[摘 要]文中分析了電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)的影響，對(duì)我國(guó)電氣化鐵路的發(fā)展、供電方式及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響進(jìn)行了綜述。電氣化鐵路具有運(yùn)量大、速度快、運(yùn)費(fèi)低、能耗較低、受自然影響小等優(yōu)勢(shì)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，是當(dāng)前鐵路發(fā)展的主要方向。同時(shí)電氣化鐵路牽引負(fù)荷是一種大功率單相整流負(fù)荷，它具有很大的移動(dòng)性和波動(dòng)性，產(chǎn)生的負(fù)序及諧波電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)接入點(diǎn)的電能質(zhì)量產(chǎn)生不利影響�？偨Y(jié)了現(xiàn)有的治理措施。
[關(guān)鍵詞]電氣化鐵路 電力系統(tǒng) 負(fù)荷特性 發(fā)電機(jī) 變壓器
引言：
用電力機(jī)車作為牽引動(dòng)力的鐵路。世界上第一條電氣化鐵路于1879年在德國(guó)柏林建成。中國(guó)于1961年建成第一條電氣化鐵路一一寶成鐵路的寶雞至鳳州段。電氣化機(jī)車上不設(shè)原動(dòng)機(jī)，其電力由鐵路電力供應(yīng)系統(tǒng)提供。該系統(tǒng)由牽引變電所和接觸網(wǎng)構(gòu)成。來(lái)自高壓輸電線路的高壓電經(jīng)牽引變電所降壓整流后，送至鐵路架空接觸網(wǎng)，電氣機(jī)車通過(guò)滑線弓受電，牽引機(jī)車行駛。供電制式分為直流制。電氣化鐵路與現(xiàn)有其他動(dòng)力牽引的鐵路相比，具有的優(yōu)越性是能源節(jié)省，其熱效率可達(dá)20%～26%，運(yùn)輸能力大，功率大，可使?fàn)恳傊靥岣�；運(yùn)輸成本低，維修少，機(jī)車車輛周轉(zhuǎn)快，整備作業(yè)少、耗能少、污染少，粉塵與噪聲小，勞動(dòng)條件也較好等。
目前，我國(guó)鐵路建設(shè)在跨躍式發(fā)展新思路的指引下，全國(guó)路網(wǎng)整體規(guī)劃的戰(zhàn)略部署正在穩(wěn)步進(jìn)行。電氣化鐵路以其高速、重載、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)已成為鐵路發(fā)展的必然。本文意在對(duì)新建電氣化鐵路牽引站的供用電相關(guān)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)問(wèn)題進(jìn)行探討。
一、電氣化鐵路牽引供電原理
電氣化鐵路的供電是將國(guó)家電力系統(tǒng)送來(lái)的三相高壓電變換成適合電力機(jī)車使用的單相交流電。牽引變電所從國(guó)家電網(wǎng)引入220千伏或110千伏三相交流電將三相電轉(zhuǎn)換為適合電氣列車使用的單相交流27.5千伏電源并送上接觸網(wǎng)。在架空接觸導(dǎo)線和鋼軌之間行駛。電氣化高速鐵路一般采用單相牽引變壓器，從電網(wǎng)兩相受電，對(duì)三相對(duì)稱的電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電鐵牽引負(fù)荷具有非線性、不對(duì)稱和波動(dòng)性的特點(diǎn)，將產(chǎn)生負(fù)序電流和諧波電流注入電力系統(tǒng)。
二、電氣化鐵路負(fù)荷特性
1、負(fù)荷波動(dòng)頻繁
由于客流分布在不同地區(qū)、不同時(shí)段千差萬(wàn)別，鐵路運(yùn)輸組織為適應(yīng)客流需要，相應(yīng)實(shí)施不同編組、不同追蹤間隔的列車運(yùn)輸方案。所以，牽引變電所兩供電臂內(nèi)，列車的數(shù)量及每一列車的負(fù)荷狀態(tài)隨時(shí)都在變化，牽引變電所的負(fù)荷呈現(xiàn)出頻繁波動(dòng)的狀態(tài)。牽引變電所的負(fù)荷隨著兩供電臂內(nèi)列車的數(shù)量及每一列車的負(fù)荷狀態(tài)隨時(shí)波動(dòng)，有時(shí)輕載，甚至空載，有時(shí)負(fù)載較重，在節(jié)假日及鐵路故障后恢復(fù)行車等情況下，會(huì)出現(xiàn)列車緊密追蹤情況，此時(shí)，牽引變電所會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷高峰值。
2、牽引負(fù)荷大，可靠性要求高
客運(yùn)專線列車速度高，高峰時(shí)段密度大�？諝庾枇﹄S速度呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，列車牽引力主要克服空氣阻力運(yùn)行，牽引負(fù)荷很大。350km/h速度時(shí)，列車運(yùn)行所需功率最高超過(guò)24000kW。且隨著我國(guó)高速鐵路技術(shù)的不斷完善和運(yùn)輸?shù)男枰�，運(yùn)營(yíng)速度還可能進(jìn)一步提高，牽引供電負(fù)荷亦還將相應(yīng)增大。
客運(yùn)專線速度快，運(yùn)輸能力大，將成為旅客運(yùn)輸?shù)闹饕煌üぞ�。在�?guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活中，具有十分重要的作用。高速鐵路要求必須安全、可靠、正點(diǎn)運(yùn)輸。
3、列車負(fù)載率高，受電時(shí)間長(zhǎng)
列車在高速運(yùn)行中，主要克服空氣阻力前進(jìn)，空氣阻力隨速度呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。列車維持高速運(yùn)行時(shí)，需要持續(xù)從接觸網(wǎng)取得電能。所以，高速列車負(fù)載率高，受電時(shí)間長(zhǎng)。
4、短時(shí)集中負(fù)荷特征明顯
客運(yùn)專線具有顯著的時(shí)段特征。在早、晚時(shí)段和節(jié)假日的高峰客流期，根據(jù)客流量需要，可能組織大編組、高密度運(yùn)輸，甚至在短時(shí)形成緊密追蹤，牽引負(fù)荷集中特征明顯。牽引供電系統(tǒng)應(yīng)具有應(yīng)對(duì)各種集中負(fù)荷供電的能力和條件。
5、越區(qū)供電能力要求高
由于旅客運(yùn)輸能力和準(zhǔn)點(diǎn)的需要，牽引供電系統(tǒng)應(yīng)具有應(yīng)對(duì)各種各樣條件下的供電能力。在出現(xiàn)某一牽引變電所解列退出供電的情況下，往往采用由兩相鄰牽引變電所越區(qū)進(jìn)行供電。為了盡量減少越區(qū)供電對(duì)運(yùn)輸能力和準(zhǔn)點(diǎn)的影響，應(yīng)避免過(guò)多的限制列車數(shù)量或降低列車速度，這樣會(huì)相應(yīng)加大兩相鄰牽引變電所的供電負(fù)荷，特別是要求電力系統(tǒng)具有較大的短路容量，滿足超長(zhǎng)距離供電需要。
三、電氣化鐵路對(duì)電力系統(tǒng)的影響
1、對(duì)發(fā)電機(jī)的影響
�。�1）汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為敏感部位，因?yàn)槠啺l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的諧波和負(fù)序溫升比定子大，存在局部的突出高溫部位，國(guó)內(nèi)曾發(fā)生過(guò)向電鐵供電的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子部件嵌裝面過(guò)熱受損的事故。并且當(dāng)負(fù)序電流流過(guò)發(fā)電機(jī)時(shí)，產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，產(chǎn)生負(fù)序同步轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生附加振動(dòng)。諧波也會(huì)引起電機(jī)的振動(dòng)并發(fā)出噪聲，長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)會(huì)引起金屬疲勞和機(jī)械損壞。對(duì)鄰近牽引變電所而遠(yuǎn)離（指電氣距離）電源的異步電動(dòng)機(jī)，其定子繞組為敏感部位。同時(shí)還將在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生一反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，此反向磁場(chǎng)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子起制動(dòng)作用，影響其出力。
2、對(duì)電力變壓器的影響
諧波電流在變壓器繞組要產(chǎn)生附加損耗，該損耗相當(dāng)大，除此之外還能引起外殼、外層硅鋼片和某些緊固件發(fā)熱，并可能局部過(guò)熱，加速變壓器的老化，影響其使用壽命。負(fù)序電流造成電力系統(tǒng)三相電流不對(duì)稱，造成變壓器的額定出力不足（即變壓器容量利用率下降）。
3、對(duì)輸電線路的影響
諧波使網(wǎng)損增大，在發(fā)生系統(tǒng)諧振或諧波放大的情況下，諧波網(wǎng)損可達(dá)到相當(dāng)大的程度。負(fù)序電流流過(guò)電力網(wǎng)時(shí)，它并不作功，只是降低了電力線路的輸送能力。4）對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響。諧波在負(fù)序（基波）量的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)工業(yè)技術(shù)干擾，如對(duì)各種以負(fù)序?yàn)V波器為啟動(dòng)元件的保護(hù)及自動(dòng)裝置的干擾。由于保護(hù)按負(fù)序（基波）量整定，整定值小、靈敏度高。濾波器為啟動(dòng)元件時(shí)，實(shí)際運(yùn)行中已引起保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)。
四、電力系統(tǒng)電壓波動(dòng)及偏差
電力系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的供電電源，是確保高速電氣化鐵路正常供電的基本條件。目前，高速客運(yùn)專線一般采用220kV電源供電，基本上滿足供電需要。但在部分電網(wǎng)薄弱地區(qū)，由于系統(tǒng)短路容量偏小，電力系統(tǒng)供電電壓波動(dòng)幅度較大，將會(huì)影響鐵路的正常供電和運(yùn)輸，也同時(shí)影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和其他用戶的供電質(zhì)量。
五、措施
電氣化鐵路設(shè)計(jì)時(shí)由于牽引負(fù)荷較重，負(fù)荷不對(duì)稱性明顯，對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量有較大影響。牽引負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流雖然較大，但可以采取加裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置等有效措施進(jìn)行治理。根據(jù)牽引負(fù)荷情況在進(jìn)行供電方案設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮提高供電電壓等級(jí)、加強(qiáng)近區(qū)電網(wǎng)建設(shè)、選取短路容量較大變電站作接入點(diǎn)等措施。
結(jié)語(yǔ)
鐵路和電力同為國(guó)家的重要基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)于促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展，滿足廣大人民群眾日益增長(zhǎng)的生活需求，負(fù)有共同的責(zé)任。目前，鐵路和電力都處于快速發(fā)展時(shí)期，電力系統(tǒng)對(duì)電鐵的供電方案，不僅關(guān)系到鐵路牽引供電系統(tǒng)的供電能力和供電質(zhì)量，也同時(shí)影響到電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量及電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，需要綜合研究、科學(xué)決策。鐵路部門應(yīng)加強(qiáng)和電力部門的溝通和協(xié)商，本著從國(guó)家大局出發(fā)，共同研究制定電氣化鐵路合理的供電方案和綜合電能質(zhì)量治理措施，促進(jìn)鐵路和電力互利雙贏、和諧發(fā)展，共同為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和提高人民生活水平作出更大的貢獻(xiàn)。
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