電氣化負荷對地區(qū)電網(wǎng)的影響

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電鐵負荷隨時間在不斷變化，一般用負荷圖表表示。常規(guī)的統(tǒng)計方式是每隔15min采集牽引變壓器高壓側(cè)有功功率，一天采集96個點的數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)當中，有電鐵通過的時段牽引變電站向列車供電，主變壓器高壓側(cè)有功不為0，其余時段由于鐵路上沒有列車通行，主變壓器高壓側(cè)采集到的有功均為0。但考慮到采集誤差的影響，原本有功為0的時段內(nèi)有很小的功率存在，不為0的有功時段內(nèi)采集到很小甚至0功率，需要根據(jù)概率統(tǒng)計的方式剔除由于采集誤差造成的不準確。根據(jù)SCADA系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)，以2011年1月阿恰爾牽引變電站2號主變壓器高壓側(cè)有功功率為例。從圖2中可以看出1月阿恰爾牽引變電站的送電情況。每日4:30分之前，牽引變電站接觸網(wǎng)幾乎沒有功率流動，說明鐵路上沒有大規(guī)模的物力、人力運輸，負荷較小，零星的負荷可能是鐵路人員檢修或采集系統(tǒng)造成的誤差。4:30～5:00，有接近1MW的功率流入供電臂內(nèi)，說明即將有負荷較重的電力機車從阿恰爾牽引變電站送電范圍內(nèi)駛過，電力機車受電將從上一個牽引變電站接觸網(wǎng)過渡到阿恰爾牽引變電站接觸網(wǎng)，電力機車上的直流電機失去電源，由電動機狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機狀態(tài)向接觸網(wǎng)供電。5:00～5:30，電力機車駛?cè)氚⑶枲恳冸娬竟╇姺秶鷥?nèi)，牽引變電站開始給電力機車供電，主變壓器向電力機車輸送功率較大，達到6MW左右。受天氣、節(jié)假日、春運等因素對鐵路運力造成的影響，電鐵負荷在這一時段內(nèi)仍然呈現(xiàn)隨機性、波動性特點。從圖中還可以看出，每日電鐵負荷高峰均集中在5:00～5:30和5:45～6:15兩時間段內(nèi)，每日電鐵負荷同時率較高，負荷較大，時間節(jié)點較為固定，由此推斷出兩時段內(nèi)通行的列車均為客運列車。

根據(jù)鐵路運輸相關(guān)規(guī)定，兩列電力機車同向行駛時間間隔至少30min，可以推斷出5:45～6:15行駛的列車與5:00～5:30鐵路上行駛的列車是相向而行的。其余時刻鐵路上有零星的負荷，這是由于天氣情況造成火車晚點、誤點以及線路檢修等原因造成的。根據(jù)以上分析可知，精伊霍電氣化鐵路每日雙向發(fā)行一趟客運列車，在每日5:00～5:30和5:45～6:15兩時間段由阿恰爾牽引變電站供電，最大負荷為7．7MW，最小負荷為4．2MW，平均負荷達到5．9MW。2011年3月12日阿恰爾牽引變電站2號主變壓器檢修，由1號主變壓器轉(zhuǎn)帶電鐵負荷，以SCA-DA系統(tǒng)實測阿恰爾牽引變電站1號主變壓器高壓側(cè)有功功率為例，如圖3所示(3月12日至3月27日)。從圖3中可以看出，5:00～5:30通行的列車時刻表沒有發(fā)生變化，而相向而行的列車由5:45～6:15改為6:45～7:15通過牽引站送電范圍。由于改變送電方式，同時受天氣原因、鐵路狀況、節(jié)假日的影響更加劇烈，阿恰爾牽引變電站3月份負荷同時率較1月份有明顯的下降，列車通行時段內(nèi)負荷波動性更加明顯。同時，隨著客運量的提升，傳輸功率也有了一定的增加。從圖中可以看到5:00～5:30時段內(nèi)電鐵最大負荷為9．6MW，最小負荷為4．2MW，平均負荷為6．9MW，最大峰谷差為5．4MW。對比1月份負荷特性柱狀圖，可以發(fā)現(xiàn)3月份電鐵在阿恰爾牽引變電站供電范圍內(nèi)最大負荷較大，平均負荷以及最大峰谷差也較大，日負荷較1月有明顯的升高。同時隨著線路運行狀況的不斷改善，客運線路車次不斷增加，鐵路運力相應(yīng)提高，使得負荷呈現(xiàn)出的波動性、時段性更加明顯。通過以上分析可知，了解了電鐵負荷特性，同時把握了鐵路運輸?shù)慕M織方式，對于電網(wǎng)部門更好地開展負荷預(yù)測、電壓調(diào)整、諧波治理、供電可靠性等方面提供了切實的依據(jù)。

電氣化負荷對地區(qū)電網(wǎng)的影響

目前伊犁電網(wǎng)所接的電氣化鐵路牽引變電站負荷主要以110kV電壓等級接入伊犁電網(wǎng)，在現(xiàn)場調(diào)查和實測的基礎(chǔ)上，目前電氣化鐵路對伊犁電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在如下幾個方面:負荷預(yù)測、電壓調(diào)整和控制、電壓質(zhì)量、繼電保護方面。

負荷管理方面電氣化牽引負荷在有機車運行時，存在負荷，機車停運時，負荷消失，且列車行進過程中遇到的阻力也不斷變化，列車需要頻繁地啟動、加速、惰行、制動(僅考慮單個牽引變電站供電范圍內(nèi)機車的啟動次數(shù)，電氣化鐵路為20次以上)，或者從一個供電區(qū)進入或退出，都將造成牽引負荷劇烈地波動，這些都使得牽引變電站負荷存在著隨機性、無序性、沖擊性，負荷隨著機車進行波動，這對地區(qū)電網(wǎng)負荷預(yù)測準確性產(chǎn)生一定的影響，典型日負荷波動曲線具體參見圖5。目前伊犁地區(qū)電網(wǎng)電鐵負荷波動在0～5MW，且波動較快。這增加了負荷預(yù)測的難度，影響了準確性的提高，對于發(fā)電出力安排、地區(qū)上下網(wǎng)功率交換均造成了影響。

電壓控制方面電鐵牽引負荷在波動時，產(chǎn)生較大的沖擊電流。產(chǎn)生最大電流突變量的主要原因是電力機車在合閘時內(nèi)部變壓器產(chǎn)生了勵磁涌流，最大涌流幅值大約可達最大容量機車額定電流的4倍，在PCC點將產(chǎn)生較大的電壓波動，電壓的波動對與之相連的樞紐變電站電壓調(diào)整和控制也產(chǎn)生較大的影響。典型日電壓波動曲線具體參見圖6。從上圖可以看出，日負荷波動較大時，對電壓影響也較大，110kV電壓日波動達到6kV以上，若在負荷高峰時期，樞紐變電站電壓較低時，易造成電壓越限，這增大了樞紐變電站電壓控制難度。若電鐵交錯，班次增多，之間間隔時間短，那么長時間閃變也會明顯。突然的電壓變化導(dǎo)致自動化控制裝置停頓或誤動、變頻調(diào)速器停頓、電動機暫停，破壞生產(chǎn)，設(shè)備運行會變得困難、過熱或?qū)е陆^緣性能不能滿足實際電壓的變化。長期或反復(fù)的電壓波動會降低設(shè)備使用壽命，反復(fù)出現(xiàn)的電壓波動可能導(dǎo)致計算機系統(tǒng)硬件損壞、死機、異常。還會造成電表轉(zhuǎn)速加快，瞬流會嚴重影響感性電度表表盤的作用力矩和轉(zhuǎn)速，使表盤發(fā)生階躍式地轉(zhuǎn)快。

對設(shè)備的影響電鐵牽引負荷由于產(chǎn)生負序電流，其負序電流造成三相電流不對稱，因而會造成電力變壓器三相電流中有一相電流增大，而不能有效發(fā)揮變壓器的額定出力(變壓器容量利用率下降)。另外，還造成變壓器的附加能量損失，在變壓器鐵心磁路中產(chǎn)生附加發(fā)熱。電鐵牽引負荷由于產(chǎn)生負序電流，其負序電流造成三相電流不對稱，負序電流流過送電線路時，負序功率實際上并不做功，而只造成電能損失，增加了網(wǎng)損，降低了送電線路的輸送能力。

對供電質(zhì)量的影響電鐵牽引變電站所接的公共PCC點的各項電能指標與其短路容量有著密切的關(guān)系，短路容量越大，分配給牽引變電站負荷的限值就越大，電鐵負荷對系統(tǒng)的相對影響就越小。電氣化牽引變電站在設(shè)計時，其影響電能質(zhì)量的校核通常采用最終規(guī)模的短路容量進行校核，在電氣化牽引站接入時，其系統(tǒng)規(guī)模未達到最終規(guī)模，同時在系統(tǒng)運行方式變化時，系統(tǒng)的短路容量也不同。所以電鐵牽引變電站所接的公共PCC點的各項電能指標也是一個動態(tài)變化，在系統(tǒng)小方式時，尤其是在后半夜時，公共點的各項指標均增大，過渡時期短路電流比設(shè)計短路電流小，將造成諧波增大。圖8為樞紐變電站220kV母線短路電流變化圖，從圖中可以看出，短路電流是有一定變化的，因此需要加強對諧波的監(jiān)測。

針對電鐵負荷對地區(qū)電網(wǎng)的影響所采取的措施

目前新疆正大力建設(shè)電氣化鐵路，同時電氣化鐵路牽引負荷也在快速增長，面對電鐵牽引負荷增長的局面，需要積極應(yīng)對，積極采取有效措施保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行和最大限度地接納電氣化牽引負荷。(1)針對電氣化鐵路牽引負荷的波動性、無序性和隨機性，加大對電鐵牽引負荷的分析，掌握其運行規(guī)律的變化，通過對負荷的概率分布分析，找出其中的特性，便于更好地進行負荷預(yù)測和分析。(2)針對電氣化鐵路牽引負荷對電壓的影響，加大分析力度，尤其是仿真分析，提前做好技術(shù)措施，防止電壓波動幅度較大，確保電壓合格。對電氣化鐵路接入的公共站，精心監(jiān)控母線電壓，有條件的加裝動態(tài)無功補償裝置，以跟蹤系統(tǒng)電壓變化。(3)針對電氣化鐵路牽引負荷的沖擊性、單相性、負序性，加大對設(shè)備的檢測力度，定期進行設(shè)備運行狀態(tài)評估，以提前發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。(4)針對電氣化鐵路牽引負荷產(chǎn)生的諧波，加大對諧波的檢測、治理和控制。定期進行諧波狀態(tài)評估，以提前發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

結(jié)語

對新疆電氣化鐵路負荷特性進行分析研究，總結(jié)出電氣化鐵路運行組織規(guī)律，同時結(jié)合地區(qū)電網(wǎng)提出電鐵對地區(qū)電網(wǎng)的影響。掌握了電氣化鐵路的運行規(guī)律，可以提高電網(wǎng)負荷預(yù)測的準確性，同時對于電壓調(diào)整、諧波治理、短路電流、供電質(zhì)量等方面具有一定的指導(dǎo)意義。牽引供電系統(tǒng)是一個龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)，對其進行全面的分析是一項較為復(fù)雜的工作。今后的工作還有很多，如列車牽引運行過程的仿真以及電力列車動態(tài)仿真模型，計算各個變電所供電臂負荷依時間變化的全過程以及全線列車運行的全過程等等，將在今后的學習和工作中在這些方面做進一步分析研究和探討。

作者：印欣張紹洲劉紅麗常喜強單位：新疆大學電氣工程學院伊犁電力公司新疆電力公司