青海電網電氣化高速鐵路特性分析

叢貴斌 劉可 閆涵

摘要：青海電網所轄區域內蘭新第二雙線電氣化鐵路，是國家“八縱八橫”鐵路網主骨架之一，研究交直型電力機車、交交型電力機車的電氣特性，機車的負荷特性，牽引負荷與鐵路運輸組織的關系，對分析負序指標中的PCC點負序電壓允許值，公共連接點負序電壓不平衡度，牽引站的電壓不平衡度，諧波電流等指標有著積極作用，繼而研究提高電氣化鐵路供電可靠性方法，消除電鐵對電網電能質量的影響。

關鍵詞：電氣化鐵路；負荷特性；諧波特性

1.引言

青海電網所轄區域內蘭新第二雙線為國鐵Ⅰ級、雙線電氣化鐵路。新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線東起甘肅省省會蘭州市，途經青海省民和縣、樂都縣、平安縣至青海省省會西寧，后折向北經大通縣、門源縣，穿越祁連山山脈進入甘肅省河西走廊西行，經民樂縣、張掖市、臨澤縣、酒泉市、嘉峪關市、玉門市以及新疆自治區哈密市、鄯善縣、吐魯番市，西至新疆維吾爾自治區首府烏魯木齊市。是國家“八縱八橫”鐵路網主骨架之一。

2.電鐵特性及特點

2.1 電力機車的電氣特性

（1）交直型電力機車

我國目前在既有電鐵線路上，主要采用交直型電力機車。除少數從國外引進的電力機車（如日本的6K型，法國的8K型）外，絕大多數是我國自行設計制造的SS（韶山）型單相工頻電力機車。如：適用于重載貨運的SS4型，客貨兩用的SS6和SS7型，以及快速客運和準高速客運的SS5、SS8和SS9型。機車從接觸網取得25kV工頻單相電壓，經車載變壓器降壓到1500V，整流后向牽引電動機供電。牽引電動機采用直流串勵式，額定電壓為1020V，功率約為700—900kW。交直型電力機車的原理結線如圖2-1所示。

交直型電力機車采用半控橋式整流裝置，通過控制晶閘管的導通角來實現機車出力的調節。這一控制方式，使得交直型機車的功率因數較低（0.8左右），并產生較大的高次諧波（三次諧波電流分量占18%以上）。

（2）交直交型電力機車

高速鐵路采用高速列車，要求其起動快，使其能在最短的時間和距離內達到額定最高運行速度。為此，必須加大牽引功率，以提高起動牽引力。同時，當列車速度達到額定最高運行速度時，為保持其恒定速度，必須有足夠的持續牽引力來克服列車運行阻力。列車運行時的空氣阻力與列車速度的幾何關系成正比，因此，隨著列車速度的提高，列車單位重量所需的牽引力成倍增加，機車額定功率也隨之增加。高速列車對牽引動力的基本要求是：功率大、軸重輕、自重小、黏著利用好、整機控制好等。交流機車牽引能夠同時滿足上述技術要求。交直交型電力機車的工作原理如圖2-2所示。

交直交型交流傳動機車，采用四象限整流+PWM逆變器（VVVF）+三相交流感應電動機的傳動方式。通過GTO或IGBT器件進行導通和關斷角的控制。這種供電方式的最大優點在于：在牽引與制動的整個功率范圍內，網側的功率因數接近1（0.95以上）；采用多重的四象限脈沖整流，可以使網側的電流諧波最小（三次諧波電流小于2.5%）；通過控制可以使中間直流回路的電壓比較穩定。

2.2 列車的負荷特性

（1）列車負荷與牽引重量的關系

在運行、線路坡度相同的情況下，列車負荷與牽引重量成正比。

（2）列車負荷與運行速度的關系

列車運行速度越高，空氣阻力越大。在牽引重量、線路坡度相同的情況下，運行速度越高，牽引功率和能耗大幅度提高。并且在高速時，列車主要克服空氣阻力運行，持續受流時間長。圖2-3為單位重量牽引功率隨速度的變化曲線。

2.3 牽引負荷與鐵路運輸組織的關系

鐵路根據運量和線路條件編制運輸組織計劃，列車在行車調度的指揮下，在鐵路上按信號運行。單線鐵路一般采用站間閉塞方式，一個區間只能有一列車運行。復線鐵路采用劃分區間段閉塞方式，按固定間隔時間追蹤運行。目前，貨車一般追蹤間隔8分鐘，最小追蹤間隔5分鐘；高速列車設計最小追蹤時間間隔，近期為4分鐘，遠期為3分鐘。

鐵路建設時，基礎設施均按遠期線路能力一次規劃建設到位，運輸設備按近期需要配置。

2.4 牽引變電所負荷特性

（1）負荷的沖擊性特點

牽引變電所一般為兩側單相供電，其負荷的大小與供電區間運行的列車數量、鐵路線路坡度以及列車運行的速度等因素有關。圖2-4所示為實測的某牽引變電所負荷曲線圖。可以看出，牽引負荷具有如下特點：牽引負荷的波動大、兩供電臂負荷不均衡、功率因數低、無功沖擊大。

電氣化鐵路沿線路況千差萬別，列車在運行時速度、線路坡度、風速等隨時發生變化，列車按信號運行，供電區間內的列車數量疏密不等。這些因素造成列車數量及每一列車的負荷隨時變化，使牽引變電所的負荷呈現波動性。

（2）兩供電臂負荷的不均衡性

牽引變電所的負荷隨著兩供電臂內列車數量以及列車負荷而變化，有時輕載甚至空載、有時嚴重過載。如在節假日、鐵路故障后恢復行車時會出現列車緊密追蹤情況，在軍運、煤電運、農運等特殊情況下，也會出現列車緊密追蹤的情況。 此時，牽引變電所會出現負荷高峰值。

（3）負荷率低

牽引變電所的負荷是由鐵路運量、列車速度、線路條件等因素決定的。列車運行時的受流狀態隨時都在發生變化。其平均負荷較低。但牽引變電所的供電能力必須適應短時出現的高峰負荷的需要。所以，牽引變電所的負荷率很低，一般不超過20%，個別達到30%。

（4）負序特性

由于機車為單相負荷，無論牽引變壓器采取何種結線方式，都將向系統注入較大的負序電流，從而造成系統的三相電壓不平衡。

（5）諧波特性

國產韶山型電力機車諧波含有率的試驗值（單臺）如表2-1所示。

3、結論

針對青海電氣化鐵路四種機車運行特性分析，依據負序指標中的PCC點負序電壓允許值標準，接于公共連接點的每個用戶，引起該點負序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時不得超過2.6%，牽引站的電壓不平衡度均滿足國標要求。同時存在諧波電流超標現象，應在未來規劃中考慮在牽引站內加裝濾波裝置，消除超標電流。

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