哈大電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)電壓損失與電力系統(tǒng)短路容量關(guān)系的研究

[摘要] 簡(jiǎn)要介紹了哈大線電氣化鐵路牽引負(fù)荷的特點(diǎn)，分析了哈大線牽引供電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)以及對(duì)電力系統(tǒng)短路容量的要求，并且對(duì)牽引系統(tǒng)牽引負(fù)荷引起的初步電壓不平衡與系統(tǒng)短路容量的關(guān)系進(jìn)行了研究分析，得出的結(jié)論是：電力系統(tǒng)的短路容量與牽引網(wǎng)和牽引變壓器的電壓損失無(wú)關(guān)、與電壓不平衡值成反比關(guān)系，同時(shí)，電力系統(tǒng)短路容量越大，牽引供電系統(tǒng)電壓損失越小。

[關(guān)鍵詞] 牽引供電系統(tǒng) 電壓損失 短路容量 牽引負(fù)荷

1 概述

電氣化鐵路作為電力系統(tǒng)的特殊的重要負(fù)荷，為確保動(dòng)車(chē)組及電力機(jī)車(chē)的正常運(yùn)行，要求系統(tǒng)供電具有較高的可靠性。在任何負(fù)載情況下，保證足夠的牽引網(wǎng)最低電壓水平，從而使動(dòng)車(chē)組及電力機(jī)車(chē)能穩(wěn)定、正常運(yùn)行。鐵路建設(shè)一般分為近期、中長(zhǎng)期及遠(yuǎn)期，一般運(yùn)行設(shè)備通常按近期運(yùn)輸需要進(jìn)行配置，但牽引變電所布點(diǎn)、接觸網(wǎng)支柱及其外部電源供電方案等都要按基礎(chǔ)設(shè)施考慮，即按遠(yuǎn)期線路能力一次規(guī)劃建設(shè)到位。因此，無(wú)論是牽引供電系統(tǒng)本身，還是電力系統(tǒng)的配套電源，都需要能滿(mǎn)足高峰負(fù)荷及鐵路中長(zhǎng)期規(guī)劃發(fā)展的條件。哈大線是我國(guó)第一條全套引進(jìn)德國(guó)技術(shù)和設(shè)備的電氣化鐵路，全長(zhǎng)946.5公里，北起哈爾濱，南到大連，途經(jīng)長(zhǎng)春、四平、沈陽(yáng)、鞍山等大中城市，并同沈山、沈吉等23條干線銜接，是東北路網(wǎng)運(yùn)輸最繁忙的干線，其自身的特點(diǎn)對(duì)供電系統(tǒng)提出很高的要求。

2 哈大線牽引負(fù)荷的特點(diǎn)

2.1 牽引負(fù)荷大，可靠性要求高

哈大線列車(chē)速度高達(dá)140~200km/h，其空氣阻力隨速度呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，列車(chē)牽引力主要克服空氣阻力運(yùn)行。對(duì)于哈大線的設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)200km/h，8輛編組長(zhǎng)白山號(hào)動(dòng)車(chē)組總裝機(jī)容量達(dá)14000kVA。因此牽引變電所的負(fù)荷相當(dāng)大，對(duì)供電可靠性的要求也很高。

2.2 高速動(dòng)車(chē)組負(fù)載率高，各次諧波含量低

目前，哈大線上，有長(zhǎng)白山號(hào)動(dòng)車(chē)組列車(chē)運(yùn)行，是屬于大功率流線型交直交動(dòng)車(chē)組，列車(chē)在各種工況下的自然功率因數(shù)較高，其值一般在0.95左右；動(dòng)車(chē)組的各次諧波含量均很低。

2.3 越區(qū)供電能力要求高

由于哈大線的重要性和正點(diǎn)要求，牽引供電系統(tǒng)應(yīng)具備各種異常條件下的應(yīng)急供電能力。當(dāng)出現(xiàn)某牽引變電所故障解列的情況下，需通過(guò)相鄰牽引變電所實(shí)行越區(qū)供電；對(duì)于哈大線而言，此項(xiàng)性能較之傳統(tǒng)的普速電氣化鐵路要求更高。

2.4 牽引供電對(duì)電壓損失要求高

為了確保列車(chē)的正常運(yùn)行，要求牽引供電系統(tǒng)中電動(dòng)車(chē)組、電力機(jī)車(chē)受電弓上的最低電壓水平在正常情況下為25kV，在非正常情況下不低于19kV；另外在牽引變電所處應(yīng)保證電力系統(tǒng)的電壓損失不超過(guò)系統(tǒng)額定電壓的10％。

2.5 哈大電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)概述

哈大鐵路電氣化改造工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為復(fù)線鐵路I級(jí)干線。近期旅客列車(chē)速度140km/h，設(shè)計(jì)最高速160 km/h，遠(yuǎn)期速度200 km/h。貨物列車(chē)牽引定數(shù)5000t，設(shè)計(jì)運(yùn)量7000萬(wàn)噸，雙車(chē)道總長(zhǎng)大約950km。哈大線牽引供電系統(tǒng)采用直供+回流供電方式，全線共設(shè)計(jì)17座牽引變電所，為220KV高壓?jiǎn)蜗嘀髯儔汗╇姟２捎玫聡?guó)Re200c標(biāo)準(zhǔn)，大約3000km的接觸網(wǎng)，SCADA，全線實(shí)行運(yùn)動(dòng)控制。這7座牽引變電所分別設(shè)在：金州、瓦房店、熊岳城、大石橋、立山、沈陽(yáng)南、沈陽(yáng)西、虎石臺(tái)、鐵嶺、昌圖、四平、公主嶺、長(zhǎng)春北、德惠、扶余、雙城堡、王崗。

在哈大線沈大區(qū)間，長(zhǎng)白山號(hào)動(dòng)車(chē)組時(shí)速按160～200km/h，在牽引變電所供電范圍內(nèi)列車(chē)追蹤間隔按20分鐘緊密、均衡運(yùn)行，并按牽引變壓器短時(shí)過(guò)負(fù)荷2倍考慮；列車(chē)采用交直交傳動(dòng)方式，動(dòng)車(chē)組功率因數(shù)按0.95，牽引負(fù)荷電流按高速動(dòng)車(chē)組考慮。復(fù)線直供+回流供電方式的長(zhǎng)回路和短回路等效阻抗分別為0.108#61527;/km和0.177#61527;/km；考慮到牽引供電系統(tǒng)的短路故障較頻繁、鋼軌電位升高和斷路器開(kāi)斷能力等因素的影響，牽引變壓器阻抗電壓一般為12.5％。

在牽引變電所的二次側(cè)和一次側(cè)，因牽引負(fù)荷通過(guò)感性回路功率因數(shù)發(fā)生偏移，負(fù)荷平均功率因數(shù)分別降至0.93和0.91。

3 牽引供電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的要求

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的電壓水平受電力系統(tǒng)電壓損失、牽引變壓器電壓損失和牽引網(wǎng)電壓損失三方面的制約，牽引供電系統(tǒng)中的最低電壓水平為：

Umin=29-△UJ-△UT-△US （1）

在上式中：△UJ #61630;牽引網(wǎng)的電壓損失（kV）；

△UT #61630;牽引變壓器的電壓損失（kV）；

△US #61630;電力系統(tǒng)的電壓損失（kV）；

從上述三方面來(lái)改善系統(tǒng)供電特性，可有效減少電壓損失，保證動(dòng)車(chē)組、電力機(jī)車(chē)功率和牽引力的正常發(fā)揮，對(duì)于哈大線而言，牽引變壓器和電力系統(tǒng)的電壓損失一般考慮單相牽引變壓器結(jié)線型式。

4 牽引供電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)短路容量需求

下面以哈大電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中的大石橋牽引變電所為例，計(jì)算牽引供電系統(tǒng)需求的電力系統(tǒng)短路容量，論述哈大線電氣化鐵路牽引負(fù)荷引起的電壓損失與系統(tǒng)短路容量的關(guān)系。

4.1 電壓損失計(jì)算依據(jù)

4.1.1 牽引供電系統(tǒng)電壓損失計(jì)算

哈大牽引供電系統(tǒng)采用直供+回流供電方式（見(jiàn)圖1）。帶回流線的直接供電方式：在鋼軌上并聯(lián)架空回流線（又稱(chēng)負(fù)饋線）。鋼軌電位大為降低，對(duì)通信線的干擾得到較好抑制。還能降低牽引網(wǎng)阻抗，使供電臂延長(zhǎng)30%及以上。

圖1 帶回流線的直接供電方式（DN）

4.1.2 復(fù)線牽引網(wǎng)電壓損失計(jì)算

變電所至機(jī)車(chē)處的電壓降方程為：

在上式中：復(fù)線牽引網(wǎng)上、下行自阻抗：ZI=ZⅡ=Z(Ω/km)

互阻抗：ZIⅡ=Zm (Ω/km)

4.1.3 牽引變壓器的電壓損失計(jì)算

對(duì)于單相接線牽引變壓器有：

在上式中：XT #61630;牽引變壓器電抗（Ω）；

I1max #61630;重負(fù)荷供電臂最大電流（A）；

I2av #61630;輕負(fù)荷供電臂平均電流（A）。

4.1.4 電力系統(tǒng)的電壓損失計(jì)算

對(duì)于單相接線牽引變壓器有

在上式中：XS #61630;系統(tǒng)折算到27.5kV側(cè)的短路阻抗（Ω）。

4.2 牽引負(fù)荷引起的初步電壓不平衡與系統(tǒng)短路容量的關(guān)系

三相系統(tǒng)電壓不平衡（ku）定義，根據(jù)IEC 61000-2-12， 被定義為正負(fù)序分量之間的比例關(guān)系，即：

其中，ku為電壓不平衡值；U1為正序電壓分量；U2為負(fù)序電壓分量。

如果在高壓網(wǎng)絡(luò)的兩相間只有一臺(tái)變壓器運(yùn)行，也可以通過(guò)單相標(biāo)稱(chēng)功率和三相短路功率之間的關(guān)系計(jì)算出電壓不平衡值。

即：電力系統(tǒng)的短路容量與電壓不平衡值成反比關(guān)系。

根據(jù)EN 50160標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估必須使用10分鐘平均值；根據(jù)IEC 61000-2-12 標(biāo)準(zhǔn)，允許的不平衡值為3%。哈大牽引供電系統(tǒng)電壓不平衡值的評(píng)估是基于單相牽引供電、時(shí)速200km/h、長(zhǎng)白山號(hào)動(dòng)車(chē)組列車(chē)、重載貨物列車(chē)。假設(shè)允許的10分鐘電壓不平衡平均值是1.5%，最大10分鐘單相功率平均值為63.5MVA，電力系統(tǒng)的短路容量應(yīng)至少為：

即需要4.2GVA 的短路容量來(lái)保證電壓不平衡在1.5%以下。

5 結(jié)論

由上述分析可見(jiàn)，電力系統(tǒng)的短路容量與牽引網(wǎng)和牽引變壓器的電壓損失無(wú)關(guān)、與電壓不平衡值成反比關(guān)系，同時(shí)，電力系統(tǒng)短路容量越大，牽引供電系統(tǒng)電壓損失越小。考慮電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)自身具備的特點(diǎn)，牽引變電所的外部電源應(yīng)作為電氣化鐵路的基礎(chǔ)設(shè)施之一考慮，電源進(jìn)線的導(dǎo)體截面和系統(tǒng)短路容量按遠(yuǎn)期高峰小時(shí)負(fù)荷和牽引變壓器安裝容量確定，即應(yīng)滿(mǎn)足中長(zhǎng)期最高時(shí)速為200km/h的長(zhǎng)白山號(hào)動(dòng)車(chē)組和列車(chē)間追蹤運(yùn)行間隔的要求，從滿(mǎn)足中長(zhǎng)期高峰小時(shí)負(fù)荷接觸網(wǎng)電壓水平和牽引負(fù)荷在電力系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓不平衡考慮。哈大線牽引供電系統(tǒng)采用220kV 直供+回流供電方式及單相接線牽引變壓器，從理論上和遠(yuǎn)期規(guī)劃上可以滿(mǎn)足運(yùn)輸需求，并且投資經(jīng)濟(jì)、維護(hù)簡(jiǎn)單，對(duì)提高供電可靠性、增強(qiáng)技術(shù)指標(biāo)具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

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