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電網電能質量對高鐵運行的影響

電網電能質量對高鐵運行的影響

發布日期:2019-04-23 作者: 點擊:

       2016年8月13日,由北京西开往深圳北站的G79次高铁发生停电故障,上千人被困在40+℃的车厢内,持续近2小时,不少孩子和老人出现了不适和脱水现象。高铁安全稳定运行与其电网电能质量密不可分,如何保障高铁电网电能质量成为了当下讨论的热点。

高速铁路网

  图1 2020年地图规划图

       到2020年,中国将新建高速铁路1.6万公里以上,形成以"四纵四横"高铁为主骨架的快速铁路网,现在高铁运行时速达到300km/h,提速至350km/h的呼声也在不断增强。

高鐵的安全穩定運行與高鐵電網的電能質量密不可分,電能質量問題可以導致電網電力故障和列車電力設備故障。探討高鐵電網電能質量問題對高鐵列車的影響,我們就必須要了解高鐵的供電原理和驅動原理。

       高铁牵引供电系统  

高铁结构示意图

图2 高铁结构示意图

       高铁能够跑起来,依靠的是牵引供电系统给高速列车提供电力。电气化铁路的牵引供电方式主要有:BT(吸流变压器)供电方式、AT(自耦变压器)供电方式和TR直接供电方式。由于高速铁路功率大,牵引电流较大,因此一般采用功率输送能力最强的AT供电方式,典型的AT供电系统如图3所示。

电能质量

图3 典型的AT供电系统

       引供电系统主要由牵引变电站(变电所)、自耦变压器AT、接触网T、回馈线F、铁轨R及高速列车组成。基本原理为:牵引变电站为整个牵引系统提供电 源,电流从牵引变电站流出,通过接触网给高速列出提供电能,然后通过回馈线流回牵引变电站,AT供电方式的工作原理如图4所示。

工作原理

图4 AT工作原理图

       高速铁路供电是按照"供电段"来进行划分的,平均数十千米/座。每个变电站伸出两个供电支,提供不同相的电流。列车经过两个变电站的"供电段"时, 先后通过A1-B1-A2-B2四个供电支。为保证供电安全,每个供电支之间采用电气绝缘(隔离)的结构设计,因此各供电支之间不会短路。列出从一个供电 支运行到另一个供电支是瞬时完成的。供电段示意图如图5所示。

供电示意图

图5 供电段示意图

  高鐵驅動原理

牵引供电系统为高铁提供电力,高铁依靠电力来获得动力,图6是高铁的驱动原理示意图。基本原理为:高速列车通过受电弓与接触网接触将高压交流电取回 车内,然后通过变压器降压和四象限整流器转换成直流,在经过逆变器转换成可调幅调频的三相交流电,输入三相异步/同步牵引电机,通过传动系统带动车轮运行。  

高铁驱动原理图

图6 高铁驱动原理图

  高鐵電能質監測分析

  高鐵是一種特殊的大功率單相負荷,對于三相對稱的電力系統來說,高鐵牽引負荷具有波動性、非線性、不對稱性等特點。

       1、负荷波动与冲击

       列车在运行中的加速、惰行、制动等因素都会引起牵引变电站负荷的波动,特别是列车从一个供电支变换到另一个供电支时,其瞬间造成的负荷波动和冲击是 非常巨大的,巨大的负荷波动和冲击会引起电网电压的异常波动。图5是高铁牵引变电站24小时内有功功率变化情况,可以看出高铁牵引变电站负荷波动和冲击非常大。

功率曲线

图7 牵引变电站有功功率曲线

  2、非線性

  从高铁的驱动原理可以看出,高铁采用交-直-交的PWM变流器技术,把工频交流电经过整流逆变转变为可调幅调频的三相交流电为牵引电机供电,这是一 个非线性的过程,不可避免的会产生的大量的谐波。此外,整个列车电源还要向车内的空调、照明等非线性负荷供电,这些非线性设备也会产生大量的谐波。

  3、不對稱性

  高鐵采用單相供電制,且牽引網兩個供電支的負荷不可能保持一致,因此對于三相電網來說,屬于不對稱性負荷,會産生負序電流,造成牽引變電站外接電網三相不平衡。

  高鐵電能質量危害

运行中的高铁

图8 运行中的高铁

  高鐵在行駛過程中産生的諧波、負序分量以及電壓波動等電能汙染,對高鐵電力系統的安全性、可靠性造成了嚴重的影響。高鐵電網電能汙染對高鐵電力系統主要有以下影響:

  影響電網的安全性和可靠性:高鐵列車運行産生的大量高次諧波通過牽引變壓器注入牽引變電站,引入電力系統,並與系統的"背景負荷"産生的的負序源疊加,使得系統內部電網的3次、5次諧波在諧振時嚴重放大,進而導致電網故障;

  影響電力設備的安全穩定運行:高鐵牽引負荷産生的諧波和負序分量會造成設備損壞,減少設備壽命或降低效率,甚至會對計算機、通信、電力系統繼電保護裝置等設備造成工作失誤或性能劣化,可能導致越級跳閘而擴大事故或者導致主變、線路跳閘。

  可以看出高鐵電網電能汙染不僅影響鐵路自身小局域電網的安全與穩定,也會通過牽引變電站對外部電網造成影響。無論是對自身電網還是對外部電網的影響,最終都會威脅到高鐵運行的安全與穩定。

  高鐵電能質量治理

  高鐵電力系統的安全性、可靠性決定了高鐵列車運行的安全性和可靠性。因此對高鐵電網電能質量的監測治理就顯得尤爲重要了。高鐵的牽引變電站之間是相互獨立的,供電支之間也是相互隔離的,所以對高鐵電網電能質量的監測,就需要對每個供電支進行在線式的監測,然後彙總到後台主機,進而實現對整個高鐵電網的實時監測。

高铁电网

图9 高铁电网


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關鍵詞:電能質量監測,電能質量監測系统,電能質量在線監測

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