06-外部电源对电气化铁路电能质量的影响

电气化铁路电能质量与综合控制技术 西南交通大学电气工程学院 第六章外部电源对电气化铁路电能质量的影响 6 1概述电气化铁路进线一般选择110kV或220kV情况变化电网建设和改造 主网由220kV向500kV发展重视电能质量 尤其针对电气化铁路因此推荐电气化铁路进线采用220kV电压等级 依据220kV的供电可靠性高于110kV电压等级 与客运专线和高速铁路的高可靠性相匹配 220kV的供电电压水平要求更高 大量新建的客运专线和高速铁路全部采用最先进的交 直 交牵引方式 功率因数极高 谐波含量极低 不再对电网构成威胁 牵引变电所采用220kV进线会使变电所的造价有所增加 6 2牵引供电系统常用供电方式 6 2 1牵引供电系统的电流制直流制 优势采用串励直流电机 不足电压低单相低频交流制 16 67Hz 德国 奥地利等西欧国家采用三种方式 完全独立的电力牵引专用的低频供电系统 在专设的变频变电所内将三相工频交流电变为单相电 在牵引变电所进行降压 变频变相 工频单相交流制 50Hz 法国 日本 前苏联 中国等 40 工频单相交流制特点 主要优点牵引供电系统结构简单 牵引供电电压增高 交流电力机车的粘着性能和牵引性能良好 和直流制比较 交流制的地中电流对地下金属的腐蚀作用小 般可不设专门防护装置 主要问题负序电流功率因数低交直机车谐波电流严重对沿线通讯线路造成电磁干扰 环形供电牵引变电所在高压侧与一次系统联成环形网 优点 供电可靠性好 能适应负荷的剧烈变化要求 铁路附近有两个以上发电厂或地区变电所且其间有电力网互联 受系统结构限制 6 2 2电力系统供电方式 双侧供电 两边供电 电源来自电力系统的两个地区变电所 给铁路供电的输电线是联络这两个地区变电所的通路 优点 同环形供电要求 牵引变电所两侧都有电源应用广泛 单侧供电 一边供电 单侧供电是由一个地区变电所给数个牵引变电所供电 为保证供电可靠性 应采用双路 或双回 输电线 单侧供电方式的可靠性一般比双侧供电方式和环形供电方式要差 而投资不会比环形供电方式和双侧供电方式少 要求 必须有两回路输电线供电 且有各自的杆塔和走线 散射供电 辐射线供电 当各牵引变电所离开电源差不多等距并且比单边供电更经济时 可采用散射供电方式 缺点 可靠性差要求 相邻几个牵引变电所布置成弧形 且地区变电所或发电厂的距离较近时 必须两回路输电 6 2 3内部供电方式 按牵引网设备类型的分类 1 直接供电方式牵引网结构最简 投资最小 但钢轨电位较高 对通信线的干扰感应最大 主要适用于通信线路 主要是明线 较少或很易将受扰通信线迁改径路的场合 基本型直接供电方式在法国 英国 原苏联都广泛应用 基本型直接供电方式 带回流线的直接供电方式 在钢轨上并联架空回流线 又称负馈线 钢轨电位大为降低 对通信线的干扰得到较好抑制 还能降低牵引网阻抗 使供电臂延长30 及以上 带负馈线的直接供电方式 2 BT供电方式BT 回流线方式 BT串入接触网 间隔约1 5km 4km 用以吸回地中电流 减少通讯干扰 BT 回流线方式牵引网结构复杂 造价较高 牵引网阻抗变大 供电臂长度将减小 因存在BT分段 火花间隙 不利于高速 重载等大电流运行 但BT方式的钢轨电位低 抑制通信干扰的效果很好 BT 回流线方式 BT 回流线方式比BT 钢轨方式抑制通信干扰的效果好 我国采用的BT方式均为BT 回流线方式 而英国 法国 瑞典两种方式都有应用 挪威只用BT 钢轨方式 BT 钢轨方式 3 AT供电方式AT并联于牵引网中 克服了BT串入网中BT分段的缺陷 使供电电压成倍提高 牵引网阻抗小 供电距离长 约为直接供电方式的170 200 网上压损和能损都小 是一种适于高速 重载等大电流牵引方式 一般AT间隔约10km左右 AT供电方式的钢轨电位较低 抑制道路干扰的效率与BT 回流线方式相近 投资要高一些 AT供电方式在日本山阳新干线上应用 后来法国 美国 前苏联 我国等相继采用 6 3电源供电能力与电气化铁路运行可靠性 电源供电能力一般用短路容量来衡量 短路容量是指三相短路时系统等效电源供给短路点处的容量 电力系统的短路容量 是选择牵引变电所牵引变压器与开关等电力设备所必需的重要参数 同时也是估计电力系统供电能力的重要依据 6 3电源供电能力与电气化铁路运行可靠性 日本 法国 英国 美国平均每户每年停电时间分别为 9 94 77 58 min 即供电可靠率分别为 99 998 99 982 99 98 99 989 我国的供电可靠性较低 1995 年供电可靠率只有99 075 6 4电能质量与外部电源电压等级选择 影响因素供电的可靠性电源电压等级越高 其供电可靠性也越高 客运专线 高速铁路及重载铁路都提出了更高的可靠性要求电能质量电气化铁路主要涉及电压偏差 三相电压不平衡 电压波动 电网谐波 无功补偿与功率因数等电能质量指标 它们在国标中主要反映用户干扰量与系统短路容量的关系 增大系统供电容量 可以达到增强系统的承受能力的目的 6 4 1电力系统的供电能力 限制电力网送电能力的因素导线发热电压损失功率和能量损耗起因 电流解决方法 提高供电电压 减小电流 表6 1电力网电压与输送功率 距离的关系 我国普速电气化铁路一般采用110 kV电压等级 对于高速电气化铁路推荐采用220kV电压等级 既有京沪线电气化工程部分即采用了220 kV的电压等级 新建客运专线则全部采用220 kV电源 外部供电电源容量与可靠性 1 短路容量外部供电电源容量一般用短路容量来衡量电力系统的发电容量越大 短路容量越大 负载点距离电力系统电源越近 短路容量也越大提高输电线的电压等级 可提高电力系统的短路容量 电网短路容量分布范围 6 4 2牵引供电系统电压损失对短路容量的需求 分析的负荷和系统条件普速110kV系统PCC短路容量取500 2000MVA 供电设备容量取180 350MVA 牵引变压器容量取较为常见的20MVA 25MVA 31 5MVA 50MVA 牵引变压器的接线方式 采用复线带回流线直接供电方式或AT方式 供电臂长度20 25km且每供电臂最大列车数为四列 列车采用交 直传动方式 时速120km h 追踪间隔5分钟 列车功率因数大于0 8 单列机车额定功率6400kW 4800kW 6 4 2牵引供电系统电压损失对短路容量的需求 分析的负荷和系统条件高速按220kV系统PCC短路容量取750 6000MVA 供电设备容量取180 350MVA 牵引变压器容量63MVA 75MVA 120MVA 规划中远期最大容量 阻抗电压10 5 牵引变压器的接线方式 采用复线AT供电方式 供电臂长度30km且每供电臂最大列车数为四列 列车采用交 直 交传动方式 时速250 350km h 追踪间隔3分钟 列车功率因数大于0 95 谐波电流总畸变率5 单列机车额定功率13200kW 最大功率23000kW 6 4 2牵引供电系统电压损失对短路容量的需求 牵引供电系统的最低电压水平牵引网压损影响因素列车功率因数供电臂长度常速列车牵引网压损为4000V左右 高速列车牵引网压损为5000V左右 6 4 2牵引供电系统电压损失对短路容量的需求 牵引变压器压损影响因素变压器的容量变压器的漏抗负载电流的大小低压侧功率因数牵引网电压损失和牵引变压器压损与系统短路容量无关 常速列车两者之和在6500V左右 高速列车两者之和在7000V左右 短路容量与电压偏差为减小电压偏差 应选择尽量大的短路容量 最低网压20kV要求的ST与Sd的关系 普通铁路 建议Sd在500 2000MVA以上 接入110kV电网 高速铁路 建议Sd在1800 4500MVA以上 接入220kV电网 以上是按铁路标准 TB 最低网压20kV计算的结果 表6 3各部分电压损失统计分析表 结论 由统计分析可见 与电力系统短路容量密切相关的电力系统电压损失仅占总损失的 至18 间 因所占份量相对较小 通过提高短路容量提高电铁供电电压的所得是有限的 电压偏差 系统短路容量与供电电压偏差的关系GB Tl2325 2008 电能质量一供电电压允许偏差 中规定 35kV及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10 电压波动的范围与牵引供电系统的外部电源供电能力即电压等级直接相关 一般系统容量增大 系统的短路阻抗减小 使得系统的电压损失降低 从而牵引变压器出口电压水平提高 牵引网电压水平提高 但相应的电压波动允许百分比也降低了 保证电铁供电系统电压质量的基本结论常速普通电气化铁路 牵引变容量20MVA 50MVA 系统短路容量建议在500MVA至2000MVA以上 即为牵引变容量的25 38倍 重载货运电气化铁路 牵引变容量63MVA 75MVA 系统短路容量建议在2800MVA至3800MVA以上 即为牵引变容量的44 48倍 高速客运专线电气化铁路 牵引变容量63MVA 120MVA 系统短路容量建议在1800MVA至4500MVA以上 即为牵引变容量的29 38倍 上述计算中 仅考虑了典型的牵引负载 在实际系统设计中 还要更详细的考虑牵引系统可能遇到的各种负载情况 6 4 3三相电压不平衡度限定对短路容量的需求 GB T15543 2008 电能质量 三相电压不平衡 的规定 电力系统公共连接点的正常电压不平衡度允许值为2 短时不得超过4 三相电压不平衡度可由下式近似计算在负序功率一定的情况下 三相电压不平衡度只与公共连接点的短路容量有关 短路容量越大 系统承受负序影响的能力越强 京津城际采用交 直 交型电力机车 设计速度350km h 运营速度300km h 全线 复线 按2个单相接线牵引变电所配置计算 每个牵引变电所的最大单相负荷功率为81 9MVA 220kV电力系统110kV电力系统 短路容量与电压不平衡度增大牵引变电所受电点处的短路容量 可以减小该处的三相电压不平衡程度和对其他负荷的负序影响 从电压不平衡度 负序 看 依GB T15543 2008 取1 5倍牵引变压器额定负荷为95 概率大负荷值 则需要Sd 116ST GB T电压偏差要求的ST与Sd的关系 标准对负序的要求很严格 当给电气化铁路供电的电网Sd达不到表所列数值时 铁路产生的负序需予治理 注意到120MVA牵引变电所对应的电网Sd为13920MVA 已近220kV极限 负序问题尤为突出 谐波电压 电流限值与短路容量的关系 不同电压等级接入时的电铁谐波指标表6 6公用电网谐波电压限值表6 7注入公共连接点的谐波电流允许值 谐波影响分析表6 10典型系统的谐波计算结果 31 5MVA 表6 14高速铁路典型系统的谐波计算结果 短路容量与谐波为减小电压畸变 应选择尽量大的短路容量 GB T中3次谐波限制要求的ST的Sd之关系 GB T14549 93谐波 特别是3次 电流要求的电网Sd远大于110kV实际电网的Sd 连220kV电网都不能达到 因此 普通铁路的谐波电流均