1、第 33 卷 第 13 期 电 网 技 术 Vol. 33 No. 13 2009 年 7 月 Power System Technology Jul. 2009 文章编号： 1000-3673（ 2009） 13-0054-04 中图分类号： TM714 文献标志码： A 学科代码： 4704051 电气化铁路供电电能质量测试主要结果分析 周胜军，于坤山，冯满盈，孙生鸿，贺春 （中国电力科学研究院 ， 北京市 海淀区 100192） Analysis on Main Results of Power Quality Test of Power Supply for Electrified R
2、ailway ZHOU Sheng-jun，YU Kun-shan，FENG Man-ying，SUN Sheng-hong，HE Chun （China Electric Power Research Institute，Haidian District，Beijing 100192，China） ABSTRACT: In order to grasp present condition of power quality in the power supply for electrified railway to ensure the secure operation of power gr
3、id and to meet the demand on power supply due to rapid growth of electrified railway, the State Grid Corporation of China organized a large-scale testing of power quality. According to the power quality testing results of substations supplying electric power to electrified railway, the authors put i
4、n order the main problems in the power supply for electrified railway and analyze the main testing data such as harmonics and negative-sequence components. Analysis results show that the power factors of traction loads of electrified railway are low and the harmonics and negative-sequence components
5、 produced by traction loads generally exceed specified limits, it makes the power quality of power system deteriorated and brings hidden danger to power system security and stability, thus much attention should be paid to this problem and its solution. KEY WORDS: electrified railway； power quality；
6、harmonics；negative-sequence components； power factor 摘要： 为掌握电气化铁路供电电能质量现状，确保电网安全运行，满足电气化铁路快速发展的供电需求，国家电网公司组织了一次大规模测试。 文章根据向电气化铁路供电的变电站电能质量测试结果，就谐波、负序等主要测试数据及电气化铁路供电中的主要问题进行整理和分析。结果表明，电气化铁路牵引负荷功率因数偏低， 产生的谐波和负序分量普遍超标，劣化了电网电能质量，给电网安全稳定带来隐患，应引起高度重视并积极解决。 关键词： 电气化铁路；电能质量；谐波；负序分量；功率因数 0 引言 近年来我国电气化铁路发展迅猛，
7、 “十一五” 基金项目： 国家电网公司科技项目资助 (SGKJ2007102)。 期间将建设新线 17 000 km， 其中客运专线 7 000 km，既有线电气化改造 1 500 km。 2010 年全国铁路营 业里程将达到 9 万 km 以上，电气化率达到 45%以上1。由于电力机车采用单相、整流供电方式，机车运行时从电网吸收工频功率，向电网注入谐波和负序电流；同时，电气化铁路负荷还具有冲击性和沿线分布广的特点2-4。随着列车速度的提高，列车取用功率成倍增加，使得电气化铁路对电网的影响日益突出。国内已有许多文献就电气化铁路对电网电能质量的影响及其监测进行了研究5-9， 本文重点介绍现场实测
8、数据及分析结果。 电力系统是一个开放的公共系统，担负着向全社会提供电能的职责。因此，在满足电气化铁路供电需求的同时，确保电网的安全稳定运行，实现铁路与电网双赢发展的目标是铁路与电力双方共同的责任。为了掌握电网向电气化铁路供电地区的电能质量现状，国家电网公司组织了一次大规模的电能质量测试，针对我国电气化铁路牵引供电的特点，选择不同供电电压、不同供电方式、不同地区、不同机车负荷等有代表性的电力系统变电站， 由 11家网省公司进行了电能质量现场实测。通过测试，掌握了目前电网和用户负荷受电气化铁路影响的基本状况，为开展后续研究提供了依据，测试数据可供管理决策部门、设计和生产单位参考。 1 测试情况说明
9、 1.1 总体情况 测试工作依据统一制定的实施计划、测试仪器技术规范、作业指导书、测试方案进行。 2006 年 7月 14 日在北京召开协调会，对测试工作做出统一部署并进行相关培训。测试分阶段有序进行： 7 月21 日正式开始，各网省公司布置测试工作、落实测第 33 卷 第 13 期 电 网 技 术 55 试仪器； 7 月 27 日 8 月 7 日为测试第 1 阶段，完成指定测点的测试； 8 月 3 日 8 月 13 日完成自选测点的测试； 8 月 14 日 8 月 17 日进入总结阶段，各单位分别编写测试报告；最后由中国电力科学研究院汇总编写总的测试报告。 1.2 测试地点的选择 根据前期调
10、研结果，并考虑网络结构、牵引变压器接线方式以及负荷的特点，选定了相应的测试点。各省网公司根据自身电网的情况再选定 12 个有代表意义的测试点。主要测试点选择情况及需要重点关注的问题见表 1(有部分测试点没有列出 )。测试期间京沪线处于试车阶段，通过电气机车较少，因此，京沪线北京大兴变电站 (供安定牵引站 )、上海静宜变电站 (供南翔牵引站 )、安徽嘉山变电站(供三界牵引站 )等 3 个测试点的数据并不反映实际情况，不纳入统计分析范围。 表 1 主要测试点 Tab. 1 The main testing places 序号 负责单位 指定测试点 重点关注内容 自选测试点 1 华北电网 公司 张家
11、口三马坊变电站 (供东城牵引站 ) 东城乡牵引站属大秦线，为重载货运专线，重点关注对变电站 35 kV 电容器组的影响。 张家口侯家庙变电站 (供宣化牵引站 )2 北京市 电力公司 聂各庄变电站 (供延庆牵引站 ) 延庆牵引站属大秦线，为重载货运专线。 大兴变电站 (供安定牵引站 ) 3 上海市 电力公司 静宜变电站 (供南翔牵引站 ) 最新投运的京沪线牵引站，处于始发位置。 4 安徽省 电力公司 嘉山变电站 (供三界牵引站 ) 最新投运的京沪线牵引站，位于中间，供电系统较薄弱。 临淮变电站 (供石门山牵引站 ) 5 四川省 电力公司 松林变电站 (距西昌卫星 发射中心最近 )、泸沽变电站 (
12、供冕宁牵引站 ) 重点关注对西昌卫星发射中心 (重点用户 )的影响，以及对系统继电保护装置的影响。 白石岩变电站 (供广元南牵引站 ) 6 黑龙江省电力公司 城乡变电站 (城牵变 ) 城牵变属哈大线，为我国首条 220 kV 供电的电气化铁路。 双城一次变电站 (双牵变 ) 7 山西省 电力公司 柳塬变电站 (供东街村牵引站 ) 重点关注神黄铁路投运后对用户电网 (太原卫星发射中心和引黄公司 )的影响和引起的故障。 义井 220 kV 变电站 (供神池南牵引站 )8 福建省 电力公司 华安水电厂开关站 (供华安牵引站 ) 重点关注电气化铁路谐波和负序分量对系统电能质量及系统中水电机组的影响。
13、沙溪口开关站 (供来舟牵引站 ) 9 陕西省 电力公司 千阳变电站 (供千阳牵引站 )、 古堰变电站 (供石泉牵引站 ) 重点关注电气化铁路对系统继电保护的影响。 柞水变电站 (供柞水牵引站 ) 10 湖南省 电力公司 城前岭变电站 (供槐树下牵引站 ) 重点关注电气化铁路对系统一次设备 (电容器、电抗器 )的影响。 李家坡变电站 (供低庄牵引站 )、 西湖变 (供云湖桥牵引站 ) 11 甘肃省 电力公司 石城变电站 (白银供电公司 ) 重点关注电气化铁路对输电线路的影响，石城变同时向多座牵引站供电，已多次引起输电线路绝缘子损坏。 永登变电站 (兰州供电公司 ) 1.3 测试仪器的基本要求 测
14、试工作中使用的仪器符合现行电能质量国家标准10-11及 IEC 标准12要求，并做如下补充规定： 1）仪器电压、电流输入通道均不少于 3 个。 2） 采样频率及时间窗宽度： 工作频率为 50 Hz，每周波采样 128 及以上点；采样间隔须满足国标及IEC 标准要求，由于电气化铁路负荷具有一定的冲击性，每次谐波分析至少取 4 个周波以上，建议采样窗口取 8 个周波，并采用合适的窗函数，如矩形窗、汉宁窗等。 3） 测试时间长度应完整反映电气化铁路牵引负荷的周期变化 (电气化铁路按 运行图运输，其负荷周期一般为 1 d13)，要求不少于 72 h，测量记录间隔时间为 1 min。 4）采样数据存储：
15、所有数据应保存在非易失 存储器中，以防止供电电源中断引起数据丢失；测 试仪器应具有足够的存储能力；数据应按照 IEEE 1159.30 标准规定的 PQDIF 格式提交。 1.4 主要测试指标 测试仪器挂接在向电气化铁路供电的电网侧变电站母线，本测试充分借鉴国内电能质量检测分析的最新研究成果14-18，要求至少包含以下电能质量指标： 1）供电母线电压； 2）电气化铁路出线有功功率、无功功率； 3）电气化铁路出线功率因数；4）供电母线各次谐波电压含有率、电压总谐波畸变率，谐波次数最低到 25 次； 5）电气化铁路出线谐波电流，谐波次数最低到 25 次； 6）电气化铁路出线负序电流和母线三相电压不
16、平衡度。 1.5 测试数据的统计方法 对谐波、负序测量数据的统计处理方法按照国56 周胜军等：电气化铁路供电电能质量测试主要结果分析 Vol. 33 No. 13 家标准要求，按 95%概率大值选取测量值，即将实测值按由大到小的次序排列，舍弃前面的 5%概率大值，取剩余实测值中的最大值。测量结果应取测量时段内三相实测数据中 95%概率大值的最大值作为判断是否超标的依据。 2 主要测试结果分析 2.1 功率因数 1）电气化铁路负荷的平均功率因数偏低，测试结果显示：全部测点的平均功率因数低于 0.9，分布在 0.260.86，各测点平均值为 0.6。其中甘肃省石城 1122出线 (供喜集水牵引站
17、)的平均功率因数只有 0.26，陕西古堰变电站 (供石泉牵引变 )仅为0.31，湖南城前岭变电站 (供槐树下牵引变 )为 0.39，四川白石岩变 (宝成复线 )为 0.86。陕西柞水变电站(供柞水牵引变 )的最高功率因数只有 0.82，平均值为 0.43。 2）电气化铁路负荷呈现不规则的波动性，供电设备负荷率低。各测点有功功率最大值与平均值之比分布在 2.312.4，平均值为 5.1，说明供电设备平均负荷率低于 20%。其中石城变 1 122 出线 (供喜 集水牵引站 )的最大有功为 18 MW，平均有功仅为 1.45 MW，比值达 12.4；白石岩变 (宝成复线 )的最大 有功为 22 MW
18、，平均有功为 9.6 MW，比值为 2.3。 3）电气化铁路负荷存在短时过补偿现象。例如甘肃石城变所供 3 个牵引站、湖南城前岭变、黑龙江城乡变和双城变等均有无功返送情况。 2.2 谐波电流 1）经对测试数据的统计分析可知，电气化铁路所产生的 3、 5、 7、 9、 11、 13 等奇次谐波电流含量较大，分别为基波电流的 10.81%、 7.96%、 4.51%、3.04%、 2.87%、 2.68% (所有数据的平均值 )。测试结果与根据铁路行业标准 TB/T2799-199719规定的谐波电流含有率回归公式计算的结果基本吻合： fnKabI=+ (1) 式中：nK 为 n 次谐波电流含有率
19、； a、 b 为回归系数，数值见表 2； If为负荷电流， A，f300I A。根据规定，式 (1)一般适用于电气化铁路负荷电流小 于 300 A 的情况。在此取 300 A 计算出谐波电流含有率，如表 2 所示，与实测结果基本吻合。 2）所有测点注入系统的 3 次谐波电流都超标，为允许值的 1.4412.74 倍，平均超标 3.66 倍； 513次奇次谐波电流不同程度超标。其中超标最严重的是湖南城前岭变 (供槐树下牵引站 )， 3 次谐波电流最 表 2 回归系数及电力机车各次谐波电流含量 Tab. 2 Regression coefficients and harmonics current
20、 level of the electrified locomotives 谐波次数a b 按回归公式计算的 谐波电流含有率 /% 平均实测谐波 电流含有率 /% 3 23.9 0.042 11.30 10.81 5 13.9 0.025 6.40 7.96 7 10 0.017 4.90 4.51 9 3.7 0.003 6 2.62 3.04 11 5.2 0.008 3 2.71 2.68 大值为 27.15 A， 95%概率大值为 16.56 A，是允许值的 12.7 倍 (允许值为 1.3 A)； 5 次谐波电流最大值为19.99 A， 95%概率大值为 13.01 A，是允许值的
21、9.3倍 (允许值为 1.4 A)。超标最轻的是华安水电厂开关站 (供华安牵引站 )， 3 次谐波电流最大值为 20.42 A，95%概率大值为 5.37 A， 是允许值的 1.44 倍 (允许值为 3.73 A)； 5 次谐波电流最大值为 10.74 A， 95%概率大值为 3.76 A，不超标 (允许值为 4 A)。 3）值得特别指出的是，哈大线是我国第一条由 220 kV 电压等级供电并且采用单相牵引变的电气化铁路，这次抽查的 2 个供电变电站谐波电流也都超标，其中黑龙江城乡变 (供城牵变 ) 3 次谐波电流最大值为 16.96 A， 95%概率大值为 6.33 A；双城一次变 (供王牵
22、变 ) 3 次谐波电流最大值为 18.80 A，95%概率大值为 6.58 A，超标 1 倍以上。 2.3 谐波电压 1） 电压总谐波畸变率 (total harmonic distortion，THD)超标的有安徽、北京、福建、湖南、华北、山西、陕西、四川等 8 个网省。超标严重的有：华北三马坊变 (最大值为 20.96%， 95%概率大值为11.81%)，是标准限值的 5.9 倍；山西义井变 (最大值为 14.41%， 95%概率大值为 7.21%)，北京康庄变(最大值为 14.11%， 95%概率大值为 8.57%)，陕西古堰变 (最大值为 11.70%， 95%概率大值为 7.62%)
23、，湖南李家坡变 (最大值为 9.76%， 95%概率大值为6.09%)。 2） 313 次奇次谐波电压含有率不同程度超标。例如北京康庄变超标较为严重： 3 次谐波电压最大值为 7.06%， 95%概率大值为 2.71%，分别为允许值(1.6%)的 4.4 倍和 1.7 倍； 5 次谐波电压最大值为7.53%， 95%概率大值为 4.38%，分别为允许值的 4.7倍和 2.7 倍； 7 次谐波电压最大值为 5.82%， 95%概率大值为 3.67%，分别为允许值的 3.6 倍和 2.3 倍。 3）黑龙江城乡变 THD 为 0.69%，双城一次变THD 为 0.61%，都低于国标限值 2%。主要是
24、哈大线采用 220 kV 直接供电，电网短路容量较大，谐波第 33 卷 第 13 期 电 网 技 术 57 电压相对较低。 2.4 负序分量 1）三相电压不平衡度 (u )超标的有：北京、华北、山西、湖南、陕西、四川。其中北京康庄变达7.43%，华北三马坊变为 6.41%，山西义井变为4.96%，湖南李家坡变为 4.60%，陕西古堰变为4.52%，四川泸沽变为 1.74%，均超过国标对每个用户的限值 1.3%。 6 个测点超过 2%的总限值。 2）华北、山西、北京电气化铁路负荷注入系统的负序电流很大。其中华北三马坊变的最大负序电流为 272.9 A，占正序电流的 54.83%，导致u 最大值达
25、 14.36%；山西义井变最大负序电流达 435.9 A，占正序电流的 47.12%，u 最大值达 14.41%；北京康庄变最大负序电流达 309.9 A，占正序电流的50.87%，u 最大值达 13.48%。 3）福建沙溪口电厂 475 MW 机组机端正常运行基波电流为 3 000 A 左右，所测到的机端负序电流最大达到 245 A，即 8.1%左右，给电厂的安全运行带来重大隐患。 4）黑龙江 2 个 220 kV 变电站u 低于 0.4%，低于国标限值 1.3%。 不同接线形式的牵引变压器负荷引起的负序电流相差较大，随着两供电臂电流的变化，几种常用牵引变中 Y, d 接线和 V, v 接线
26、注入电网的负序电流占最大电流的 50%100%， Scott 结线和阻抗匹配平衡变压器引起的负序电流含量为 0100%，单相接线牵引变引起的负序电流含量为 100%20-21。 通过选用合适接线形式的牵引变压器可减小电气化铁路 负序分量对电网的影响。当然，牵引变压器减小负序分量的实际效果还与两供电臂的负载大小有关，而负载大小又与机车行车速度、行车密度、供电臂长度、轨道坡度等诸多因素有关。大秦线大部分牵引变采用 Scott 接线，但为满足运量增长的需要，在原设计的基础上增加了部分牵引站，使得同一个牵引站供电臂长短不一，两臂负荷严重不对称，无法发挥其负序平衡能力，目前东城乡牵引站的供电臂长度为 1
27、3 km、 36 km，实测华北三马坊变 110 kV 母线三相电压不平衡度最大值达14.36%。 由 1 个变电站带 3 个牵引站可通过轮流换相有效降低电气化铁路负序 分量对电网的影响，但受供电能力的限制，能采用这种方式供电的并不多。山西义井变将为神池南、 阴塔、 贺职 3 个牵引站供电，但测试时贺职站还没有投入运行， 110 kV 母线三相电压不平衡度仍然较高。 3 结论 电气化铁路 负荷功率因数低、产生的谐波及负序分量对电网电能质量影响大。测试结果分析表明，目前与 电气化铁路 供电相关的电网普遍存在谐波和负序超标现象，应引起相关部门的密切关注和重视。对 11 个网省公司 21 个电气化铁
28、路供电变电站的电能质量普查结果表明，所有测试点注入系统的 3 次谐波电流超标，超标率为 100%； 16 个测点谐波电压超标，占 80%； 11 个测点三相电压不平衡度超标，占 52.4%；全部测点功率因数低于 0.9；电气化铁路 负荷呈现不规则波动性。 在普遍存在 3 次谐波超标的情况下，如何充分发挥电气化铁路现有设 备的潜力是一个需要认真考虑的问题。我国 电气化铁路供电中 普遍采用牵引臂装设 12%及以上串联电抗率的并联补偿电容器组，完全可以通过适当调整串联电抗率，在保证设备安全的条件下，既补偿牵引负荷所需无功，又高效地吸收谐波。当然还可以进一步采取无功补偿、谐波滤波和负序治理的措施。 致
29、 谢 此次测试工作涉及多家网省公司，覆盖范围大，在此向国家电网公司和各网省公司表示感谢！ 参考文献 1 中华人民共和国铁道部铁路十一五规划 R/OL http:/www. china- 2006 2 曹建猷电气化铁道供电系统 M北京：中国铁道出版社， 1983：90-94 3 电力工业部电力规划总院电力系统设计手册 M北京：中国电力出版社， 1998： 428-429 4 铁道部电气化工程局电气化勘测设计院电气化铁道设计手册：牵引供电系统 M北京：中国铁道出版社， 1988： 142-143 5 范瑞祥，辛建波，上官帖，等浙赣电气化铁路江西段开放式电能质量监测系统的开发与应用 J 电网技术，
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