论文部分内容阅读
摘要：青海电网所辖区域内兰新第二双线电气化铁路，是国家“八纵八横”铁路网主骨架之一，研究交直型电力机车、交交型电力机车的电气特性，机车的负荷特性，牵引负荷与铁路运输组织的关系，对分析负序指标中的PCC点负序电压允许值，公共连接点负序电压不平衡度，牵引站的电压不平衡度，谐波电流等指标有着积极作用，继而研究提高电气化铁路供电可靠性方法，消除电铁对电网电能质量的影响。
关键词：电气化铁路；负荷特性；谐波特性
1.引言
青海电网所辖区域内兰新第二双线为国铁Ⅰ级、双线电气化铁路。新建铁路兰州至乌鲁木齐第二双线东起甘肃省省会兰州市，途经青海省民和县、乐都县、平安县至青海省省会西宁，后折向北经大通县、门源县，穿越祁连山山脉进入甘肃省河西走廊西行，经民乐县、张掖市、临泽县、酒泉市、嘉峪关市、玉门市以及新疆自治区哈密市、鄯善县、吐鲁番市，西至新疆维吾尔自治区首府乌鲁木齐市。是国家“八纵八横”铁路网主骨架之一。
2.电铁特性及特点
2.1 电力机车的电气特性
（1）交直型电力机车
我国目前在既有电铁线路上，主要采用交直型电力机车。除少数从国外引进的电力机车（如日本的6K型，法国的8K型）外，绝大多数是我国自行设计制造的SS（韶山）型单相工频电力机车。如：适用于重载货运的SS4型，客货两用的SS6和SS7型，以及快速客运和准高速客运的SS5、SS8和SS9型。机车从接触网取得25kV工频单相电压，经车载变压器降压到1500V，整流后向牵引电动机供电。牵引电动机采用直流串励式，额定电压为1020V，功率约为700—900kW。交直型电力机车的原理结线如图2-1所示。
交直型电力机车采用半控桥式整流装置，通过控制晶闸管的导通角来实现机车出力的调节。这一控制方式，使得交直型机车的功率因数较低（0.8左右），并产生较大的高次谐波（三次谐波电流分量占18%以上）。
（2）交直交型电力机车
高速铁路采用高速列车，要求其起动快，使其能在最短的时间和距离内达到额定最高运行速度。为此，必须加大牵引功率，以提高起动牵引力。同时，当列车速度达到额定最高运行速度时，为保持其恒定速度，必须有足够的持续牵引力来克服列车运行阻力。列车运行时的空气阻力与列车速度的几何关系成正比，因此，随着列车速度的提高，列车单位重量所需的牵引力成倍增加，机车额定功率也随之增加。高速列车对牵引动力的基本要求是：功率大、轴重轻、自重小、黏着利用好、整机控制好等。交流机车牵引能够同时满足上述技术要求。交直交型电力机车的工作原理如图2-2所示。
交直交型交流传动机车，采用四象限整流+PWM逆变器（VVVF）+三相交流感应电动机的传动方式。通过GTO或IGBT器件进行导通和关断角的控制。这种供电方式的最大优点在于：在牵引与制动的整个功率范围内，网侧的功率因数接近1（0.95以上）；采用多重的四象限脉冲整流，可以使网侧的电流谐波最小（三次谐波电流小于2.5%）；通过控制可以使中间直流回路的电压比较稳定。
2.2 列车的负荷特性
（1）列车负荷与牵引重量的关系
在运行、线路坡度相同的情况下，列车负荷与牵引重量成正比。
（2）列车负荷与运行速度的关系
列车运行速度越高，空气阻力越大。在牵引重量、线路坡度相同的情况下，运行速度越高，牵引功率和能耗大幅度提高。并且在高速时，列车主要克服空气阻力运行，持续受流时间长。图2-3为单位重量牵引功率随速度的变化曲线。
2.3 牵引负荷与铁路运输组织的关系
铁路根据运量和线路条件编制运输组织计划，列车在行车调度的指挥下，在铁路上按信号运行。单线铁路一般采用站间闭塞方式，一个区间只能有一列车运行。复线铁路采用划分区间段闭塞方式，按固定间隔时间追踪运行。目前，货车一般追踪间隔8分钟，最小追踪间隔5分钟；高速列车设计最小追踪时间间隔，近期为4分钟，远期为3分钟。
铁路建设时，基础设施均按远期线路能力一次规划建设到位，运输设备按近期需要配置。
2.4 牵引变电所负荷特性
（1）负荷的冲击性特点
牵引变电所一般为两侧单相供电，其负荷的大小与供电区间运行的列车数量、铁路线路坡度以及列车运行的速度等因素有关。图2-4所示为实测的某牵引变电所负荷曲线图。可以看出，牵引负荷具有如下特点：牵引负荷的波动大、兩供电臂负荷不均衡、功率因数低、无功冲击大。
电气化铁路沿线路况千差万别，列车在运行时速度、线路坡度、风速等随时发生变化，列车按信号运行，供电区间内的列车数量疏密不等。这些因素造成列车数量及每一列车的负荷随时变化，使牵引变电所的负荷呈现波动性。
（2）两供电臂负荷的不均衡性
牵引变电所的负荷随着两供电臂内列车数量以及列车负荷而变化，有时轻载甚至空载、有时严重过载。如在节假日、铁路故障后恢复行车时会出现列车紧密追踪情况，在军运、煤电运、农运等特殊情况下，也会出现列车紧密追踪的情况。 此时，牵引变电所会出现负荷高峰值。
（3）负荷率低
牵引变电所的负荷是由铁路运量、列车速度、线路条件等因素决定的。列车运行时的受流状态随时都在发生变化。其平均负荷较低。但牵引变电所的供电能力必须适应短时出现的高峰负荷的需要。所以，牵引变电所的负荷率很低，一般不超过20%，个别达到30%。
（4）负序特性
由于机车为单相负荷，无论牵引变压器采取何种结线方式，都将向系统注入较大的负序电流，从而造成系统的三相电压不平衡。
（5）谐波特性
国产韶山型电力机车谐波含有率的试验值（单台）如表2-1所示。
3、结论
针对青海电气化铁路四种机车运行特性分析，依据负序指标中的PCC点负序电压允许值标准，接于公共连接点的每个用户，引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不得超过2.6%，牵引站的电压不平衡度均满足国标要求。同时存在谐波电流超标现象，应在未来规划中考虑在牵引站内加装滤波装置，消除超标电流。
参考文献：
[1]张力强，罗文杰，吕利军. 电气化铁路牵引负荷的不利影响及治理方案[J]. 电网技术，2006（s1）：196-198.
[2]白建海. 电气化铁路对电网谐波及三相不平衡度影响及治理措施研究[D]. 华北电力大学（保定）华北电力大学，2013.
[3]刘莹. 电气化铁路接入对电网电能质量的影响评估及治理研究[D]. 山东大学，2014.
[4]张丽艳. 新建电气化铁路对电网电能质量影响的预测与对策分析研究[J]. 2013.
[5]邹大云. 电气化铁路对电网电能质量影响仿真技术研究[D]. 西南交通大学，2012.
关键词：电气化铁路；负荷特性；谐波特性
1.引言
青海电网所辖区域内兰新第二双线为国铁Ⅰ级、双线电气化铁路。新建铁路兰州至乌鲁木齐第二双线东起甘肃省省会兰州市，途经青海省民和县、乐都县、平安县至青海省省会西宁，后折向北经大通县、门源县，穿越祁连山山脉进入甘肃省河西走廊西行，经民乐县、张掖市、临泽县、酒泉市、嘉峪关市、玉门市以及新疆自治区哈密市、鄯善县、吐鲁番市，西至新疆维吾尔自治区首府乌鲁木齐市。是国家“八纵八横”铁路网主骨架之一。
2.电铁特性及特点
2.1 电力机车的电气特性
（1）交直型电力机车
我国目前在既有电铁线路上，主要采用交直型电力机车。除少数从国外引进的电力机车（如日本的6K型，法国的8K型）外，绝大多数是我国自行设计制造的SS（韶山）型单相工频电力机车。如：适用于重载货运的SS4型，客货两用的SS6和SS7型，以及快速客运和准高速客运的SS5、SS8和SS9型。机车从接触网取得25kV工频单相电压，经车载变压器降压到1500V，整流后向牵引电动机供电。牵引电动机采用直流串励式，额定电压为1020V，功率约为700—900kW。交直型电力机车的原理结线如图2-1所示。
交直型电力机车采用半控桥式整流装置，通过控制晶闸管的导通角来实现机车出力的调节。这一控制方式，使得交直型机车的功率因数较低（0.8左右），并产生较大的高次谐波（三次谐波电流分量占18%以上）。
（2）交直交型电力机车
高速铁路采用高速列车，要求其起动快，使其能在最短的时间和距离内达到额定最高运行速度。为此，必须加大牵引功率，以提高起动牵引力。同时，当列车速度达到额定最高运行速度时，为保持其恒定速度，必须有足够的持续牵引力来克服列车运行阻力。列车运行时的空气阻力与列车速度的几何关系成正比，因此，随着列车速度的提高，列车单位重量所需的牵引力成倍增加，机车额定功率也随之增加。高速列车对牵引动力的基本要求是：功率大、轴重轻、自重小、黏着利用好、整机控制好等。交流机车牵引能够同时满足上述技术要求。交直交型电力机车的工作原理如图2-2所示。
交直交型交流传动机车，采用四象限整流+PWM逆变器（VVVF）+三相交流感应电动机的传动方式。通过GTO或IGBT器件进行导通和关断角的控制。这种供电方式的最大优点在于：在牵引与制动的整个功率范围内，网侧的功率因数接近1（0.95以上）；采用多重的四象限脉冲整流，可以使网侧的电流谐波最小（三次谐波电流小于2.5%）；通过控制可以使中间直流回路的电压比较稳定。
2.2 列车的负荷特性
（1）列车负荷与牵引重量的关系
在运行、线路坡度相同的情况下，列车负荷与牵引重量成正比。
（2）列车负荷与运行速度的关系
列车运行速度越高，空气阻力越大。在牵引重量、线路坡度相同的情况下，运行速度越高，牵引功率和能耗大幅度提高。并且在高速时，列车主要克服空气阻力运行，持续受流时间长。图2-3为单位重量牵引功率随速度的变化曲线。
2.3 牵引负荷与铁路运输组织的关系
铁路根据运量和线路条件编制运输组织计划，列车在行车调度的指挥下，在铁路上按信号运行。单线铁路一般采用站间闭塞方式，一个区间只能有一列车运行。复线铁路采用划分区间段闭塞方式，按固定间隔时间追踪运行。目前，货车一般追踪间隔8分钟，最小追踪间隔5分钟；高速列车设计最小追踪时间间隔，近期为4分钟，远期为3分钟。
铁路建设时，基础设施均按远期线路能力一次规划建设到位，运输设备按近期需要配置。
2.4 牵引变电所负荷特性
（1）负荷的冲击性特点
牵引变电所一般为两侧单相供电，其负荷的大小与供电区间运行的列车数量、铁路线路坡度以及列车运行的速度等因素有关。图2-4所示为实测的某牵引变电所负荷曲线图。可以看出，牵引负荷具有如下特点：牵引负荷的波动大、兩供电臂负荷不均衡、功率因数低、无功冲击大。
电气化铁路沿线路况千差万别，列车在运行时速度、线路坡度、风速等随时发生变化，列车按信号运行，供电区间内的列车数量疏密不等。这些因素造成列车数量及每一列车的负荷随时变化，使牵引变电所的负荷呈现波动性。
（2）两供电臂负荷的不均衡性
牵引变电所的负荷随着两供电臂内列车数量以及列车负荷而变化，有时轻载甚至空载、有时严重过载。如在节假日、铁路故障后恢复行车时会出现列车紧密追踪情况，在军运、煤电运、农运等特殊情况下，也会出现列车紧密追踪的情况。 此时，牵引变电所会出现负荷高峰值。
（3）负荷率低
牵引变电所的负荷是由铁路运量、列车速度、线路条件等因素决定的。列车运行时的受流状态随时都在发生变化。其平均负荷较低。但牵引变电所的供电能力必须适应短时出现的高峰负荷的需要。所以，牵引变电所的负荷率很低，一般不超过20%，个别达到30%。
（4）负序特性
由于机车为单相负荷，无论牵引变压器采取何种结线方式，都将向系统注入较大的负序电流，从而造成系统的三相电压不平衡。
（5）谐波特性
国产韶山型电力机车谐波含有率的试验值（单台）如表2-1所示。
3、结论
针对青海电气化铁路四种机车运行特性分析，依据负序指标中的PCC点负序电压允许值标准，接于公共连接点的每个用户，引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不得超过2.6%，牵引站的电压不平衡度均满足国标要求。同时存在谐波电流超标现象，应在未来规划中考虑在牵引站内加装滤波装置，消除超标电流。
参考文献：
[1]张力强，罗文杰，吕利军. 电气化铁路牵引负荷的不利影响及治理方案[J]. 电网技术，2006（s1）：196-198.
[2]白建海. 电气化铁路对电网谐波及三相不平衡度影响及治理措施研究[D]. 华北电力大学（保定）华北电力大学，2013.
[3]刘莹. 电气化铁路接入对电网电能质量的影响评估及治理研究[D]. 山东大学，2014.
[4]张丽艳. 新建电气化铁路对电网电能质量影响的预测与对策分析研究[J]. 2013.
[5]邹大云. 电气化铁路对电网电能质量影响仿真技术研究[D]. 西南交通大学，2012.