電網(wǎng)電能質(zhì)量對高鐵運行的影響

　　2016年8月13日，由北京西開(kāi)往深圳北站的G79次高鐵發(fā)生停電故障，上千人被困在40+℃的車(chē)廂內，持續近2小時(shí)，不少孩子和老人出現了不適和脫水現象。高鐵安全穩定運行與其電網(wǎng)電能質(zhì)量密不可分，如何保障高鐵電網(wǎng)電能質(zhì)量成為了當下討論的熱點(diǎn)。

　　圖1 2020年地圖規劃圖

　　到2020年，中國將新建高速鐵路1.6萬(wàn)公里以上，形成以“四縱四橫”高鐵為主骨架的快速鐵路網(wǎng)，現在高鐵運行時(shí)速達到300km/h，提速至350km/h的呼聲也在不斷增強。

　　高鐵的安全穩定運行與高鐵電網(wǎng)的電能質(zhì)量密不可分，電能質(zhì)量問(wèn)題可以導致電網(wǎng)電力故障和列車(chē)電力設備故障。探討高鐵電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題對高鐵列車(chē)的影響，我們就必須要了解高鐵的供電原理和驅動(dòng)原理。

　　高鐵牽引供電系統

　　圖2 高鐵結構示意圖

　　高鐵能夠跑起來(lái)，依靠的是牽引供電系統給高速列車(chē)提供電力。電氣化鐵路的牽引供電方式主要有：BT(吸流變壓器)供電方式、AT(自耦變壓器)供電方式和TR直接供電方式。由于高速鐵路功率大，牽引電流較大，因此一般采用功率輸送能力最強的AT供電方式，典型的

　　AT供電系統如圖3所示。

　　圖3 典型的AT供電系統

　　引供電系統主要由牽引變電站(變電所)、自耦變壓器AT、接觸網(wǎng)T、回饋線(xiàn)F、鐵軌R及高速列車(chē)組成?；驹頌椋籂恳冸娬緸檎麄€(gè)牽引系統提供電 源，電流從牽引變電站流出，通過(guò)接觸網(wǎng)給高速列出提供電能，然后通過(guò)回饋線(xiàn)流回牽引變電站，AT供電方式的工作原理如圖4所示。

　　圖4 AT工作原理圖

　　高速鐵路供電是按照“供電段”來(lái)進(jìn)行劃分的，平均數十千米/座。每個(gè)變電站伸出兩個(gè)供電支，提供不同相的電流。列車(chē)經(jīng)過(guò)兩個(gè)變電站的“供電段”時(shí)， 先后通過(guò)A1-B1-A2-B2四個(gè)供電支。為保證供電安全，每個(gè)供電支之間采用電氣絕緣(隔離)的結構設計，因此各供電支之間不會(huì )短路。列出從一個(gè)供電 支運行到另一個(gè)供電支是瞬時(shí)完成的。供電段示意圖如圖5所示。

　　圖5 供電段示意圖

　　高鐵驅動(dòng)原理

　　牽引供電系統為高鐵提供電力，高鐵依靠電力來(lái)獲得動(dòng)力，圖6是高鐵的驅動(dòng)原理示意圖?；驹頌椋焊咚倭熊?chē)通過(guò)受電弓與接觸網(wǎng)接觸將高壓交流電取回 車(chē)內，然后通過(guò)變壓器降壓和四象限整流器轉換成直流，在經(jīng)過(guò)逆變器轉換成可調幅調頻的三相交流電，輸入三相異步/同步牽引電機，通過(guò)傳動(dòng)系統帶動(dòng)車(chē)輪運 行。

　　圖6 高鐵驅動(dòng)原理圖

　　高鐵電能質(zhì)量分析

　　高鐵是一種特殊的大功率單相負荷，對于三相對稱(chēng)的電力系統來(lái)說(shuō)，高鐵牽引負荷具有波動(dòng)性、非線(xiàn)性、不對稱(chēng)性等特點(diǎn)。

　　1、負荷波動(dòng)與沖擊

　　列車(chē)在運行中的加速、惰行、制動(dòng)等因素都會(huì )引起牽引變電站負荷的波動(dòng)，特別是列車(chē)從一個(gè)供電支變換到另一個(gè)供電支時(shí)，其瞬間造成的負荷波動(dòng)和沖擊是 非常巨大的，巨大的負荷波動(dòng)和沖擊會(huì )引起電網(wǎng)電壓的異常波動(dòng)。圖5是高鐵牽引變電站24小時(shí)內有功功率變化情況，可以看出高鐵牽引變電站負荷波動(dòng)和沖擊非 常大。

　　圖7 牽引變電站有功功率曲線(xiàn)

　　2、非線(xiàn)性

　　從高鐵的驅動(dòng)原理可以看出，高鐵采用交-直-交的PWM變流器技術(shù)，把工頻交流電經(jīng)過(guò)整流逆變轉變?yōu)榭烧{幅調頻的三相交流電為牽引電機供電，這是一 個(gè)非線(xiàn)性的過(guò)程，不可避免的會(huì )產(chǎn)生的大量的諧波。此外，整個(gè)列車(chē)電源還要向車(chē)內的空調、照明等非線(xiàn)性負荷供電，這些非線(xiàn)性設備也會(huì )產(chǎn)生大量的諧波。

　　3、不對稱(chēng)性

　　高鐵采用單相供電制，且牽引網(wǎng)兩個(gè)供電支的負荷不可能保持一致，因此對于三相電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，屬于不對稱(chēng)性負荷，會(huì )產(chǎn)生負序電流，造成牽引變電站外接電網(wǎng)三相不平衡。

　　高鐵電能質(zhì)量危害

　　圖8 運行中的高鐵

　　高鐵在行駛過(guò)程中產(chǎn)生的諧波、負序分量以及電壓波動(dòng)等電能污染，對高鐵電力系統的安全性、可靠性造成了嚴重的影響。高鐵電網(wǎng)電能污染對高鐵電力系統主要有以下影響：

　　影響電網(wǎng)的安全性和可靠性：高鐵列車(chē)運行產(chǎn)生的大量高次諧波通過(guò)牽引變壓器注入牽引變電站，引入電力系統，并與系統的“背景負荷”產(chǎn)生的的負序源疊加，使得系統內部電網(wǎng)的3次、5次諧波在諧振時(shí)嚴重放大，進(jìn)而導致電網(wǎng)故障;

　　影響電力設備的安全穩定運行：高鐵牽引負荷產(chǎn)生的諧波和負序分量會(huì )造成設備損壞，減少設備壽命或降低效率，甚至會(huì )對計算機、通信、電力系統繼電保護裝置等設備造成工作失誤或性能劣化，可能導致越級跳閘而擴大事故或者導致主變、線(xiàn)路跳閘。

　　可以看出高鐵電網(wǎng)電能污染不僅影響鐵路自身小局域電網(wǎng)的安全與穩定，也會(huì )通過(guò)牽引變電站對外部電網(wǎng)造成影響。無(wú)論是對自身電網(wǎng)還是對外部電網(wǎng)的影響，最終都會(huì )威脅到高鐵運行的安全與穩定。

　　高鐵電能質(zhì)量治理

　　高鐵電力系統的安全性、可靠性決定了高鐵列車(chē)運行的安全性和可靠性。因此對高鐵電網(wǎng)電能質(zhì)量的監測治理就顯得尤為重要了。高鐵的牽引變電站之間是相 互獨立的，供電支之間也是相互隔離的，所以對高鐵電網(wǎng)電能質(zhì)量的監測，就需要對每個(gè)供電支進(jìn)行在線(xiàn)式的監測，然后匯總到后臺主機，進(jìn)而實(shí)現對整個(gè)高鐵電網(wǎng) 的實(shí)時(shí)監測。

　　圖9 高鐵電網(wǎng)

　　致遠電子的E8300多回路電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置，廣泛應用于全國各地各級變電站、電氣化鐵路、高耗能企業(yè)電能質(zhì)量的在線(xiàn)監測。它可以長(cháng)期在線(xiàn)式監 測電網(wǎng)電能的質(zhì)量，具有諧波與閃邊分析、電能波動(dòng)與故障錄波、分量測量與電壓不平衡度分析、數據記錄與事件過(guò)程記錄等功能。圖10是致遠電子電能質(zhì)量在線(xiàn) 監測裝置應用方案圖。

　　圖10 電能質(zhì)量在線(xiàn)裝置應用方案圖

　　對于監測裝置和后臺主機之間的通信，即可采用有線(xiàn)也可以采用無(wú)線(xiàn)3G網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò )將各監測點(diǎn)的數據安全送到PQS子系統，管理人員可通過(guò)web遠程查看和管理電能質(zhì)量系統。