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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電氣化鐵路讓中國版圖不斷“縮小”，在切實改變?nèi)藗兩畹耐瑫r其高速發(fā)展的成就舉世矚目。到2013年，我國高速鐵路運營里程達到11028 km，居****位。電網(wǎng)作為電氣化鐵路的動力承載，電能質(zhì)量問題無疑是至關(guān)重要的。

在近日的第七屆電能質(zhì)量研討會上，記者就電氣化鐵路發(fā)展問題專訪了西南交通大學錢清泉院士，讓錢院士與我們談談電氣化鐵路與電能質(zhì)量的那些事兒。

記者：錢院士您好!非常感謝您就電能質(zhì)量問題接受專訪。我們知道，在我國，電力部門對電氣化鐵道電能質(zhì)量的關(guān)注重點是諧波、負序和電壓偏差。我國電氣化鐵道牽引負荷是整流型負荷，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，其對電力系統(tǒng)和其它用戶產(chǎn)生的影響不容忽視。請錢院士介紹下我國電氣化鐵路電能質(zhì)量問題的現(xiàn)狀?

錢院士：到2013年，我國高速鐵路運營里程達到11 028 km，居****位。目前我國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，我國高速鐵路的建設，無論列車*高運行速度、行車密度，還是供電負荷大小，都達到世界**。改革開放以來，中國電力工業(yè)的發(fā)展也取得了舉世矚目的成就。無論是高速鐵路、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)展離不開電力工業(yè)的發(fā)展，軌道交通的發(fā)展又拉動了電力工業(yè)的發(fā)展。

我國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)所處均設置電分相。電分相造成列車速度和牽引力損失，列車過分相引起暫態(tài)過程對**運行產(chǎn)生**影響。同時，由于使用電力系統(tǒng)三相中的兩相分別通過供電臂向電力機車供電，為不對稱負荷，造成三相不平衡，即負序。

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

對于負序問題，牽引變壓器的接線方式對牽引負荷產(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，由于其自身特點限制，單純靠牽引變壓器無法消除三相不平衡。另外一種應用較多的是三相-兩相平衡接線方式，其特點是在牽引負荷滿足一定條件下，可將牽引側(cè)不對稱負荷變換為電力系統(tǒng)側(cè)三相對稱負荷。但是由于牽引負荷隨機車波動劇烈，完全滿足條件的幾率小，因此阻抗匹配平衡變壓器也不能完全消除牽引負荷引起的三相不平衡。

目前，我國高速鐵路牽引負荷的負序特點主要為牽引負荷大：客運專線的單列車功率可達23 000 kW;牽引主變安裝容量達到63 MVA以上，遠期甚至達到120 MVA。還有再生制動對供電系統(tǒng)的負序造成一定影響。一供電臂負荷牽引而另一供電臂負荷再生制動時產(chǎn)生的負序大于兩供電臂負荷同為牽引或制動的情況。高速鐵路牽引負荷比普速鐵路大，但同時電力系統(tǒng)供電能力也不斷增強，通常情況下能夠滿足高鐵供電需求。
關(guān)于電壓偏差的問題，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，電壓偏差一般滿足標準要求。普速鐵路大都采用110 kV電源供電，由于牽引負荷較小，在電網(wǎng)發(fā)達地區(qū)電壓偏差一般能滿足標準要求。對于電網(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，電壓偏差可能超標較多。

總體來說，對于諧波問題，可采用交直交機車減少牽引負荷諧波含量，及采取無源及有源等諧波補償技術(shù);對于負序問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供電臂負荷盡可能設計均衡，采用負序指標較好的牽引變壓器接線形式;對于電壓偏差問題，可以提高負荷功率因數(shù)，減小無功，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)量問題得到了顯著改善。

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

錢院士：對于高鐵的負序問題，在我剛剛的演講中有提到，高速鐵路牽引負荷比普速鐵路大，但同時電力系統(tǒng)供電能力也不斷增強，通常情況下能夠滿足高鐵供電需求。遠期隨著牽引負荷的進一步增大，的確存在以負序為主的電能質(zhì)量問題。此外，既有牽引供電系統(tǒng)還存在過分相引起的機電過程復雜，自動過分相結(jié)構(gòu)復雜，動作頻繁，壽命短，可靠性低;電分相造成的列車速度和牽引力損失等問題。為此，西南交通大學自1988年率先提出同相供電概念以來，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，為解決長期困擾電氣化鐵路的電分相和電能質(zhì)量兩大難題，奠定了基礎。

同相供電系統(tǒng)是指為電力機車或動車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)。西南交通大學自2007年起主持研究“十一五”國家科技支撐重大專項“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營，并于2011年7月17日高質(zhì)量通過科技部組織的驗收。此后，研究團隊通過深化研究發(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牽引負荷功率小于等于同相補償裝置容量的2倍時，牽引變壓器的同相補償裝置分別供給牽引負荷功率的1 / 2，此時負序電流得以完全補償，由此引起的三相電壓不平衡為零;當牽引負荷功率大于同相補償裝置容量的2倍時，同相補償裝置按自身額定容量供給牽引負荷功率，其余部分由牽引變壓器供給，此時有剩余負序電流流通，但產(chǎn)生的三相電壓不平衡度滿足國標要求。

2013年7月中國鐵路總公司簽發(fā)文件，由西南交通大學總體負責，在沙峪牽引變電所供電范圍內(nèi)開展單三相組合式同相供電技術(shù)試驗。初步安排2014年4月開始上線試驗，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，可大大提高列車運行的技術(shù)速度，提高線路通過能力;改善電氣化鐵路牽引負荷負序，滿足國標要求;提高牽引變壓器容量利用率;進一步增強牽引供電系統(tǒng)的節(jié)能效果。

記者：錢院士您長期從事鐵道電氣化與自動化領域的科研與教學工作，曾主持研制成功了我國**套電氣化鐵道多微機遠動監(jiān)控系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)可通過各被控站 RTU采集電網(wǎng)的靜態(tài)測量值，實現(xiàn)遙測。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SCADA系統(tǒng)在鐵路配電網(wǎng)中的應用是否也會將電能質(zhì)量指標納入監(jiān)測范圍，對改善電網(wǎng)電能質(zhì)量起到積極作用?

錢院士：應該是這樣，你剛剛講的**套SCADA系統(tǒng)已經(jīng)過去了很多年，今天的SCADA系統(tǒng)可能概念都已經(jīng)不一樣了，功能已經(jīng)強大多了，隨著科技的發(fā)展，這些功能當然會包含，包括剛剛講的同相供電，也有監(jiān)測、監(jiān)控功能。目前來講，SCADA系統(tǒng)的管理、信息共享等功能都已經(jīng)高度集成，目前我國國內(nèi)主要電氣化鐵路干線均采用西南交通大學研制的電力調(diào)度管理自動化系統(tǒng)，監(jiān)測點可以達到100多萬點。今后隨著科技發(fā)展，不僅是對電能質(zhì)量的監(jiān)控，還包括節(jié)能等各個方面的指標都應該納入進來，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、自動屏蔽門等5 ~ 6個系統(tǒng)均已經(jīng)高度集成，將來肯定是這個趨勢。

記者：電能作為一種商品，勢必存在質(zhì)量問題，而在電能的整個傳輸應用過程中，不僅電氣化鐵路是諧波源，建筑中的大量非線性負荷(如節(jié)能燈)也是諧波源，且建筑是能耗大戶，其能耗可能占到總發(fā)電量的40 %，所以雖然單個非線性負荷的影響看似很小但其總量十分驚人，不容忽視。目前無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源及有源濾波器進行綜合治理，均屬于問題發(fā)生后的補救性處理，錢院士認為在未來隨著技術(shù)的發(fā)展，是否會有更好的措施，可以在產(chǎn)品或設計源頭改善或解決電能質(zhì)量問題?
錢院士：肯定有，隨著科技的發(fā)展不斷會有新的技術(shù)應用到實際工程中，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序問題的一種前沿技術(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)量問題，但這是一個綜合的問題，不僅只有一個角度，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題。

節(jié)能是個永恒的主題，在建筑物中，以商場舉例，夏天空調(diào)溫度調(diào)得非常低，冬天又非常高，其實完全沒有這種必要，這些都是問題，浪費能源。按照現(xiàn)在的科技來講，應該很容易解決這些問題。那么對于大型的公共建筑，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)能達到70 %，這些技術(shù)都是上世紀90年代以后才開始應用的，從建筑節(jié)能來說，我覺得進步很大。

記者：錢院士您非常了解咱們建筑電氣領域的這些節(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)能問題。

錢院士：這些可以說都是我的親身感受。

記者：錢院士您作為我國鐵路電氣化自動化的老一輩工作者，親歷了我國電氣化鐵道的從無到有的逐步建設，為我國鐵道電氣化與自動化學科的發(fā)展和人才的培養(yǎng)做出了杰出貢獻。是值得我們尊敬與學習的老一輩科技工作者，*后請錢院士寄語建筑電氣行業(yè)的廣大一線科技工作者們。

錢院士：你們年輕一輩取得的成績我也感到十分驕傲，我想說的主要是**和奮斗兩點，還有就是踏踏實實地工作。當初我為何要投身我們國家的電氣化鐵路建設呢，主要還是響應國家四個現(xiàn)代化建設的號召，那么對于當前來說，國家強調(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：感謝錢院士接受本社的采訪!

錢清泉院士簡介

西南交通大學教授，長期從事鐵道電氣化與自動化領域的科研與教學工作;主持研制成功了我國**套電氣化鐵道多微機遠動監(jiān)控系統(tǒng)，在10多項國家、省部級重點工程中推廣應用;參與組織和籌建牽引動力國家重點實驗室，實驗室建成后通過國家驗收，達到世界先進水平。在電氣化智能監(jiān)控系統(tǒng)與綜合自動化研究領域取得了豐碩成果;獲十余項國家、省部級科技進步獎和國內(nèi)“五一”勞動獎章等榮譽;1997年當選為中國工程院院士。

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