高鐵的供電原理、驅(qū)動原理及電網(wǎng)電能質(zhì)量的重要性

2016年8月，由北京西開往深圳北站的G79次高鐵發(fā)生停電故障，上千人被困在40+℃的車廂內(nèi)，持續(xù)近2小時(shí)，不少孩子和老人出現(xiàn)了不適和脫水現(xiàn)象。高鐵安全穩(wěn)定運(yùn)行與其電網(wǎng)電能質(zhì)量密不可分，如何保障高鐵電網(wǎng)電能質(zhì)量成為了當(dāng)下討論的熱點(diǎn)。

圖1 2020年地圖規(guī)劃圖

到2020年，中國將新建高速鐵路1．6萬公里以上，形成以“四縱四橫”高鐵為主骨架的快速鐵路網(wǎng)，現(xiàn)在高鐵運(yùn)行時(shí)速達(dá)到300km/h，提速至350km/h的呼聲也在不斷增強(qiáng)。

高鐵的安全穩(wěn)定運(yùn)行與高鐵電網(wǎng)的電能質(zhì)量密不可分，電能質(zhì)量問題可以導(dǎo)致電網(wǎng)電力故障和列車電力設(shè)備故障。探討高鐵電網(wǎng)電能質(zhì)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(qū)動原理。

高鐵牽引供電系統(tǒng)

圖2 高鐵結(jié)構(gòu)示意圖

高鐵能夠跑起來，依靠的是牽引供電系統(tǒng)給高速列車提供電力。電氣化鐵路的牽引供電方式主要有：BT（吸流變壓器）供電方式、AT（自耦變壓器）供電方式和TR直接供電方式。由于高速鐵路功率大，牽引電流較大，因此一般采用功率輸送能力最強(qiáng)的AT供電方式，典型的

AT供電系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 典型的AT供電系統(tǒng)

引供電系統(tǒng)主要由牽引變電站（變電所）、自耦變壓器AT、接觸網(wǎng)T、回饋線F、鐵軌R及高速列車組成?；驹頌椋籂恳冸娬緸檎麄€(gè)牽引系統(tǒng)提供電源，電流從牽引變電站流出，通過接觸網(wǎng)給高速列出提供電能，然后通過回饋線流回牽引變電站，AT供電方式的工作原理如圖4所示。

圖4 AT工作原理圖

高速鐵路供電是按照“供電段”來進(jìn)行劃分的，平均數(shù)十千米/座。每個(gè)變電站伸出兩個(gè)供電支，提供不同相的電流。列車經(jīng)過兩個(gè)變電站的“供電段”時(shí)，先后通過A1-B1-A2-B2四個(gè)供電支。為保證供電安全，每個(gè)供電支之間采用電氣絕緣（隔離）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此各供電支之間不會短路。列出從一個(gè)供電支運(yùn)行到另一個(gè)供電支是瞬時(shí)完成的。供電段示意圖如圖5所示。

圖5 供電段示意圖

高鐵驅(qū)動原理

牽引供電系統(tǒng)為高鐵提供電力，高鐵依靠電力來獲得動力，圖6是高鐵的驅(qū)動原理示意圖?；驹頌椋焊咚倭熊囃ㄟ^受電弓與接觸網(wǎng)接觸將高壓交流電取回車內(nèi)，然后通過變壓器降壓和四象限整流器轉(zhuǎn)換成直流，在經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換成可調(diào)幅調(diào)頻的三相交流電，輸入三相異步/同步牽引電機(jī)，通過傳動系統(tǒng)帶動車輪運(yùn)行。

圖6 高鐵驅(qū)動原理圖

高鐵電能質(zhì)量分析

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

1、負(fù)荷波動與沖擊

列車在運(yùn)行中的加速、惰行、制動等因素都會引起牽引變電站負(fù)荷的波動，特別是列車從一個(gè)供電支變換到另一個(gè)供電支時(shí)，其瞬間造成的負(fù)荷波動和沖擊是非常巨大的，巨大的負(fù)荷波動和沖擊會引起電網(wǎng)電壓的異常波動。圖5是高鐵牽引變電站24小時(shí)內(nèi)有功功率變化情況，可以看出高鐵牽引變電站負(fù)荷波動和沖擊非常大。

圖7 牽引變電站有功功率曲線

2、非線性

從高鐵的驅(qū)動原理可以看出，高鐵采用交-直-交的PWM變流器技術(shù)，把工頻交流電經(jīng)過整流逆變轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)幅調(diào)頻的三相交流電為牽引電機(jī)供電，這是一個(gè)非線性的過程，不可避免的會產(chǎn)生的大量的諧波。此外，整個(gè)列車電源還要向車內(nèi)的空調(diào)、照明等非線性負(fù)荷供電，這些非線性設(shè)備也會產(chǎn)生大量的諧波。

3、不對稱性

高鐵采用單相供電制，且牽引網(wǎng)兩個(gè)供電支的負(fù)荷不可能保持一致，因此對于三相電網(wǎng)來說，屬于不對稱性負(fù)荷，會產(chǎn)生負(fù)序電流，造成牽引變電站外接電網(wǎng)三相不平衡。

圖8 運(yùn)行中的高鐵

高鐵在行駛過程中產(chǎn)生的諧波、負(fù)序分量以及電壓波動等電能污染，對高鐵電力系統(tǒng)的安全性、可靠性造成了嚴(yán)重的影響。高鐵電網(wǎng)電能污染對高鐵電力系統(tǒng)主要有以下影響：

影響電網(wǎng)的安全性和可靠性：高鐵列車運(yùn)行產(chǎn)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(tǒng)，并與系統(tǒng)的“背景負(fù)荷”產(chǎn)生的的負(fù)序源疊加，使得系統(tǒng)內(nèi)部電網(wǎng)的3次、5次諧波在諧振時(shí)嚴(yán)重放大，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)故障；

影響電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行：高鐵牽引負(fù)荷產(chǎn)生的諧波和負(fù)序分量會造成設(shè)備損壞，減少設(shè)備壽命或降低效率，甚至?xí)τ?jì)算機(jī)、通信、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置等設(shè)備造成工作失誤或性能劣化，可能導(dǎo)致越級跳閘而擴(kuò)大事故或者導(dǎo)致主變、線路跳閘。

可以看出高鐵電網(wǎng)電能污染不僅影響鐵路自身小局域電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定，也會通過牽引變電站對外部電網(wǎng)造成影響。無論是對自身電網(wǎng)還是對外部電網(wǎng)的影響，最終都會威脅到高鐵運(yùn)行的安全與穩(wěn)定。

高鐵電能質(zhì)量治理

高鐵電力系統(tǒng)的安全性、可靠性決定了高鐵列車運(yùn)行的安全性和可靠性。因此對高鐵電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測治理就顯得尤為重要了。高鐵的牽引變電站之間是相互獨(dú)立的，供電支之間也是相互隔離的，所以對高鐵電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測，就需要對每個(gè)供電支進(jìn)行在線式的監(jiān)測，然后匯總到后臺主機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)高鐵電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖9 高鐵電網(wǎng)

致遠(yuǎn)電子的E8300多回路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，廣泛應(yīng)用于全國各地各級變電站、電氣化鐵路、高耗能企業(yè)電能質(zhì)量的在線監(jiān)測。它可以長期在線式監(jiān)測電網(wǎng)電能的質(zhì)量，具有諧波與閃邊分析、電能波動與故障錄波、分量測量與電壓不平衡度分析、數(shù)據(jù)記錄與事件過程記錄等功能。圖10是致遠(yuǎn)電子電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置應(yīng)用方案圖。

圖10 電能質(zhì)量在線裝置應(yīng)用方案圖

對于監(jiān)測裝置和后臺主機(jī)之間的通信，即可采用有線也可以采用無線3G網(wǎng)絡(luò)，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將各監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)安全送到PQS子系統(tǒng)，管理人員可通過web遠(yuǎn)程查看和管理電能質(zhì)量系統(tǒng)。