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電氣化鐵路與電能質(zhì)量那些事兒
DQZHAN訊：電氣化鐵路與電能質(zhì)量那些事兒
以高鐵為代表的中國(guó)電氣化鐵路讓中國(guó)版圖不斷“縮小”，在切實(shí)改變?nèi)藗兩畹耐瑫r(shí)其高速發(fā)展的成就舉世矚目。到2013年，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到11028 km，居****位。電網(wǎng)作為電氣化鐵路的動(dòng)力承載，電能質(zhì)量問(wèn)題無(wú)疑是至關(guān)重要的。

在近日的第七屆電能質(zhì)量研討會(huì)上，記者就電氣化鐵路發(fā)展問(wèn)題專(zhuān)訪了西南交通大學(xué)錢(qián)清泉院士，讓錢(qián)院士與我們談?wù)勲姎饣F路與電能質(zhì)量的那些事兒。

記者：錢(qián)院士您好!非常感謝您就電能質(zhì)量問(wèn)題接受專(zhuān)訪。我們知道，在我國(guó)，電力部門(mén)對(duì)電氣化鐵道電能質(zhì)量的關(guān)注重點(diǎn)是諧波、負(fù)序和電壓偏差。我國(guó)電氣化鐵道牽引負(fù)荷是整流型負(fù)荷，產(chǎn)生大量諧波(主要是3、5、7次)注入電力系統(tǒng)，電氣化鐵道作為少數(shù)直接接入高壓電網(wǎng)的大宗電力用戶(hù)，其對(duì)電力系統(tǒng)和其它用戶(hù)產(chǎn)生的影響不容忽視。請(qǐng)錢(qián)院士介紹下我國(guó)電氣化鐵路電能質(zhì)量問(wèn)題的現(xiàn)狀?

錢(qián)院士：到2013年，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到11 028 km，居****位。目前我國(guó)鐵路完成的旅客周轉(zhuǎn)量、貨物發(fā)送量、貨物周轉(zhuǎn)量、換算周轉(zhuǎn)量居****位?？梢哉f(shuō)，我國(guó)高速鐵路的建設(shè)，無(wú)論列車(chē)*高運(yùn)行速度、行車(chē)密度，還是供電負(fù)荷大小，都達(dá)到世界**。改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展也取得了舉世矚目的成就。無(wú)論是高速鐵路、重載鐵路，還是城市軌道交通都采用電力牽引，因此，軌道交通的發(fā)展離不開(kāi)電力工業(yè)的發(fā)展，軌道交通的發(fā)展又拉動(dòng)了電力工業(yè)的發(fā)展。

我國(guó)電氣化鐵路采用單相工頻交流制，接入公用電網(wǎng)。因采用換相接入方式，牽引變電所出口和分區(qū)所處均設(shè)置電分相。電分相造成列車(chē)速度和牽引力損失，列車(chē)過(guò)分相引起暫態(tài)過(guò)程對(duì)**運(yùn)行產(chǎn)生**影響。同時(shí)，由于使用電力系統(tǒng)三相中的兩相分別通過(guò)供電臂向電力機(jī)車(chē)供電，為不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷，造成三相不平衡，即負(fù)序。

我國(guó)以前普遍使用的交直型電力機(jī)車(chē)都是采用相控方式，正常工作時(shí)功率因數(shù)較低。當(dāng)導(dǎo)通角不同時(shí)，其諧波含量變化較大。相控機(jī)車(chē)3次諧波電流含有率達(dá)到21 %，5次為10 %，7次為5 %，9次為3 % 左右。目前我國(guó)廣泛采用的交直交型電力機(jī)車(chē)由于采用了PWM整流方式，功率因數(shù)接近1，與交直型機(jī)車(chē)相比諧波含量大大降低。另外，交直型電力機(jī)車(chē)已于2006年停產(chǎn)，雖然目前仍有一定保有量，但在一段時(shí)間內(nèi)將退出運(yùn)營(yíng)，新建線路均采用交直交型電力機(jī)車(chē)，諧波問(wèn)題將得到緩解。

對(duì)于負(fù)序問(wèn)題，牽引變壓器的接線方式對(duì)牽引負(fù)荷產(chǎn)生的三相不平衡有一定影響。目前牽引變電所多采用Vv(Vx)接線，由于其自身特點(diǎn)限制，單純靠牽引變壓器無(wú)法消除三相不平衡。另外一種應(yīng)用較多的是三相-兩相平衡接線方式，其特點(diǎn)是在牽引負(fù)荷滿(mǎn)足一定條件下，可將牽引側(cè)不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷變換為電力系統(tǒng)側(cè)三相對(duì)稱(chēng)負(fù)荷。但是由于牽引負(fù)荷隨機(jī)車(chē)波動(dòng)劇烈，完全滿(mǎn)足條件的幾率小，因此阻抗匹配平衡變壓器也不能完全消除牽引負(fù)荷引起的三相不平衡。

目前，我國(guó)高速鐵路牽引負(fù)荷的負(fù)序特點(diǎn)主要為牽引負(fù)荷大：客運(yùn)專(zhuān)線的單列車(chē)功率可達(dá)23 000 kW;牽引主變安裝容量達(dá)到63 MVA以上，遠(yuǎn)期甚至達(dá)到120 MVA。還有再生制動(dòng)對(duì)供電系統(tǒng)的負(fù)序造成一定影響。一供電臂負(fù)荷牽引而另一供電臂負(fù)荷再生制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的負(fù)序大于兩供電臂負(fù)荷同為牽引或制動(dòng)的情況。高速鐵路牽引負(fù)荷比普速鐵路大，但同時(shí)電力系統(tǒng)供電能力也不斷增強(qiáng)，通常情況下能夠滿(mǎn)足高鐵供電需求。
關(guān)于電壓偏差的問(wèn)題，目前高速鐵路一般采用220 kV電源供電，電力系統(tǒng)短路容量大，牽引電流在電力系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的電壓降較小，電壓偏差一般滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。普速鐵路大都采用110 kV電源供電，由于牽引負(fù)荷較小，在電網(wǎng)發(fā)達(dá)地區(qū)電壓偏差一般能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)于電網(wǎng)薄弱地區(qū)由于電力系統(tǒng)短路容量較小，電力系統(tǒng)電壓降大，電壓偏差可能超標(biāo)較多。

總體來(lái)說(shuō)，對(duì)于諧波問(wèn)題，可采用交直交機(jī)車(chē)減少牽引負(fù)荷諧波含量，及采取無(wú)源及有源等諧波補(bǔ)償技術(shù);對(duì)于負(fù)序問(wèn)題可在牽引變電所采取相序輪換接入電力系統(tǒng)的方式，牽引變電所供電的兩個(gè)供電臂負(fù)荷盡可能設(shè)計(jì)均衡，采用負(fù)序指標(biāo)較好的牽引變壓器接線形式;對(duì)于電壓偏差問(wèn)題，可以提高負(fù)荷功率因數(shù)，減小無(wú)功，減小系統(tǒng)阻抗。

隨著各種技術(shù)措施的采用和電力系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，軌道交通電能質(zhì)量問(wèn)題得到了顯著改善。

記者：錢(qián)院士您剛剛提到高速鐵路的負(fù)序問(wèn)題，我們也關(guān)注到高速鐵路由于采用交 - 直 - 交型電力機(jī)車(chē)，相比于普通電氣化鐵路，其諧波含量已大大減小，但其負(fù)序問(wèn)題仍比較嚴(yán)重，且可能因高速鐵路牽引功率增大而變得更為突出。而對(duì)負(fù)序問(wèn)題較為嚴(yán)重的高速鐵路，一般接入220 kV電壓等級(jí)電網(wǎng)以提高短路容量，但接入高電壓等級(jí)同時(shí)也縮短了牽引負(fù)荷與電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)組的電氣距離，使注入臨近發(fā)電機(jī)組的負(fù)序電流更有可能超標(biāo)，請(qǐng)錢(qián)院士再談一談您如何看待高速鐵路負(fù)序問(wèn)題對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響?針對(duì)這一問(wèn)題目前如何解決?

錢(qián)院士：對(duì)于高鐵的負(fù)序問(wèn)題，在我剛剛的演講中有提到，高速鐵路牽引負(fù)荷比普速鐵路大，但同時(shí)電力系統(tǒng)供電能力也不斷增強(qiáng)，通常情況下能夠滿(mǎn)足高鐵供電需求。遠(yuǎn)期隨著牽引負(fù)荷的進(jìn)一步增大，的確存在以負(fù)序?yàn)橹鞯碾娔苜|(zhì)量問(wèn)題。此外，既有牽引供電系統(tǒng)還存在過(guò)分相引起的機(jī)電過(guò)程復(fù)雜，自動(dòng)過(guò)分相結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)作頻繁，壽命短，可靠性低;電分相造成的列車(chē)速度和牽引力損失等問(wèn)題。為此，西南交通大學(xué)自1988年率先提出同相供電概念以來(lái)，經(jīng)二十余年的系統(tǒng)研究，形成了同相供電系統(tǒng)理論體系和配套技術(shù)方案，為解決長(zhǎng)期困擾電氣化鐵路的電分相和電能質(zhì)量?jī)纱箅y題，奠定了基礎(chǔ)。

同相供電系統(tǒng)是指為電力機(jī)車(chē)或動(dòng)車(chē)組提供電能的各供電區(qū)間具有相同電壓相位的牽引供電系統(tǒng)。西南交通大學(xué)自2007年起主持研究“十一五”國(guó)家科技支撐重大專(zhuān)項(xiàng)“電力電子關(guān)鍵器件及重大裝備研制”課題：電氣化鐵路同相供電裝置，完成的電氣化鐵路同相供電裝置于2010年10月在成昆鐵路眉山牽引變電所成功投入試運(yùn)營(yíng)，并于2011年7月17日高質(zhì)量通過(guò)科技部組織的驗(yàn)收。此后，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)深化研究發(fā)現(xiàn)眉山方案存在局限性，提出了組合式同相供電方案，主要包括單三相組合式同相供電及單相組合式同相供電。
單三相組合式同相供電當(dāng)牽引負(fù)荷功率小于等于同相補(bǔ)償裝置容量的2倍時(shí)，牽引變壓器的同相補(bǔ)償裝置分別供給牽引負(fù)荷功率的1 / 2，此時(shí)負(fù)序電流得以完全補(bǔ)償，由此引起的三相電壓不平衡為零;當(dāng)牽引負(fù)荷功率大于同相補(bǔ)償裝置容量的2倍時(shí)，同相補(bǔ)償裝置按自身額定容量供給牽引負(fù)荷功率，其余部分由牽引變壓器供給，此時(shí)有剩余負(fù)序電流流通，但產(chǎn)生的三相電壓不平衡度滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求。

2013年7月中國(guó)鐵路總公司簽發(fā)文件，由西南交通大學(xué)總體負(fù)責(zé)，在沙峪牽引變電所供電范圍內(nèi)開(kāi)展單三相組合式同相供電技術(shù)試驗(yàn)。初步安排2014年4月開(kāi)始上線試驗(yàn)，2014年11月完成。采用同相供電裝置，將原有牽引變電所的兩相變換為一相，取消了變電所處電分相，可大大提高列車(chē)運(yùn)行的技術(shù)速度，提高線路通過(guò)能力;改善電氣化鐵路牽引負(fù)荷負(fù)序，滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求;提高牽引變壓器容量利用率;進(jìn)一步增強(qiáng)牽引供電系統(tǒng)的節(jié)能效果。

記者：錢(qián)院士您長(zhǎng)期從事鐵道電氣化與自動(dòng)化領(lǐng)域的科研與教學(xué)工作，曾主持研制成功了我國(guó)**套電氣化鐵道多微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)可通過(guò)各被控站 RTU采集電網(wǎng)的靜態(tài)測(cè)量值，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)。而柔性SCADA系統(tǒng)更具有數(shù)據(jù)管理和按需交互信息的智能終端，可采集電網(wǎng)的正常靜態(tài)信息、動(dòng)態(tài)信息和故障信息，旨在提高鐵路配電網(wǎng)的供電可靠性。未來(lái)SCADA系統(tǒng)在鐵路配電網(wǎng)中的應(yīng)用是否也會(huì)將電能質(zhì)量指標(biāo)納入監(jiān)測(cè)范圍，對(duì)改善電網(wǎng)電能質(zhì)量起到積極作用?

錢(qián)院士：應(yīng)該是這樣，你剛剛講的**套SCADA系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)去了很多年，今天的SCADA系統(tǒng)可能概念都已經(jīng)不一樣了，功能已經(jīng)強(qiáng)大多了，隨著科技的發(fā)展，這些功能當(dāng)然會(huì)包含，包括剛剛講的同相供電，也有監(jiān)測(cè)、監(jiān)控功能。目前來(lái)講，SCADA系統(tǒng)的管理、信息共享等功能都已經(jīng)高度集成，目前我國(guó)國(guó)內(nèi)主要電氣化鐵路干線均采用西南交通大學(xué)研制的電力調(diào)度管理自動(dòng)化系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以達(dá)到100多萬(wàn)點(diǎn)。今后隨著科技發(fā)展，不僅是對(duì)電能質(zhì)量的監(jiān)控，還包括節(jié)能等各個(gè)方面的指標(biāo)都應(yīng)該納入進(jìn)來(lái)，以保障電網(wǎng)的**可靠。

目前，在地鐵這種城市軌道交通系統(tǒng)中，SCADA系統(tǒng)已經(jīng)高度集成，包括電力SCADA、FAS / BAS、廣播、電視、自動(dòng)屏蔽門(mén)等5 ~ 6個(gè)系統(tǒng)均已經(jīng)高度集成，將來(lái)肯定是這個(gè)趨勢(shì)。

記者：電能作為一種商品，勢(shì)必存在質(zhì)量問(wèn)題，而在電能的整個(gè)傳輸應(yīng)用過(guò)程中，不僅電氣化鐵路是諧波源，建筑中的大量非線性負(fù)荷(如節(jié)能燈)也是諧波源，且建筑是能耗大戶(hù)，其能耗可能占到總發(fā)電量的40 %，所以雖然單個(gè)非線性負(fù)荷的影響看似很小但其總量十分驚人，不容忽視。目前無(wú)論是在電氣化鐵路還是在民用建筑中，諧波的治理措施一般是采用無(wú)源及有源濾波器進(jìn)行綜合治理，均屬于問(wèn)題發(fā)生后的補(bǔ)救性處理，錢(qián)院士認(rèn)為在未來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展，是否會(huì)有更好的措施，可以在產(chǎn)品或設(shè)計(jì)源頭改善或解決電能質(zhì)量問(wèn)題?
錢(qián)院士：肯定有，隨著科技的發(fā)展不斷會(huì)有新的技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際工程中，比如我剛剛提到的同相供電技術(shù)，就是從源頭上解決高速鐵路的負(fù)序問(wèn)題的一種前沿技術(shù)。以前我們研究阻抗匹配平衡變壓器等都是試圖解決電能質(zhì)量問(wèn)題，但這是一個(gè)綜合的問(wèn)題，不僅只有一個(gè)角度，所以還需要一步步地深入研究，協(xié)調(diào)多方面共同解決這一問(wèn)題。

節(jié)能是個(gè)永恒的主題，在建筑物中，以商場(chǎng)舉例，夏天空調(diào)溫度調(diào)得非常低，冬天又非常高，其實(shí)完全沒(méi)有這種必要，這些都是問(wèn)題，浪費(fèi)能源。按照現(xiàn)在的科技來(lái)講，應(yīng)該很容易解決這些問(wèn)題。那么對(duì)于大型的公共建筑，空調(diào)采暖是一方面，采光、電梯的變頻控制是另一方面，在照明方面，現(xiàn)在大量采用的聲控、光控技術(shù)就可以有效地節(jié)能，同樣采用變頻技術(shù)后電梯可以節(jié)能達(dá)到70 %，這些技術(shù)都是上世紀(jì)90年代以后才開(kāi)始應(yīng)用的，從建筑節(jié)能來(lái)說(shuō)，我覺(jué)得進(jìn)步很大。

記者：錢(qián)院士您非常了解咱們建筑電氣領(lǐng)域的這些節(jié)能措施，包括您提到的空調(diào)系統(tǒng)、照明控制和變頻技術(shù)都是我們行業(yè)本身十分關(guān)注的節(jié)能問(wèn)題。

錢(qián)院士：這些可以說(shuō)都是我的親身感受。

記者：錢(qián)院士您作為我國(guó)鐵路電氣化自動(dòng)化的老一輩工作者，親歷了我國(guó)電氣化鐵道的從無(wú)到有的逐步建設(shè)，為我國(guó)鐵道電氣化與自動(dòng)化學(xué)科的發(fā)展和人才的培養(yǎng)做出了杰出貢獻(xiàn)。是值得我們尊敬與學(xué)習(xí)的老一輩科技工作者，*后請(qǐng)錢(qián)院士寄語(yǔ)建筑電氣行業(yè)的廣大一線科技工作者們。

錢(qián)院士：你們年輕一輩取得的成績(jī)我也感到十分驕傲，我想說(shuō)的主要是**和奮斗兩點(diǎn)，還有就是踏踏實(shí)實(shí)地工作。當(dāng)初我為何要投身我們國(guó)家的電氣化鐵路建設(shè)呢，主要還是響應(yīng)國(guó)家四個(gè)現(xiàn)代化建設(shè)的號(hào)召，那么對(duì)于當(dāng)前來(lái)說(shuō)，國(guó)家強(qiáng)調(diào)改革轉(zhuǎn)型，那么我們廣大科技工作者就更要積極**、奮斗。

記者：感謝錢(qián)院士接受本社的采訪!

錢(qián)清泉院士簡(jiǎn)介

西南交通大學(xué)教授，長(zhǎng)期從事鐵道電氣化與自動(dòng)化領(lǐng)域的科研與教學(xué)工作;主持研制成功了我國(guó)**套電氣化鐵道多微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，在10多項(xiàng)國(guó)家、省部級(jí)重點(diǎn)工程中推廣應(yīng)用;參與組織和籌建牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室建成后通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，達(dá)到世界先進(jìn)水平。在電氣化智能監(jiān)控系統(tǒng)與綜合自動(dòng)化研究領(lǐng)域取得了豐碩成果;獲十余項(xiàng)國(guó)家、省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)和國(guó)內(nèi)“五一”勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)碌葮s譽(yù);1997年當(dāng)選為中國(guó)工程院院士。

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