高速鐵路車-網電氣耦合匹配特性研究

馮慶鵬，王越，劉思陽，朱遠帆，陳民武

（1. 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2. 西南交通大學，四川 成都 610031）

0 引言

當前我國軌道交通行業高速發展，根據《中長期鐵路網規劃》，到2025年高速鐵路規模將達到38 000 km左右[1]。高速鐵路在推廣采用自耦變壓器（AT）牽引供電方式的同時，大量新型大功率交-直-交型動車組上線運行[2-3]，現場出現了各類“車-網”耦合匹配問題，例如，牽引網電壓波動導致車載主變流器過流保護啟動、諧波電流注入引起輔助變流器直流側過壓故障、高次諧波諧振造成地面和車載電氣設備異常等一系列供用電品質相關問題[4-5]。為保障高速鐵路安全、高質和高效運營，需要對典型區段牽引供電系統-動車組群電氣耦合匹配特性開展綜合測試與評估。

以某高鐵線路為例，采用專業電能質量監測設備，對典型區段牽引變電所、AT所和分區所以及在線運行動車組開展供電品質綜合測試，定量評估車-網電氣耦合系統匹配關系，給出主要參數的分布特性與變化規律，闡明影響供用電品質的主要因素，并提出相關優化建議。

1 車-網耦合系統供用電品質測試方法

對牽引變電所、AT所和分區所高壓側電壓、饋線側電壓、饋線側諧波以及饋線側功率因數進行測量，測試點布置示意見圖1（▲為測點位置）。同時，對動車組用電特性進行測試，測試布置示意見圖2。

高速同步數據采集系統放置在車廂內，電壓和電流測試用電腦由車載電源供電。測試設備帶抗混疊濾波器的輸入回路含有采樣/保持單元的A/D轉換器，同時測試窗口寬度為10個周期，滿足GB/T 17626.7—2008[6]標準的要求。

此外，測試設備應進行可靠固定，防止動車組運行中甩脫或振壞。測試時動車組處于正常狀態，實時記錄動車組過分相前后網壓、牽引變壓器原邊電流等。

2 電能質量相關標準及計算方法

2.1 供電電壓偏差

圖1 牽引供電系統測試點布置示意圖

圖2 動車組測試布置示意圖

國家標準GB/T 12325—2008《電能質量：供電電壓允許偏值》[7]規定：35 kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%。如供電電壓上下偏差同號（均為正或負）時，按較大的偏差絕對值為衡量依據。電壓偏差的計算方式如下：

鐵路行業標準TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設計規范》[8]規定：對牽引變壓器27.5 kV側母線電壓，認定其母線電壓大于29 kV或者小于20 kV為不合格電壓，牽引網的最高電壓為29 kV，最低電壓為20 kV。因此，對牽引變壓器27.5 kV側母線電壓，認定其母線電壓大于29 kV或者小于20 kV為不合格的電壓。基于時間的電壓不合格率（%）=（＞29 kV概率）%+（＜20 kV概率）%。

2.2 諧波畸變率及等效干擾電流

GB/Z 17625.4—2000《電磁兼容 限值 中、高壓電力系統中畸變負荷發射限值的評估》[9]規定：總諧波電壓綜合畸變率THDU計算方式如下：

式中：UH為總諧波電壓含量；Uh為第h次諧波電壓；h為諧波次數；U1為基波電壓。

在此對動車組等效干擾電流JP進行計算與分析，具體計算方式如下[10]：

式中：IW為機車全電流；Sn為雜音評價系數；I2n為第2n次諧波電流；N為機車牽引電機臺數；Id為1臺牽引電機的持續電流；KB為變壓器的變比。

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為了對牽引變電所、AT所和分區所的諧波特征進行全面分析，分別統計各所50次以內的諧波含量，并通過錄波數據分析機車在供電區間內運行時各所測得的頻譜特性。

2.3 功率因數

《功率因數調整電費辦法》規定：功率因數考核指標為0.90。依據TB/T 2517—1995《電力機車功率因數和諧波的測試方法》[11]中給出的方法計算功率因數，其計算公式如下：

式中：P為有功功率；Q為無功功率；在此通過錄波數據計算機車在供電區間內運行時牽引變電所的功率因數，U為基波電壓、I為基波電流。

3 所內測試數據分析

本次測試選取某高鐵線路中的1個供電區間，分別對其中的牽引變電所、AT所和分區所進行測試，評估其供電能力。牽引變電所外部電源電壓等級為220 kV。

3.1 進線側數據分析

在某一典型時間段內，對牽引變電所一次側A、B以及AB相電壓信號進行連續的實時測量，并將上述電壓信號繪制成電壓波形信號（見圖3—圖5）。從10：32：32開始，動車組進入供電區間。當動車組駛入后，A相、B相、AB相電壓出現明顯跌落，其中A相最低電壓為130.4 kV，B相最低電壓為127.8 kV，AB相最低電壓為222.1 kV，均滿足標準限值要求，供電質量良好。

圖3 牽引變電所進線側A相電壓變化

圖4 牽引變電所進線側B相電壓變化

圖5 牽引變電所進線側AB相電壓變化

3.2 饋線側數據分析

3.2.1 網壓分布特性分析

在某一典型時間段內，分別對牽引變電所饋線側、AT所和分區所母線的電壓信號進行連續的實時測量，其錄波數據見圖6—圖8。從10：32：32開始，動車組進入供電區間。當動車組駛入后，牽引變電所、AT所和分區所母線電壓均出現跌落，持續時間為8 s。其中牽引變電所最低電壓為21.64 kV，AT所最低電壓為20.62 kV，分區所最低電壓為19.70 kV，牽引變電所與AT所母線電壓滿足標準TB 10009—2005中規定的最低電壓要求，但分區所母線電壓存在低于標準規定的情況。

圖6 牽引變電所饋線側母線電壓

圖7 AT所母線電壓

圖8 分區所母線電壓

為了評估車-網耦合系統諧波傳遞特性，當動車組運行至上述供電區間時，得到牽引變電所、AT所和分區所的母線諧波電壓頻譜（見圖9—圖11）。牽引變電所和分區所處高次諧波含量較為突出，其中，牽引變電所的總諧波畸變率THDU=2.99%，AT所的總諧波畸變率THDU=1.81%，分區所的總諧波畸變率THDU=3.27%。整體來看,該供電區段未出現諧波諧振現象。

3.2.3 負荷過程分布特性分析

牽引變電所典型時間段的負荷過程和功率因數分布見圖12—圖14。牽引負荷波動性和沖擊性突出，但功率因數基本穩定在1.0左右。在動車組駛入該供電區段時，由于再生制動，功率因數降低至接近-1.0。同時，在10：32：46最大視在功率達到75.21 MVA，超出變電所額定容量2.38倍，牽引變電所的牽引變壓器具有良好的過負荷能力。

圖9 牽引變電所諧波電壓頻譜

圖10 AT所諧波電壓頻譜

圖11 分區所諧波電壓頻譜

4 車載測試數據分析

本次測試選取在線運行動車組進行測試，分析其過分相時車載電壓波動、等效干擾電流以及功率因數變化。

4.1 車載電壓數據分析

新型動車組運行過程中牽引網側電壓變化趨勢見圖15。當動車組進入牽引變電所供電臂開始取流時，新型動車組瞬時沖擊電壓有效值為35 kV，穩態電壓有效值為28.3 kV，滿足TB 10009—2005規定，過分相時并未出現顯著過電壓過程。

圖12 牽引變電所輸出視在功率

圖13 牽引變電所功率因數

圖14 動車組駛入該供電區段對應的功率因數

圖15 動車組過分相過程牽引網側電壓變化趨勢

4.2 諧波特性分析

動車組網側諧波電流頻譜分布見圖16，動車組等效干擾電流見表1。動車組諧波電流畸變率THDI=1.04%，滿足設計對諧波電流的要求。

圖16 動車組網側諧波電流頻譜分布

表1 動車組等效干擾電流

4.3 功率因數分析

選取動車組過分相過程為例，當通過電分相環節后重新取流并達到最大功率時，整個過程對應的功率因數變化趨勢見圖17。測試過程中動車組過分相取流加速過程約為2 s，在牽引功率不斷增加的同時，功率因數可以穩定在0.983，滿足該新型動車組設計要求。

圖17 動車組過分相后重新取流加速時功率因數分布

5 結論

為了定量評估牽引供電系統和動車組之間的電氣耦合匹配關系，選擇某高鐵線路開展同步測試，重點分析車-網耦合系統電氣匹配特性，主要結論如下：

（1）典型供電區段內牽引變電所、AT所和分區所主要供電品質指標良好，基本滿足國標和鐵標相關限值的要求。

（2）新型動車組上線運行過程用電特性良好，過分相過程未出現顯著過電壓現象，諧波電流畸變率較低，等效干擾電流滿足標準限值要求。

（3）在緊密運行時間段，牽引變壓器過載達到2.45倍額定容量，導致牽引網末端電壓偏低，考慮牽引負荷短時沖擊特性，建議進一步提升牽引供電系統的供電能力。