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1、浅谈鹰厦电气化铁路对江西电网的影响 江西省电力试验研究所(330006) 刘斌 1前言 随着国民经济的飞速发展,电气化铁路 将在我国迅速普及,从而大大提高铁路运输 能力 。但是电力机车是采用单相电力牵引, 其不对称单相负荷接入电力系统后,将破坏 系统的对称运行条件,使系统中出现较大的 负序分量 ,同时电力机车是整流型负荷,它将 产生高次谐波注入电网。负序和谐波注入电 网后 ,会严重影响电力系统的安全运行,主要 表现为 : a 电气铁道的谐波电流、 负序电流和由 此引起的谐波电压、 负序电压对电力设备和 保护装置 、 自动装置的影响; b 由电气铁道引起的谐波功率损耗和 对电度计量的影响; c
2、电气铁道大地返流对电缆的腐蚀; d 电气铁道快速负序波动对电网的冲 击性影响 ; e 伴随电铁投运在电力系统中出现的 一些异常现象。 例如 :负序分量将使发电机转子回路产 生涡流损失 ,并局部发热,严重时将烧坏发电 机 ;谐波分量使系统电容器过负荷,影响电度 表的计量和引起继电保护误动作等。 我省第一条电气化铁道 鹰厦电铁自 1990年底投入运行以来,大大改善了闽赣两 省间的运输紧张状况,但是电气机车运行时 所产生的谐波电流和负序电流对电力系统的 影响是不容忽视的。 2鹰厦电气化铁路概况 鹰厦电气化铁路江西侧供电长度约100 公里 ,其中有 1/ 4 的 地段坡度达20 %, 需要 双机牵引
3、,沿线设立三个110 千伏牵引变电 站( 鹰潭南站、 饶桥站 、 铁关村站 ) ,变压器采 用 Y/ - 11 接线方式 ,低压侧有一相接地, 另两相分别悬挂于两侧铁道上空供电,电气 机车型号为韶IV 型( SS4) ,该机型额定功率 6400千 瓦 , 功率 因素 小 于 0 .85 ,额 定 电压 25 +4 % -5 % 千伏 ,电气机车直流牵引电机采用单 相交流 ,在机车内通过桥式可控硅回路整流, 电力机车原边电流由牵引变接触网,经受电 弓 、 断路器 、 隔离开关,整流变压器原边绕组 及铁轨 ,流回牵引变压器,牵引电动机由整流 变压器副边绕组,经中抽式全波整流回路获 得电能 ,平波电
4、抗器起降低电流脉冲系数的 作用 ,利用可控硅的“ 截波” 作用来调节直流 电压 ,达到调速的目的。 鹰厦电气化铁路江西侧三个牵引变电站 ( 鹰潭南站 、 饶桥站 、 铁关村站 ) 由江西电力系 统供电 ,供电方式是:从贵溪电厂和余江变电 站各出一回110kV 线路至鹰潭变电站,然后 从鹰潭变电站出二回110kV 线路到铁关村 牵引变电站,其间的鹰潭南和饶桥二牵引变 电站由 110kV 线路 分别 “T” 接供 电 。三牵 引变电站实行换相联接 轮换接入电力系 统不同相 ,使机车负荷能均匀分配在系统各 相上 ,三个牵引变电站完成轮换一周的循环。 若此三个牵引变电站的电力牵引负荷相等, 则三相负荷
5、平衡,负序电流将只在这三个牵 引变电站之间输电线的局部电路中环行而不 流入电力系统,在理论上讲此方法是可行的, 然而实际运行中,各牵引变电站的负荷不停 变化着 ,三个牵引变电站的负荷同时大、 同时 小的概率几乎为零,所以 “ 电铁 ” 牵引负荷所 产生的负 序电流不流入电力系统是不可能 45江西电力 第 21卷 1997 年 第 4 期 的 ,只是由于牵引站换相接入电力系统,而使 负序电流有所减少。电铁负荷所产生的负序 电流时刻存在着,尤其在牵引机车从一个牵 引站的牵引网滑入另一个站牵引网时,还要 引起换相合闸涌流冲击,这种冲击对电力系 统的影响是频繁发生的,1985 年山西大同二 电厂 2
6、号发电机 ( 20 万 kW) 因“ 电铁” 的负序 电流与谐波电流的共同影响导致发电机负序 电流保护动作跳闸事故就是一个例子。 3鹰厦电铁对江西电网的影响与危害实例 由于贵溪电厂是鹰厦电铁的主供电源且 距电铁的电气距离比较近,因此贵溪电厂受 电铁的不 良影响也就表现得比较直接和明 显 ,其中鹰潭电气化铁路对贵溪电厂110kV 出线的 JJ - 12 距离保护影响就是一个典型 例子 ,鹰厦电铁投运后 ,贵 溪电厂110kV 出 线 JJ - 12 距离保护装置的振荡闭锁回路出 现频繁启动 ,发装置故障信号在1991 年 5 月 14日夜至5 月 15 日晨之间仅8 小时 ,四条 出线共启动44
7、1 台次之多 ,故障报警自动 切除保护电源,最后一次时间达159 秒 ,致使 JJ - 12 距离保护不能正常动作,严重危及系 统的安全 。后经江西省电力试验研究所有关 人员的测试和分析证明贵溪电厂110kV 出 线的 JJ - 12 距离保护频繁误动是三相电压 不对称及电铁负荷谐波成份过大的双重因素 产生的综合后果,这就是由于电铁投运后所 产生的负序电流I2及其增量 I2( 电气机车 过站换相时会产生负序电流增量) 会使距离 保护中反应I2或 I2的振荡闭锁起动元件 误动作 ,影响保护正确动作性能。据江西省 电力设计院有关专题报告表明,在限制某些 电铁运行方式的前提下从鹰潭变电站110kV
8、线路注入江西电网的负序电流最大值达80. 5A ,若不限制电铁的运行方式,注入江西电 网的最大负序电流可达148 .4A( 摘自 “ 鹰厦 电铁牵引负荷电流对江西电力系统影响的计 算” ,江西省电力设计院1985.7) ,则解决负 序电流影响的根本措施是改变电铁负荷严重 不对称运行状况,这可能通过要求铁道部门 采用“T” 型接法变压器( 斯科特SCOTT ) 来 解决 ,该变压器较好地解决了三相电源对称 地转换成两相电源的问题。 4鹰厦电铁对江西电网影响的测试分析 针对鹰厦电铁对江西电网的影响,由江 西省电力局生技处组织,江西省电力试验研 究所与鹰潭供电局共同于1994 年 11 月 16 日
9、至 18 日对鹰潭变电站鹰铁线进行了实地 谐波测试 ,测试仪器采用保定计算机厂研制 的 SXF 908C 型 多功能实时谐波分析仪, 当时测试谐波时的运行方式为:贵溪电厂向 鹰潭变电站供11 万千瓦负荷,功率因数0 . 95,此负荷除向鹰潭本市供应外,其它都向鹰 铁线送 ,测试时电铁三个牵引变电站全部倒 向鹰铁 线运行,引用标准为中华人民共和 国国家标 准 GB/ T14549 - 93 电能 质量 公用电网谐波 ,此次测试谐波的方法、 数据 处 理 及 测 量 仪 器 的 要 求 均 按 国 标GB/ T 14549 - 93 中有关规定执行。 为此我们选 择鹰厦电铁接入系统的公共连接点 鹰
10、潭 变电站鹰铁线作为测试点,具体测量方法 为 :对三相相电压和相电流进行了24 小时连 续测量 ,每次测量时间间隔取15 分钟 ,共测 得 96 组测量值 ,并且每次测量值用3 秒内所 测值的平均值作为测量结果,这样就区分了 暂态现象和谐波,测量后的数据取测量时段 内各相实际测量值的95%的概率值中最大 一相值 ,作 为判 断谐 波是否 超过 国家 标准 GB/ T14549 - 93 中有关允 许值的依据 ,从 实测数据及波形分析可知,鹰潭变电站鹰铁 线谐波电流有几个特点: a由于各电流波形成横轴镜对称,故在 牵引站的各电流波形中不含直流分量和偶次 谐波 ,只含有奇次谐波分量。 b 虽然牵引
11、变压器为Y/ - 11 ,由于 负荷的不平衡,使得高压侧存在着三次及三 46江西电力 第 21卷 1997 年 第 4 期 的倍数次谐波,且高 、 低压侧谐波电流含有率 接近 。 c电压总谐波畸变率和奇次谐波含有 率均不同程度地超过或临界国家标准GB/ T 14549- 93 中有关 允许值 限值 ,电 流奇次 谐波远远超过国标规定允许值,其中 3 、 5 、 7 次谐波电流超过国标规定允许值3 倍以上 , 因此电流波形畸变十分严重。 d 三相电流不平衡,电气机车不仅造成 高压侧基波电流不平衡,同时也造成本侧三 相谐波电流不平衡,高压侧三相谐波电流也 存在负序分量。 从以上分析可见鹰厦电铁运行
12、后对江西 电网的冲击是较大的,由于电铁牵引负荷由 110kV 系统供电的不合理方案,并且距贵溪 电厂很近 ,它必将恶化该地区110kV 系统的 电能质量 ,并可能对贵溪电厂安全稳定运行 构成威胁 。 5鹰潭变电站鹰铁线试数据与波形( 详见附 表) 6几点建议 a 铁道部门应尽快制订合理的电力列 车运行图 ,尽量做到三相列车负荷平衡,加强 铁路机调 、 电调和电力调度的联系,防止特殊 运行方式下可能造成的事故。 b 各牵引变电站必须安装3、 5 次谐波 滤波器 ,以降低电网3 次 、 5 次谐波电流量, 在进行技术经济比较后有选择地考虑加装7 次谐波滤波器,个别地点可以考虑加装静止 无功补偿装置
13、。 c 电力系统 ,包括用户的补偿电容器加 装合适的串联电抗器,以防谐波放大,另外电 力系统各变电所内加装无功补偿电容器时一 定要避开 3 次谐波放大。 d 贵溪电厂应加强发电机高压马达发 热振动的监视,大修时注意对发电机转子护 环部分进行专项检查。 e 为了有效地监视电铁影响状况,便于 分析事故 ,还有必要装设专门的“ 谐波 、 负序 电流监测屏 ”,各变电所相关线路应装设专用 的负序电流监视仪表和谐波越限报警记录仪 表 。 f 加强电力设备、 继电保护和自动装置 抗谐波干扰的研究,采取有效的抗谐波干扰 措施 。 g 应研究电铁谐波对电度计量的影响, 采取措施 补偿谐波功率计量中的不合理现
14、象 。 h 研制新型的有利于改善负序的牵引 变压器的接线方式,如 SCOTT 变压器 。 i 开展对大型汽轮发电机组轴系扭转 振动的研究,大型汽轮发电机组轴系在受系 统反馈谐波影响时,扭转振动在谐波含量达 到多大时将造成危害。 由于电铁负荷是含有大量谐波和负序分 量的波动负荷,在电力系统中产生的影响比 较复杂 ,在这次测量过程中限于人力、 仪器设 备 、 试验条件等种种因素影响,使这次测试进 行得不够深入。因此 ,笔者认为有必要使电 力部门与铁路部门组成一支联合测试组,进 行一次较大规模的测试,进一步分析电铁对 电力系统的影响和危害。 表 1谐波电压国际允许值及测试值( 单位 : % ) 各
15、次 谐 波 电 压 含 有 率 ( %)电压总谐波畸变率 国标允许值1 .6%3.0% 谐波次数3579 相 位UAUBUCUAUBUCUAUBUCUAUBUCUAUBUC 测量值1. 264 1.561 0. 570 2 .090 1 .883 0.696 1 .431 0.638 1.099 1 .855 1.619 0.524 4. 071 3.112 2.122 47江西电力 第 21卷 1997 年 第 4 期 表 2 谐波电流国标允许值及测试值( 单位 : A) 谐波次数2357911电流总 谐波畸变 率 ( %) 国标允许值129 .69 .66 .83 .24 .3 折算后国际
16、 允许值 2 .8232 .2522 .2521 .6000 .2531 .011 相 位 IAIBICIAIBICIAIBICIAIBICIAIBICIAIBICIAIBIC 测 量 值0 .1200 .720 .0017 .28 10 .447 .811 .168 .42 .527 .443 .244 .567 .326 .121 .923 .240 .722 .1623 .22 15 .4810 .08 注 :1、 表中测量值为折算为CT 一次侧数值, CT 变比 600/ 5A 。 2、 标称电压为110kV ,基次短路容量为750 M VA ,最小短路容量为176.52M VA 。 3、 当电网公共连接点的最小短路容量不同于基准短路容量时,谐波电流国标允许值的换算。 用 : In= Sk 1 Sk 2 Ihp来计算 其中 :Sk i: 公共连接点最小短路容量M VA Ihp:国标规定第h 次谐波电流允许值A Sk 2:基准短路容量MV AIh:短路容量为Ski 时的第 h 次谐波电流允许值 收稿日期 :1997 年 9 月 15 日 ( 上接第 33 页)
