，受牽引變電所接線形式限制不但占用了系統(tǒng)大量的出線間隔位置，而且須配套建設(shè)數(shù)座系統(tǒng)變電站或開(kāi)關(guān)站。尤其在太中銀電氣化鐵路供電工程中：

1）若采用電力牽引變電所固有的線路分支接線，采用系統(tǒng)直出接線方式向牽引變供電，至少須系統(tǒng)12個(gè)110 kV出線間隔，須新建約620 km線路，建1座110 kV開(kāi)關(guān)站（或變電站），投資約4.2億元；

2）同樣如果采用系統(tǒng)直出接線方式向牽引變供電，電力牽引變電所不采用固有電氣主接線的情況下，較采用固有電氣主接線形式，須出線10個(gè)110 kV出線間隔，建線路約442 km，也不需要專門(mén)建設(shè)開(kāi)關(guān)站，投資約2.8億元?？梢?jiàn)，僅通過(guò)電力牽引變電所優(yōu)化完善電氣主接線形式，可節(jié)省電網(wǎng)建設(shè)投資1.4億元。

3.4 電氣化鐵路用電與供電工程建設(shè)工期差異對(duì)供電工程的影響

由于電氣化鐵路本體工程中，外部供電系統(tǒng)站總體工程比例甚小，往往在本體施工階段才與電力部門(mén)溝通，因此造成供電工程建設(shè)被動(dòng)；加之電網(wǎng)建設(shè)前期審批、核準(zhǔn)等程序復(fù)雜、流程周期長(zhǎng)，故而為滿足鐵路按時(shí)供電，直接導(dǎo)致供電工程建設(shè)周期短、壓力大。

4 結(jié)論及建議

1)考慮電力牽引負(fù)荷為單相的非線性負(fù)荷，由于功率大，分布廣，而且三相不對(duì)稱，在其運(yùn)行過(guò)程中必然會(huì)有較大的負(fù)序電流和高次諧波注入電網(wǎng)，從而使電能質(zhì)量受到影響。一方面，作為電力系統(tǒng)應(yīng)完善網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，加大電網(wǎng)容量、提高電網(wǎng)抗負(fù)序及諧波能力，合理安排電網(wǎng)運(yùn)行方式，在保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，可以利用電力系統(tǒng)中所能允許的某些元件如線路、變壓器、電抗器的投入或退出來(lái)改變系統(tǒng)中負(fù)序電流的分配，以達(dá)到減少流入監(jiān)視負(fù)序電流的目的。另一方面，鐵路設(shè)計(jì)、運(yùn)行等部門(mén)在電鐵設(shè)計(jì)、運(yùn)行過(guò)程中對(duì)運(yùn)行方式應(yīng)予以充分重視，無(wú)論是在相序安排或是考慮限制電氣化鐵路的運(yùn)行方式等多方面進(jìn)行考慮，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[7]。

2)有關(guān)鐵路設(shè)計(jì)、建設(shè)等部門(mén)應(yīng)與供電部門(mén)加強(qiáng)溝通，在執(zhí)行有關(guān)電鐵標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)應(yīng)充分考慮電力行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在規(guī)程規(guī)范許可范圍內(nèi)適當(dāng)采用加強(qiáng)型電氣主接線形式。

3)有關(guān)鐵路部門(mén)，須對(duì)電氣化牽引負(fù)荷采取有效的諧波管理和抑制措施，盡量減少各次諧波電壓含有率及負(fù)序電流，并在鐵路列車正式投運(yùn)前提交對(duì)諧波及負(fù)序治理效果的專題測(cè)試報(bào)告。

4）隨著電鐵運(yùn)輸量的不斷增大，電鐵牽引站引起的負(fù)序電流分量仍可能會(huì)相應(yīng)增大。因此，為保證發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行，必須在發(fā)電機(jī)組的入口處加強(qiáng)對(duì)負(fù)序電流的監(jiān)測(cè)和保護(hù)。對(duì)機(jī)車注入電網(wǎng)的負(fù)序、諧波電流及高次諧波電壓含量進(jìn)行監(jiān)視。

5）建議供電部門(mén)在保證電氣化鐵路安全供電的同時(shí)，在供電質(zhì)量、報(bào)裝容量與實(shí)際運(yùn)行差異性方面采取相應(yīng)的考核措施。

[1] 李曉婷，孫紅麗.陜西境內(nèi)電氣化鐵路供電工程調(diào)研報(bào)告[R].西安：陜西省電力設(shè)計(jì)院，2009.

[2]張車正，姚金雄，楊柳.“十二五”陜西電氣化鐵路供電規(guī)劃研究[J].陜西電力,2009，37（11）:37-40.

[3] 徐政,鄭翔.SVC抑制SSR的機(jī)理及控制器設(shè)計(jì)[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2010（3）:57-61.

[4] 姚金雄.太中銀電氣化鐵路（陜西段）供電方案研究[R].西安：陜西省電力設(shè)計(jì)院，2007.

[5] 張超.包西電氣化鐵路（陜西段）供電方案研究[R].西安：陜西省電力設(shè)計(jì)院，2009.

[6] 王星,尚濤,黃賢球,等.海南聯(lián)網(wǎng)海底電纜護(hù)套絕緣監(jiān)測(cè)方法[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2009,3（1）:62-65.

[7]姚金雄.“十二五”陜西境內(nèi)電氣化鐵路供電工程規(guī)劃專題[R].西安：陜西省電力設(shè)計(jì)院，2009.