電網(wǎng)電能質(zhì)量對(duì)高鐵運(yùn)行的影響

2016 年 8 月 13 日，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)。

到 2020 年，中國(guó)將新建高速鐵路 1．6 萬(wàn)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(duì)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(dòng)原理。

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。

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。

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(huì)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。

高鐵驅(qū)動(dòng)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(dòng)力，基本原理為：高速列車通過受電弓與接觸網(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(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)車輪運(yùn)行。

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(duì)于三相對(duì)稱的電力系統(tǒng)來說，高鐵牽引負(fù)荷具有波動(dòng)性、非線性、不對(duì)稱性等特點(diǎn)。

1、負(fù)荷波動(dòng)與沖擊 列車在運(yùn)行中的加速、惰行、制動(dòng)等因素都會(huì)引起牽引變電站負(fù)荷的波動(dòng)，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(dòng)和沖擊是非常巨大的，巨大的負(fù)荷波動(dòng)和沖擊會(huì)引起電網(wǎng)電壓的異常波動(dòng)。

2、非線性從高鐵的驅(qū)動(dòng)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(huì)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(huì)產(chǎn)生大量的諧波。

3、不對(duì)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(duì)于三相電網(wǎng)來說，屬于不對(duì)稱性負(fù)荷，會(huì)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。

高鐵電能質(zhì)量危害

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(dòng)等電能污染，對(duì)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(duì)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(huì)造成設(shè)備損壞， 減少設(shè)備壽命或降低效率，甚至?xí)?duì)計(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(jí)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(huì)通過牽引變電站對(duì)外部電網(wǎng)造成影響。無論是對(duì)自身電網(wǎng)還是對(duì)外部電網(wǎng)的影響，最終都會(huì)威脅到高鐵運(yùn)行的安全與穩(wěn)定。