興泉鐵路接入對電網電能質量的影響分析

黃俊

（中國電建集團江西省電力設計院有限公司，江西 南昌 330000）

實現“碳達峰、碳中和”目標的關鍵在于能源轉型。鐵路電氣化是中國能源轉型背景下的必然選擇，在鐵路電氣化快速發展帶來巨大社會經濟效益的同時，大規模接入對電網的運行也產生了一定的影響。中國電氣化鐵路牽引系統主要由牽引變電所、外部供電線路及內部接觸網等組成。電力機車電源由接觸網的27.5 kV單相工頻交流電，經機車內部的整流設備整流成直流供給牽引電動機[1]。因此，牽引負荷是單相整流負荷，是一種非線性負荷，相對于電網三相穩定負荷，具有隨機特性，且不對稱。牽引負荷接入電網會產生較大負序分量和諧波分量，這將對電力系統的供電質量有一定的影響。

1 興泉鐵路概況

新建興國至泉州鐵路（以下簡稱“興泉鐵路”）西起江西省贛州市興國縣京九鐵路興國站，經于都、寧都、石城3縣，進入福建省三明市寧化縣。根據項目可研批復和初設批復，興泉鐵路江西省境內新建興國南、葛坳、寧都、石城共4座牽引變電所。興泉鐵路江西段新建的4座牽引站變電所均采用雙回路110 kV進線電源，互為熱備用；110 kV側接線采用帶跨條分支接線形式，其中牽引變壓器采用平衡接線方式，一主一備，設置備用電源及主變自動投切裝置。27.5 kV側采用單母線分段接線，饋線斷路器采用固定備用方式。

2 電能質量計算基礎數據

2.1 計算條件

計算負荷水平、電源及網絡，依據電網發展規劃中的相關內容。牽引變所在地區110 kV及以上網絡參與計算，電網220 kV及以上網絡參與計算。牽引站負荷均按遠期有效負荷、最大負荷進行校驗計算。計算工具采用美國ETAP電能質量計算仿真軟件ETAP 12.6.0版本。

2.2 計算參數

興泉鐵路全路段開行電力機車全部為交直交型電力機車。電力負荷隨電力機車運行變化，負荷曲線波動較大，牽引變壓器負荷率和容量利用率較低，功率因數較高，牽引變電站內不設置無功補償裝置。本線各型電力機車主要技術指標如下：貨車機型為HXD3，客車機型為HXD3D，速度分別為120 km/h、160 km/h，額定功率為7 200 kW（雙機14 400 kW），功率因數大于0.97，綜合諧波含量小于2.5%。設計采用平衡結線牽引變壓器以減小電氣化鐵路對電力系統電能質量的影響。興泉鐵路各型電力機車諧波含有率如表1所示。系統變電站110 kV母線的諧波電壓現狀如表2所示。

表1 貨車HXD3諧波含有率

表2 系統變電站110 kV母線的諧波電壓現狀

3 電能質量計算分析結果

3.1 諧波計算

本鐵路機車均為HXD系列，因此仿真計算時諧波源主要考慮HXD3交直交型貨機列車產生的諧波。另考慮由于9次以后諧波影響較小，因此下列結果分析中只列出9次之前的諧波結果。電力機車在運行中負荷波動大，根據遠期負荷特性數據，分別計算了各牽引變電站在有效負荷、95%最大概率負荷2種情況下注入變電站的諧波電流。

遠期興泉鐵路各牽引變電所注入PCC點的諧波電流值如表3所示。

表3 遠期興泉鐵路各牽引變電所注入PCC點的諧波電流值

電網正常運行方式下，牽引站注入PCC點的各次諧波電流均符合國家標準要求時，牽引變注入PCC點的各次諧波電流均符合國家標準要求[2]。

綜合考慮系統的背景諧波后，各個PCC點的諧波電壓含有率如表4所示。

表4 遠期95%最大負荷時系統變電站諧波電壓含有率（單位：%）

電網正常運行方式下，接入變電站110 kV母線的各次諧波電壓含有量和電壓總諧波畸變率均未達到國家規定標準，牽引變注入PCC點的各次諧波電流均符合國家標準要求，接入變電站110 kV母線的各次諧波電壓含有量和電壓總諧波畸變率均未達到國家規定標準。

3.2 電壓波動計算

由于鐵路設計單位目前無法準確提供牽引站的負荷曲線，依據GB/T 12326—2008對電壓變動的估算方法[3]，對于沖擊負荷，為負荷沖擊時，視在功率由0上升為最大功率的變化量；Ssc為供電系統PCC的短路容量。本文考慮電鐵對電網電能質量影響的較嚴重情況，以高峰小時負荷進行分析計算，估算各牽引變電站并網點處（所接入變電站的110 kV側）由牽引負荷引起的電壓波動值分別為0.88%、0.65%、0.68%、0.99%，均低于2.5%規定限值，滿足國家標準要求。

3.3 三相不平衡計算

為了充分考慮由于兩臂負荷不平衡對系統產生的負序影響，本文中牽引變左、右2個供電臂的行車運行狀態考慮了以下2種運行方式：各牽引變2個供電臂正常運行（對應全日平均有效電流）；相鄰的2個牽引變的相鄰供電臂一個供電臂重載運行（對應95%概率最大電流），另一臂正常運行（對應全日平均有效電流）。本文中電力系統公共連接點負序電壓不平衡度考核標準值取為，對應牽引變供電臂正常、重載運行時，負序電壓不平衡度不超過2%；供電臂緊密運行時，負序電壓不平衡度不超過4%。本文對興泉鐵路各個牽引站對近區電網負序電壓的影響進行了計算，包括主供工況下的遠期2種運行方式（正常、重載）。由于各牽引站主、備供電均接入110 kV電壓等級，接入點短路容量較大，各牽引站對近區電網負序電壓的影響不大，各種計算方式下相關變電站母線負序電壓不平衡度最大為3.21%，符合規程規定。計算結果如表5所示。

表5 興泉鐵路近區電網負序電壓不平衡度

三相不平衡計算結論：各個牽引站主供、備供工況下的遠期2種運行方式（正常、重載）下，牽引站近區變電站母線電壓均滿足國標要求[4]，但建議加強監視。

4 結論與建議

興泉鐵路專線為HXD3交直交型貨機和HXD3D交直交型客機時，電網正常運行方式下，牽引站注入PCC點的各次諧波電流均符合國家標準要求；牽引站接入變電站110 kV母線的各次諧波電壓含有量和電壓總諧波畸變率均滿足國家標準要求。牽引站近區變電站110 kV側母線電壓波動分別為0.88%、0.65%、0.68%、0.99%，均低于2.5%規定限值，滿足國家標準要求。牽引站近區變電站正常運行和重載運行時，110 kV母線電壓不平衡度分別低于2%、4%規定限值，均滿足國家標準要求。報告給出的是以典型參數為基礎的計算結果，可能會與建成后的實際情況有所差別，建議在本工程投運初期進行電能質量測試，以準確評估興泉鐵路專線各牽引變電所對電力系統的實際電能質量的影響。