鐵路負荷對接觸網電壓質量影響分析

楊睿喬

摘要：隨著現代社會的不斷發展與進步，以高鐵、動車組等為代表的鐵路運輸構成了我國陸路運輸系統的主要組成部分，目前大部分鐵路將電能作為其動力來源，形成了由牽引站、接觸網以及機車構成的電氣化鐵路系統。鋼軌上方的接觸網通常為單相，這就造成了接觸網以及牽引站三相負荷分配不均勻，不對稱性問題比較突出。另外考慮到電力機車負荷較大，其啟停會對接觸網以及牽引站造成一定的沖擊，會對供電可靠性以及電壓質量指標帶來一定的挑戰，進而可能會危及機車牽引站以及上級電網的供電安全。

關鍵詞：鐵路負荷;接觸網;電壓質量

引言：電氣化鐵路已經成為我國保持經濟快速增長的運輸命脈，其重要性已經不言而喻。因鐵路負荷自身以及供電接觸網結構的獨特性，電力機車的運行會對牽引站以及接觸網的電壓質量帶來一定影響。為了充分利用鐵路運輸的巨大能力以及滿足社會對鐵路的發展需求，要綜合分析其影響并制定應對措施。本文在介紹了電氣化鐵路供電系統結構的基礎上，分析了交直和交直交兩種類型的電力機車的電氣特性和負荷特性。以某牽引變電站實際數據為算例，分析了電力機車運行對接觸網以及牽引站的電壓偏差、電壓波動以及三相電壓不平衡度指標的影響情況并給出了幾種對電氣化鐵路進行改良的解決方案。

1.電氣化鐵路供電系統

電力機車需要的電能來自牽引變電站，牽引變電站與上級主電力系統相連接，從而從電力系統獲取電能。由于電力機車具有位置移動性，而牽引變電站是固定的。所以為了讓移動的列車持續獲得電能，一般會在鋼軌上方架設接觸網。

電力機車直接從接觸網獲得電能，使電動機旋轉驅動列車前進。由于鐵路線路較長，而牽引變電站的供電半徑是有一定限制的，所以鋼軌上方的接觸網是分段的，每段取自不同牽引變電站的電能，每段的連接處設置分相開關進行電分相，以免來自不苘牽引變電所的電能因為相序不同而發生短路故障對于取單相電能的接觸網系統，在每個牽引變電站處通常會設置回流線，從而使變電站、接觸網、機車、大地以及回流線構成回路[1]。

2.鐵路負荷特性分析

2.1電氣特性

根據使用驅動電動機類型的不同，可以將列車分為交食型和交直交型兩種，這也是我國鐵路公司常用的兩種型號機車4交宣塵電力機車采用的是直流電動機，通過機車內部的電力裝覺將從接觸網獲取的交流電整流成直疏電后供紿：置：流電動機使用《考慮到諧波成分與整流裝置成本的矛盾性，出于控制成本目的該類機車的供電裝置內部會產生較大的諧波，這會對直流電動機造成不利影響，其功率因數值也較低。直流電再經過逆變器逆變成交流電后供電機車的交流電動機轉動驅動機車行駛。車載變壓器與機車鋼軌間連[2]。

2.2負荷特性

電力機車從接觸網獲取電能，對于接觸網、牽引站以及電力系統來講其表現為具有一定特殊特性的用電負荷。其負荷特性主要與機車啟動功率、穩定運行速率、機車總體質量以及鋼軌傾斜度等幾個因素有關。（1）機車啟動功率。電力機車從靜止開始慢慢加速需要很大的啟動功率，這時電力機亨會從接觸網獲取較大的電流值，會造成接觸網以及牽引站母線出現較大的電壓降落，而且該降落值一般會隨著啟動功率的增大而增大。（2）穩定運行速率。電力機車加速結束后進人穩定運行狀態，速度達到勻速運行，此時電力機車主要受到空氣阻力和鋼軌的摩擦力。空氣阻力與機車的運行速度成正相關關系，機車運行速度越大其受到的空氣阻力值也越大。（3）機車與列車機箱、鋼軌之間會存在一定的動摩擦力，其值與機車以及機箱的總體質量有關。質量越大，動摩擦力越大，機車為了克服這一摩擦力所需要的牽引動力就會越大。（4）鋼軌傾斜度。當列車在平地鋼軌運行時，其機車牽引力主要是克服摩擦力以及空氣阻力。當列車運行位置具有一定坡度即列車上坡運行時，其牽引力除克服空氣阻力以及摩擦力外，還需要克服一定的自身重力。

3.鐵路負荷對電壓質量影響分析及對策研究

考慮到接觸網供電系統的結構以及電力機車的負荷特性可以看出電力機車負荷具有明顯的不對稱性、波動性以及沖擊性，這會對電力機車的接觸網以及牽引站母線的電壓質量帶來一定影響。由于接觸網一般為單相，所以二相電壓可能存在很大的不平衡性問題。再考慮到接觸網具有一定的分段性，機車的頻繁經過以及啟動都會給接觸網帶來電壓偏差大以及電壓波動值大等問題。本文以某牽引變電站為例分析機車的負荷特性對電壓質量產生的影響。該牽引變電站共有兩條電源進線，分別來自兩個不同的上級主網變電站。該遷移站共有兩條牽引線出線，分別以單相形式構成電力機車的接觸網供電系統[3]。

3.1電壓偏差和電壓波動

當系統結構形式或者電源出力與負荷水平發生變化時，供電系統中潮流分布以及網絡電壓也會隨著發生變化。對于由牽引站、接觸網以及電力機車構成的牽引電源網絡，當電力機車通過時，接觸網以及牽引站的電壓就會發生變化，當電力機車通過某牽引站所帶接觸網時，會給供電系統帶來一定沖擊，造成供電網絡的電壓波動。當電力機車在某一接觸網上運行時，由于外在環境變化機車運行功率并不是恒定的，所以也會帶來一定的系統擾動。

3.2三相不平衡度

國家有關標準對配電線路的三相不平衡有著嚴格的規定，對于一般系統其PCC節點處三相電壓不平衡度的限制一般為2%，這是一個長時間尺度的限制范圍，即三相電壓不平衡不能長時間超過2%的限制值。短時限內可以越過2%的限值，但是最大值不能超過4%。考慮到牽引站電源進線對牽引出線的影響以及不同的運行模式，根據牽引電源進線不同的功率水平制定了5種場景，分析每種場景下該牽引站牽引線的三相不平衡度指標。

3.3解決措施

為了應對電力機車對接觸網以及牽引站甚至上級電網的電壓質量的影響問題，采取的應對措施有：（1）牽引站的電源進線采用三相輪換的方式接人上級變電站中，達到均衡牽引站負荷的目的，從而降低牽引站整體對上級供電系統的沖擊。（2）具有多條牽引出線的牽引變電站，盡可能均分每條牽引出線的負荷，甚至均分每相的負荷值。（3）根據列車調度以及客車類型、出行計劃等，盡可能的均衡發車。（4）在牽引站設置相應的SVG設備，通過靈活吸收或者發出無功提高遷移站母線的電壓質量。（5）必要時采用阻抗平衡變壓器來減少電壓波動、均衡三相電壓。

4.結論

電氣化鐵路的飛速發展給牽引站以及主網的供電可靠性帶來了全新的挑戰。在介紹了電氣化鐵路供電系統結構的基礎上，本文分析了交直和交直交兩種類型的電力機車的電氣特性以及負荷特性。以某牽引變電站實際數據為算例，分析了電力機車運行對接觸網以及牽引玷的電壓偏差、電壓波動以及三相電壓不平衡度指標的影響情況。

參考文獻：

[1]杜習周，陳棟新，余曉鷗，等.電氣化鐵路負荷對電網電能質量的影響[J].華中電力，2010，23（6）：3537.

[2]云明軒.鐵路牽引負荷對電網電能廣量的影響及冶理[J].寧夏電力，2016（6）：3841.