高铁供电系统外部供电电源.docx

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高铁供电系统外部供电电源

第三节高铁供电系统外部供电电源

一、电力网

二、电气化铁路供电要求与负荷特点

1.高可靠性：

两路独立电源，主变压器一主一备运行，非正常情况时可越区供电（但牵引变压器负荷率普遍较低，一般不超过30%）

2.大供电容量：

HXD2型大功率电力机车10000KW，16辆编组。

时速350km/h的动车组超过20000KW。

350km/h，3min追踪间隔，30km供电臂，变电所的峰值功率超过120MVA

3.良好电压品质：

电压水平与电压波形。

牵引网额定电压25kv，正常工作电压20～27.5KV，由于负荷压损大，国不少既有线路空载电压达到29KV

4.波动剧烈的大容量单相不平衡非线性负荷

5.电气化铁道谐波的特点：

单相独立性、随机波动性、相位广泛分布、高压渗透性

电气化铁道之所以产生负序，本质上是由于电力机车是单相负荷造成的

6.谐波与负序主要术语：

第h次谐波电压（电流）含有率

谐波电压（电流）含量

电压（电流）总谐波奇变率

三相电压（负序）不平衡度

三、我国铁路与电力部门关于电铁电能质量问题的争论

1982年4月原水电部在组织召开了全国首次谐波学说交流会，会上把电气化铁道作为重要的谐波源，并提出要尽快制订谐波标准。

这次会议也引起了铁道部的重视，铁道部原科技局与基建总局以（82）科技标字第73号文和（82）基字第92号文下达研究项目“电铁高次谐波容许标准”的研究，成立了研究小组。

1982年9月原水电部参照英国中央电力局谐波限制值导则G5/3组织编写了《电力系统谐波管理的暂行规定》（征求意见稿）。

1984年6月铁道部研究小组递交了《电铁谐波允许值的建议与说明》，8月30日经审核以（84）基电字168号文发至原水电部，反映了对《暂行规定》的不同意见。

原水电部对此没有答复，而是以（84）水电电生字第56号文正式颁布了《暂行规定》（SD126-84），规定自1985年1月1日起执行。

1984年11月铁道部以（84）基电字第216号文请原国家标准局组织审订《电铁谐波允许值的建议与说明》，该文指出“《暂行规定》中关于电压正弦波形奇变率极限值和谐波电流允许值的一些条款没有考虑电铁电力机车负荷具有间断、波动、不规则的轮廓特性的特点，而是将电铁负荷视同一般电力负荷，因此，《暂行规定》的这些条款对电铁是不适宜的”。

1986年4月11日原国家标准局的国际发（1986）081号文《关于发送“1986年制、修订国家标准项目计划”的通知》中明确：

“电力系统高次谐波分量”项目由水电部生产司和铁道部基建总局为负责单位共同起草。

根据081号文开展3项联合工作：

（1）1987年1月，铁道部和原水电部联合组团赴英考察，并邀请原国家标准局派员参加；

（2）1987年10月，组成了两部联合调查组，就、两省向电气化铁路供电的电网中的谐波、负序进行了联合调查，并得出谐波问题“需要两部能力合作，从各方面采取措施以求得合理的解决”的一致意见；（3）1988年8月原能源部（含水电部）、铁道部成立了雁同电网谐波领导组和测试配合组，对雁同电网的一些地区变电站、牵引变电所的地方用户进行了较大规模的联合测试，取得了大量数据，就电气化铁道的谐波、负序对雁同电网的影响进行了试验研究。

1991年原能源部谐波国标起草小组拿出了《电能质量公用电网谐波》（征求意见稿），这次的征求意见稿虽较《暂行规定》在谐波限制上有所放宽，但与铁道部的要求仍有不小的差距，两部在商谈时未能取得实质性的进展。

1992年3月10日，在国家技术监督局标准化司主持下，召开了由原能源部电力司、科技司和铁道部建设司、中国铁路工程总公司等单位的有关领导及专家参加的谐波国标协调会，经充分讨论和协商，形成了《﹤电能质量电力系统高次谐波分量﹥国家标准起草协调会议纪要》，并于4月24日以国家技术监督局标发（1992）052号文下达，在《纪要》中，原能源部、铁道协调同意“鉴于目前电气化铁道的特殊性，公用电网谐波标准暂不适用于电气化铁道，对电气化铁道接入公用电网的谐波要求，由两部另行签订协议解决”。

1993年7月31日，国家技术监督局批准并颁发了由原能源部电力司负责起草的《电能质量公用电网谐波》（GB/T14549-93），规定自1994年3月1日开始实施，与电气化铁道相关的另一项国标《电能质量三相电压不平衡度》也于1993年底完成报批稿。

1993年12月11日，大铁路二期工程国家验收委员会在《验收证书》中明确“关于电气化铁道谐波影响问题，由国家计委会同国家技术监督局组织电力部、铁道部抓紧研究，签订协议，予以解决”。

国家计委重点建设协调监督司于1994年2月份指示铁道部先提出一个两部协议的建议稿，作为两部进一步协商的框架，国家技术监督局表示同意。

1994年5月4日，铁道部建设司向国家计委重点建设协调监督司行文，提出了签订两部协议的实施意见，随后组织铁道部电气化铁道谐波标准起草小组，广泛深入地开展了电铁谐波的有关研究工作。

1995年底，铁道部电气化铁道谐波标准起草小组完成了《电力、铁道两部关于解决电气化铁路谐波规定的协议》（建议稿），并上报到国家计委和国家技术监督局。

电力部门并未正式承认《两部协议》，每条电气化铁路的开通，铁路与电力部门签署供电协议成为老大难问题。

成昆电气化铁路涉及卫星发射中心，引起铁道部高度重视。

1997年1月，国家计委办公厅以计办建设（1997）9号文（特急）印发《关于电气化铁路谐波治理及京、湘黔电气化铁路开通供电协调会议纪要的通知》，纪要明确3点：

（1）关于谐波治理问题，会议确定由国家计委和国家技术监督局牵头，委托中国国际工程咨询公司组织有关谐波方面的专家组成专家组，对电铁谐波进行测试、研究，电力部、铁道部各选派4名专家技术人员参加，另外再选派几位国有名望、具有较丰富知识和经验的谐波专家参与这项工作；

（2）专家组要在1997年6月底前提出电气化铁路谐波治理的意见和措施；（3）关于京、湘黔电气化铁路开通问题，鉴于京、湘黔电气化铁路是1996年投产项目，且铁路工程的电铁配套设施都已完成，只因谐波问题没有签订协议，故可先供电（临时供电）开通，待专家组得出结论后，再按专家组意见采取措施。

2005年既有京沪线电气化工程及随后的客运专线工程又引发了新一轮电铁电能质量问题的争论。

国网公司发文明确要求各省公司给电铁供电只允许采用110KV级，铁路部门极为被动。

2006～2007年因京津城际铁路外部电源问题，铁道部卢副部长和耿志修副总工程师多次拜访国网公司，不同层面进行多次技术交流；铁道部答应在既有京沪线的安定、三界、南翔3个牵引变电所开展治理试点；2007年3月国家电网公司委托中国电科院牵头负责“电铁供电关键技术研究”项目。

2007年3月根据国家标准化管理委员会安排，由全国电压电流等级和频率标准化技术委员会归口负责修订新一轮国家电能质量标准；2007年9月《电能质量电力系统频率偏差》、《电能质量供电电压偏差》、《电能质量电压波动和闪变》、《电能质量三相电压不平衡》4个标准拿出了送审稿。

2008年会议通过。

《电能质量公用电网谐波》自2007年5月起动修订以来，先后在、延边、、召开4次专家组会议，2010年4月会议拿出的讨论稿，争议依旧。

四、谐波及技术对策

目前普遍采用的技术措施：

车上安装功率因数校正PFC装置（晶闸管分组投切的并联电容组），兼滤3次或3、5次谐波；变电所安装无功补偿装置（固定或分组投切的并联电容器组），兼滤3次谐波，通常12%调谐率。

2006年开始谐波治理试点工作，带3、5（及7）次滤波支路的SVC方案得到实施，如京沪线安定、三界牵引变电所

具有电能质量综合治理效果的SVG技术也开始在电气化铁道进行试验，如京沪线南翔、大线湖东牵引变电所。

要从根本上解决电气化铁道问题将有赖于基于PWM调制技术的交—直—交传动系统的电力牵引。

目前我国的电力牵引技术正在更新换代，引进的4型200km/h上以速度的动车组全部采用交—直—交传动；引进的HXD系列8轴大功率货运电力机车全部采用交—直—交传动；自主开发的6轴大功率货运电力机车全部采用交—直—交传动；自主开发的350km/h的直通车组全部采用交—直—交传动

五、负序及技术对策

1.从设计时就要选用强电源，保证足够大的短路容量。

2.在电源受限制的条件下，避免使用单相变压器。

3.相邻的牵引变电所接入电力系统时，进行相应轮换。

4.采用对称补偿装置平衡负序（动态调节时难度较大）。

三相变两相平衡变压器在电气化铁道的大量应用。

在一次侧施加三相对称电压时，只要二次侧两端口的负荷相

等（幅值和功率因数均相等），则二次侧两相端口电压保持幅值

相等、相位相差90°，一次侧三相电流对称。

）

Scott接线变压器：

星形－延边三角形接线变压器

2010年铁道部与国网公司达成协议，铁路部门尽快研发220kV平衡变压器。

2010年4月已确定采用北方交大提出的二次中抽式Scott接线方案。

采用换相连接、平衡变压器等技术措施，在宏观上缓解牵引负荷造成的三相不平衡是有效的，但负荷的随机波动性，也使得它们的效果是有限的。

5.下图是采用新型同相供电方式：

6.交直交牵引变电所（发展方向之一）

六、和谐共赢的解决思路

电铁电能质量（特别是谐波）方面的长期争议：

电力部门：

主电气化铁道也要按谐波国标考核管理。

铁路部门：

电气化铁道负荷有其特殊性，达到目前国标限制值有困难，而且投资很大，会造成不必要的浪费。

我国电气化铁道电能质量问题是我国电力和铁路基础设施相对薄弱，在经济快速发展的同时，不同行业间协调不够造成的。

电能质量问题涉及技术问题复杂，但本质上是经济问题。

谐波和负序的考核点为公共连接点B，供电电压偏差考核点为供电点A。

谐波和负序成问题的地方，供电电压也往往不合格。

影响电气化铁道电能质量指标的关键参数是系统短路容量。

一般认为，系统短路容量为牵引变电所安装容量的30～40倍以上比较合理。

解决电气化铁道电能质量问题需要电力和铁道部门密切配合，结合我国国情，相互妥协，在相关电能质量国家标准制定中考虑电气化铁道的特殊性，在保证电网和铁路安全稳定高质运行的基础上，增加对牵引负荷谐波和负序等指标考核管理的灵活性。

同时，大力开展联合测试，形成新建项目的合理评估机制，有选择地加强电能质量治理，通过电力和铁道双方的共同努力，达到和谐共赢的目的。