電氣化鐵路負(fù)荷的集中接入對(duì)接入點(diǎn)電壓的影響分析

胡仁祥，王斌，王福華，張燕

(吐魯番電業(yè)局，新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市，838000)

0 引言

為了貫徹國(guó)家能源政策和環(huán)保要求，加強(qiáng)節(jié)能減排和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，改善鐵路沿線(xiàn)的環(huán)境質(zhì)量，加快資源節(jié)約型、環(huán)境友好型交通運(yùn)輸體系建設(shè)，新疆電網(wǎng)電氣化鐵路進(jìn)入了飛速發(fā)展時(shí)期，出現(xiàn)了220kV電壓等級(jí)的電氣化鐵路負(fù)荷集中接入現(xiàn)象。

由于電力機(jī)車(chē)負(fù)荷［1-2］是一種急劇變化、隨機(jī)性強(qiáng)的負(fù)荷，電力牽引負(fù)荷波動(dòng)范圍大。若電氣化鐵路集中接入，將引起接入點(diǎn)的電壓巨大的波動(dòng)，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。

本文以新疆吐魯番電網(wǎng)220kV小草湖變電站集中接入2個(gè)220kV牽引變電站為例，運(yùn)用電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP 6.28)仿真分析機(jī)車(chē)的同時(shí)駛?cè)雽?duì)小草湖變電站220kV母線(xiàn)電壓波動(dòng)的影響情況，并針對(duì)此情況仿真論證了加裝SVC的解決措施。

1 電氣化鐵路供電系統(tǒng)

1.1 牽引供電系統(tǒng)組成

牽引供電系統(tǒng)［2］如圖1所示，主要由牽引變電所、分區(qū)亭及牽引電網(wǎng)組成。牽引網(wǎng)額定電壓為單相25kV，最高運(yùn)行電壓為27.5kV。牽引變電所高壓側(cè)一般接于110或220kV電力系統(tǒng)，其主變壓器低壓側(cè)一相接地，另外兩相為兩側(cè)單相供電臂的電源。為了減輕高壓側(cè)三相不平衡度，鐵路全線(xiàn)所有牽引變電所主變壓器低壓側(cè)輪換接地，牽引供電系統(tǒng)2個(gè)牽引變電所之間的供電臂在中間設(shè)立分區(qū)亭，正常情況下斷開(kāi)運(yùn)行，事故情況下合閘后可以作為2個(gè)變電所的相互備用電源。由于220kV系統(tǒng)的短路容量大于110kV系統(tǒng)，接入高電壓等級(jí)時(shí)，電鐵沖擊負(fù)荷對(duì)接入點(diǎn)的電壓影響要小于接入低電壓等級(jí)［3］。

圖1 典型牽引供電系統(tǒng)Fig.1 Typical traction power supply system

1.2 電鐵負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)無(wú)功的需求

在電力機(jī)車(chē)進(jìn)入牽引變電站的供電范圍之前，變電站基本處于空載狀態(tài);當(dāng)電力機(jī)車(chē)進(jìn)入牽引變電站的供電臂時(shí)，需要變電站立刻提供與電力機(jī)車(chē)相匹配的有功和無(wú)功功率;而電力機(jī)車(chē)離開(kāi)變電站的供電范圍時(shí)，變電站又要迅速進(jìn)入空載狀態(tài)［4-6］。典型的電氣化鐵路牽引變電站的無(wú)功功率變化波形如圖2所示，可看出電鐵負(fù)荷的無(wú)功功率表現(xiàn)為明顯的階梯狀態(tài)。

圖2 典型電氣化鐵路牽引變電站無(wú)功功率波形Fig.2 Reactive power waveform of typical traction station of electrical railway

2 SVC無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理

系統(tǒng)、負(fù)荷和補(bǔ)償器的單相等效電路如圖3所示［7］。圖3中U1為無(wú)功功率等于0時(shí)的系統(tǒng)線(xiàn)電壓;U2為系統(tǒng)工作線(xiàn)電壓;R和X為系統(tǒng)電阻和電抗。設(shè)負(fù)荷變化很小，ΔU遠(yuǎn)小于U2，其中ΔU=U1－U2。

圖3 單相電路無(wú)功補(bǔ)償Fig.3 Reactive power compensation of single-phase circuit

投入SVC無(wú)功補(bǔ)償裝置之后，系統(tǒng)供給的無(wú)功功率為負(fù)載和補(bǔ)償裝置提供的無(wú)功功率之和，即

式中:QL為負(fù)載無(wú)功功率;Qc為補(bǔ)償裝置的無(wú)功功率。

QL變化時(shí)，若Qc總能夠彌補(bǔ)QL的變化，從而使Q維持不變，即ΔQ=0，則ΔU也將為0，使工作電壓U2保持恒定。

3 仿真分析

吐魯番地區(qū)天山和吐魯番牽引變電站均為220kV電壓等級(jí)，接入220kV小草湖變電站，接線(xiàn)如圖4所示。

圖4 牽引變電站集中接入示意圖Fig.4 Schematic diagram of centralized access of traction station

運(yùn)用電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP 6.28)仿真分析機(jī)車(chē)的同時(shí)駛?cè)雽?duì)小草湖變電站220kV母線(xiàn)電壓波動(dòng)的影響情況，天山和吐魯番牽引變電站有功負(fù)荷從0變化到最大負(fù)荷(90MW)時(shí)的無(wú)功負(fù)荷沖擊仿真波形如圖5所示，牽引沖擊負(fù)荷對(duì)接入點(diǎn)電壓的影響如圖6所示。

從圖6可以看出，接入點(diǎn)小草湖220kV母線(xiàn)電壓隨牽引負(fù)荷發(fā)生變化，負(fù)荷無(wú)功功率為正時(shí)接入點(diǎn)電壓下降，無(wú)功負(fù)荷越大，電壓下降的幅度也越大;負(fù)荷無(wú)功為負(fù)時(shí)，即向系統(tǒng)提供無(wú)功功率，接入點(diǎn)電壓下降，若此無(wú)功功率等于線(xiàn)路傳輸功率消耗的無(wú)功功率時(shí)，接入點(diǎn)電壓將不會(huì)下降，表現(xiàn)為從最低電壓上升到正常水平，波動(dòng)較大。這種因無(wú)功負(fù)荷的波動(dòng)而引起接入點(diǎn)電壓的波動(dòng)，將對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。

從圖6還可以看出，220kV天山和吐魯番牽引變電站同時(shí)運(yùn)行時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的電壓沖擊較大。接入點(diǎn)母線(xiàn)波動(dòng)最大接近19.9kV，波動(dòng)幅度為8.57%，且電壓恢復(fù)的過(guò)程較緩慢。

由以上分析可知，電氣化鐵路負(fù)荷的接入將對(duì)電網(wǎng)無(wú)功功率控制產(chǎn)生較大影響。

4 改善措施

(1)提高接入點(diǎn)正常運(yùn)行電壓。將小草湖變電站220kV母線(xiàn)運(yùn)行電壓適當(dāng)提高，但必須在電壓合格范圍內(nèi)，即不超過(guò)電壓上限242kV。本文將接入點(diǎn)電壓從232.3kV提高到241.2kV。接入點(diǎn)電壓變化時(shí)，牽引沖擊負(fù)荷對(duì)接入點(diǎn)電壓的影響如圖7所示，此時(shí)電壓波動(dòng)情況見(jiàn)表1。

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從圖7和表1可以看出，當(dāng)接入運(yùn)行電壓提高后，受到同樣的牽引負(fù)荷沖擊時(shí)，運(yùn)行電壓較高時(shí)的電壓波動(dòng)幅度僅為6.35%，比運(yùn)行電壓低時(shí)的電壓波動(dòng)幅度小2.22%。

可見(jiàn)，適當(dāng)?shù)靥岣呓尤氲倪\(yùn)行電壓，承受牽引負(fù)荷的沖擊能力可以得到提高。

(2)加裝SVC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。本文還考慮了在天山和吐魯番牽引變電站同時(shí)加裝SVC，來(lái)改善沖擊負(fù)荷對(duì)接入的電壓影響。接入點(diǎn)有無(wú)SVC時(shí)的電壓變化情況如圖8所示，此時(shí)電壓波動(dòng)情況見(jiàn)表2。

從圖8和表2可以看出，有無(wú)SVC對(duì)接入點(diǎn)的電壓影響非常大，加裝SVC后電壓僅下降6.7kV，波動(dòng)幅度比沒(méi)有SVC時(shí)小5.69%，對(duì)接入點(diǎn)的電壓改善取得了很好的效果。

可見(jiàn)，牽引變電站加裝SVC后承受牽引負(fù)荷的沖擊能力得到明顯提高。

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5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電氣化鐵路負(fù)荷集中接入時(shí)接入點(diǎn)電壓變化情況的仿真分析，指出了電鐵沖擊負(fù)荷中無(wú)功負(fù)荷的波動(dòng)，造成接入點(diǎn)電壓的波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了較大影響。

針對(duì)上述現(xiàn)象，本文提出了提高接入點(diǎn)正常運(yùn)行電壓和加裝SVC這2種措施，顯著提高了接入點(diǎn)承受電鐵沖擊負(fù)荷的能力，有效降低了接入點(diǎn)電壓的波動(dòng)幅度。

［1］鐵路部電氣化工程局電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)院.電氣化鐵路設(shè)計(jì)手冊(cè):牽引供電系統(tǒng)［M］.北京:中國(guó)鐵路出版社，1988.

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