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1、高速电气化铁路 供电能力及电能质量分析 景德炎 2009年8月27日 一、高速电气化铁路概述 1964年10月，世界第一条高速电气化铁道日本东海 道新干线（东京新大阪）建成通车，开创了高速铁路的先 河。高速铁路快捷、舒适、安全、准点，以及占地少、节约 和综合利用能源、环境污染小等无可比拟的优势，受到世界 各国的瞩目和重视，推动了世界高速铁路的研究和发展。 1983年9月，法国东南高速线（巴黎里昂）建成通车，掀起 了世界高速铁路建设的高潮。德国、西班牙、意大利等国家 也开始大力发展高速铁路，到目前为止全世界已建成高速铁 路近7000km。 高速铁路的运行速度从日本东海道新干线最初的210公里 ，
2、到法国1990年创造的513.3公里纪录，纪录不断被刷新， 2007年4月3日法国高速列车在试验中时速达到了574.8公里， 再次创造了新的世界纪录。 我国为适应国民经济发展，满足人民群众日益增长地对 快速轨道交通运输的需求，国家陆续批准了新建京津、武广 、郑西、京沪等众多客运专线项目，高速客运专线建设正如 火如荼地展开。京津城际客运专线2008年6月24日运行试验首 次创出了时速394.3公里的纪录，8月1日奥运会前正式投入 使用，运营时速350公里，为目前世界最高运营时速。规划的 中长期客运专线网如下图。 二、高速电气化铁路负荷特性 1.负荷波动频繁 由于客流分布在不同地区、不同时段千差万
3、别，铁路运输 组织为适应客流需要，相应实施不同编组、不同追踪间隔的列 车运输方案。所以，牵引变电所两供电臂内，列车的数量及每 一列车的负荷状态随时都在变化，牵引变电所的负荷呈现出频 繁波动的状态。牵引变电所的负荷随着两供电臂内列车的数量 及每一列车的负荷状态随时波动，有时轻载，甚至空载，有时 负载较重，在节假日及铁路故障后恢复行车等情况下，会出现 列车紧密追踪情况，此时，牵引变电所会出现负荷高峰值。 2.牵引负荷大，可靠性要求高 客运专线列车速度高，高峰时段密度大。空气阻力随速度 呈几何级数增长，列车牵引力主要克服空气阻力运行，牵引负 荷很大。350km/h速度时，列车运行所需功率最高超过24
4、000kW 。且随着我国高速铁路技术的不断完善和运输的需要，运营速 度还可能进一步提高，牵引供电负荷亦还将相应增大。 客运专线速度快，运输能力大，将成为旅客运输的主要交 通工具。在国民经济和社会生活中，具有十分重要的作用。高 速铁路要求必须安全、可靠、正点运输。 3.列车负载率高，受电时间长 列车在高速运行中，主要克服空气阻力前进，空气阻 力随速度呈几何级数增长。列车维持高速运行时，需要持 续从接触网取得电能。所以，高速列车负载率高，受电时 间长。 4.短时集中负荷特征明显 客运专线具有显著的时段特征。在早、晚时段和节假 日的高峰客流期，根据客流量需要，可能组织大编组、高 密度运输，甚至在短时
5、形成紧密追踪，牵引负荷集中特征 明显。牵引供电系统应具有应对各种集中负荷供电的能力 和条件。 5.越区供电能力要求高 由于旅客运输能力和准点的需要，牵引供电系统 应具有应对各种各样条件下的供电能力。在出现某一 牵引变电所解列退出供电的情况下，往往采用由两相 邻牵引变电所越区进行供电。为了尽量减少越区供电 对运输能力和准点的影响，应避免过多的限制列车数 量或降低列车速度，这样会相应加大两相邻牵引变电 所的供电负荷，特别是要求电力系统具有较大的短路 容量，满足超长距离供电需要。 三、高速电气化铁路供电方案 高速铁路牵引供电负荷大，约是普速铁路牵引负荷 的35倍，牵引网电流较大，一般采用AT供电方式
6、。 客运专线列车运行速度高，应尽量减少电分相的数量 ，在电力系统短路容量较大，或牵引变电所电源进线侧相 序轮换接入电力系统，在电网内构成负荷平衡时，可选用 单相变压器。其他采用V/V接线变压器，并可研究采用平 衡变压器，重点对平衡变压器再生制动时负序、过电压等 问题进行研究。 我国目前主要干线电力机车（动车组）统计表 列车车用途型号类类型机车总车总功率 一般货运 SS3、SS6、SS7交直4800kW SS4交直6400kW 一般客运 SS7D、SS9交直4800kW SS8交直3600kW 重载 10000t2SS4交直12800kW 20000t 4SS4交直25600kW 3DJ4交直交
7、22600kW 高 速 200 km/h交直交25500kW 250 km/h交直交27200kW 300 km/h交直交28800kW 350 km/h交直交29600kW 高速车综合国外资料统计 机车总功率为轮轴功率 电网 常用牵引变压器接线原理示意图 钢轨 接触网 电分相 变压器线圈 单相变压器V/V变压器阻抗匹配平衡变压器斯柯特变压器 四、牵引供电能力评估及对电网要求 1.牵引供电能力评估 牵引供电能力包括牵引网供电电压、牵引网载流能力、 牵引变压器容量。其中，牵引网供电电压是衡量牵引供电能 力的主要指标，是控制电气化铁路设计和运营的主要因素。 特别是动车组采用交直交牵引，列车满功率运
8、行最低电压为 22.5kV，为保证列车的功率发挥和加速能力，牵引网供电电 压宜不低于22.5kV。 牵引网供电电压主要受牵引电网压降、牵引变压器电压 降和电力系统电压降影响。一般情况下，对具体的电气化铁 路而言，牵引网压降、牵引变压器压降是确定的，牵引网供 电电压受电力系统压降影响较大。 HXD1机车功率/网压限制曲线 2.高速铁路对电网的供电要求 强大而可靠的供电是保证高速铁路正常运输的基本 条件，高速铁路客观上要求供电电源具有较大的系统短路 容量。我国电网110kV电源的系统短路容量一般较小，难 以满足供电需要，铁路和电力部门在京津、武广、合宁等 铁路工程供电的研究和协调中，已基本上取得了
9、高速铁路 采用220kV电源供电的共识。国外高速铁路绝大多数都采 用220kV或以上的电压供电，电力系统短路容量在 10000MVA左右，个别采用220kV以下电压供电时，都要求 有较大的系统短路容量，如韩国采用154kV电源供电，系 统短路容量平均为8000MVA。 日本高速铁路建设最早，在电源问题上曾走过弯路。 东海道新干线1964年建设时，限于当时电网的条件，采用 了77kV电源供电。上世纪80年代，旅客运输量急增，供电 能力严重不满足需要，多次对牵引供电系统进行了修修补 补的改造，仍难以适应铁路运输的需要。最终不得已对电 源系统进行了彻底改造，改用275kV电源供电，适应了旅客 运输的
10、需要，列车运行速度也提高到了270公里，最高300 公里。 电气化铁路设计，应高度重视牵引网供电电压问题， 积极与电力部门进行沟通和协商，采用合理的外部电源供 电方案。 电气化铁路是一种单相不对称波动负荷，由于铁路 运输的特殊性，牵引供电负荷波动频繁、冲击大，并对 电力系统产生谐波、负序等不利影响，这是世界各国电 气化铁路的共同属性。铁路作为电网的用户，有责任和 义务共同维护电网的安全可靠运行。铁路在设计时应尽 量减少对电力系统的影响，必要时采取措施对电能质量 进行综合治理。并建议电力部门在研究电铁供电方案时 ，亦综合考虑对铁路的合理供电方案。 五、牵引供电电能质量评估及对策 1.功率因数 客
11、运专线全部采用交直交动车组，功率因数一般大 于0.95，满足电力标准要求。 2.谐波 客运专线交直交动车组采用四象限整流，通过GTO 或IGBT控制导通和关断角来控制机车的出力，可分别控 制导通和关断机车主变压器的若干个低压绕组的整流， 使电流波形逼近正弦波，且电流与电压的相位基本同步 。所以，交直交型电力机车的谐波含量很小，但谐波的 频谱及幅值与交直车不同，还需要结合实际运用情况进 一步研究。 3.负序 铁路牵引供电由于其负荷的不对称特性，加上线路 的纵断面起伏变化和行车组织方案的不均衡性，对电力 系统产生不平衡影响。 铁路在设计时，采取了下列措施来减轻电铁负荷对 电力系统的不平衡影响： 1
12、在牵引变电所电源进线侧采取相序轮换接入电 力系统的方式，使电铁牵引负荷均衡接入电网。下图为 郑州至徐州电气化工程相序轮换接入电力系统方案示意 图： 2牵引变电所供电的二个供电臂负荷尽可能设计 均衡。 3根据电网条件，在满足铁路供电需要时，采用 平衡性较好的牵引变压器接线型式。 4在运输组织上尽量使列车均衡发车。 铁路可以和电力部门一起，结合牵引供电系统设计 和电网供电方案，进一步加强对负序特性及其计算、检 测、考核方法，以及综合治理方面的研究。 4.电力系统电压波动及偏差 电力系统提供稳定、可靠的供电电源，是确保高速电 气化铁路正常供电的基本条件。目前，高速客运专线一般 采用220kV电源供电
13、，基本上满足供电需要。但在部分电 网薄弱地区，由于系统短路容量偏小，电力系统供电电压 波动幅度较大，将会影响铁路的正常供电和运输，也同时 影响电力系统的稳定和其他用户的供电质量。 电气化铁路设计时，尽量将牵引变电所设置在电力系 统强大的地区，根据牵引负荷情况与电力部门研究、协商 外部电源供电方案。在电力系统短路容量过小时，建议电 力部门加强电力系统能力，或提高电压等级供电。 铁路和电力同为国家的重要基础设施，对于促进国民 经济又好又快发展，满足广大人民群众日益增长的生活需 求，负有共同的责任。目前，铁路和电力都处于快速发展 时期，电力系统对电铁的供电方案，不仅关系到铁路牵引 供电系统的供电能力和供电质量，也同时影响到电力系统 的电能质量及电网的安全可靠运行，需要综合研究、科学 决策。铁路部门应加强和电力部门的沟通和协商，本着从 国家大局出发，共同研究制定电气化铁路合理的供电方案 和综合电能质量治理措施，促进铁路和电力互利双赢、和 谐发展，共同为国民经济建设和提高人民生活水平作出更 大的贡献。
