格库电气化铁路接入对新疆电网电压不平衡影响分析及治理措施

克帕依吐·吐尔逊 焦春雷 李 明 陈 旭 许 雷

(1.国网新疆电力科学研究院 乌鲁木齐 830011；
2.新疆电力系统全过程仿真重点实验室 乌鲁木齐 830011；
3.国网新疆巴州供电公司 库尔勒 841000)

青海格尔木至新疆库尔勒的电气化铁路(以下简称“格库铁路”)沿线区域经过新疆巴州若羌片区，截至目前，巴州地区格库铁路牵引变电站共有10座。2020年12月9日，格库铁路通车运行后，因电铁负荷为非线性两相冲击性负载，造成若羌片区电压三相电压严重不平衡，且谐波超标，对末端电网220 kV塔东变、苏拉木变大用户正常用电及新能源发电造成严重影响，衍生出了若羌电网区域(图1)的电能质量问题，其谐波和三相电压不平衡对电网造成了电压波动等危害。其中包括若羌县某水泥有限责任公司被迫停产、中交集团伊若线隧道无法正常施工、金岳矿业电弧炉无法正常运行、国电投光伏一电站无法正常发电。本文通过电能质量评估方法评估各站点的谐波和三相电压不平衡度，依据计算结果提出相关治理措施，保障若羌片区部分重要用户正常生产及新能源场站正常发电[1-2]。

图1 若羌片区网架结构

2.1 以某水泥厂为例

某水泥厂在电动机投入运行后，水泥厂部分电动机跳闸。通过调取现场监控及兰泥线供电线路电能质量监测装置数据，可发现跳闸时刻110 kV母线电压最大不平衡度达到 4.32%，三相电压分别为115.4 kV、116.4 kV、123.1 kV。

某水泥厂部分电动机跳闸前，现场电压电流录波图如图2所示。从图2可以看出，负序电压最大值7.627 V时刻，正序电压为233.87 V，负序不平衡度为 3.26%，此时所对应的正序电流和负序电流分别为4.341 A、1.763 A，负序电流占正序电流的40.6%。显然，负序电压很小，负序电流却很大。但是负序电压满足电能质量对负序电压不平衡度测量最大值不超过4%的要求。

图2 某水泥厂部分电动机跳闸前的现场电压电流录波

对于这一现象产生的原因，本文进行如下分析。当电网电压三相不对称时，电动机产生的负序电流可用式(1)表示为

式中，为负序电流标幺值；
Kss为电动机启动电流倍数(通常电流启动倍数很大)。

式中，I2为电动机负序电流；
I1为电动机正序电流；
α为电压不对称系数。

式中，u2为电网电压负序分量；
u1为电网电压正序分量。由式(1)～(3)可得

式(4)解释了在较小的电压不对称度下会引起较大负序电流的原因。

根据GB/T 755—2019《旋转电机 定额和性能》中规定：三相交流电动机应能在三相电压系统的电压负序分量不超过正序分量的1%(长期运行)，或不超过1.5%(不超过几分钟的短时运行)且零序分量不超过正序分量 1%的条件下运行；
而 DL/T 1375—2014《电能质量评估技术导则 三相电压不平衡》中规定：对于电力系统公共连接点，供电电压负序不平衡度测量值的10 min方均根值的95%概率大值应不大于2%，所有测量值中最大值应不大于4%。可以看出电网负序电压不平衡度允许值大于电动机所能承受的负序电压的能力[3-4]。

某水泥厂380 V电动机配置的不平衡保护为：当三相电流中最大二相电流差与最大电流的比值大于不平衡系数(默认值为60%)，动作时间小于等于2 s，保护装置动作。工作人员前后将电动机负序电流保护定值从40%调至60%，再从60%调至70%，部分电机依然未躲过跳机风险。

按照国家标准GB/T 755—2019，某水泥厂380 V电动机即便在负序电压不平衡小于2%(大于1%)的要求范围内，依然无法正常运行，电网侧电能质量治理难度进一步增大。

2.2 牵引线路的相序、短路容量

表1为格库沿线各牵引变相序以及牵引线路2019年、2021年的短路容量。表1所列各牵引变相序为设计方提供资料，但目前由于没有任何施工后验收资料，无法确认相序的准确性，进而无法核实列车上行和下行供电臂[5]。

从表1短路容量数据可看出，2021年牵引变所处多数牵引线路的短路容量均小于 2019年的设计容量值，不满足列车运行条件。

表1 各牵引变所处牵引线路的相序、短路电流、短路容量

3.1 负序电压不平衡度数据对比

在省调进行调整若羌电网运行方式后，通过对110 kV QL变LN线、220 kV TD变塔M牵一线进行62 h的电能质量测试，并调整某水泥厂电动机不平衡度保护定值。由表2数据可以看出，从40%调至60%，再调整到70%，110 kV LN线的三相电压不平衡度虽有所下降，但效果不明显，电动机依然会跳闸，某水泥厂无法正常运营。

表2 运行方式调整前后负序电压不平衡度对比表

3.2 趋势对比

由图3～6可以看出运行方式调整后，若羌某水泥厂负序电压不平衡度从 5.16%减小到 4.32%，仍然不满足GB/T 755—2019的要求。且调整后110 kV TM 牵一线负序电压不平衡度从 6.33%增加到8.55%，影响了库格铁路的安全运行。

图3 运行方式调整前，110 kV LN线三相电压不平衡趋势

图4 运行方式调整后，110 kV LN线三相电压不平衡趋势

图5 运行方式调整前，110 kV M牵一线负序电流趋势

图6 运行方式调整后，110 kV M牵一线负序电流趋势

3.3 仿真计算

本次计算采用了中国电力科学研究院 PSASP程序电能质量计算模块，用三相电流源来模拟各牵引站高压侧向主网提供的三相不平衡电流，以此为依据，提出采取电网分列运行方式，达到增加电铁与常规用户负荷电气距离，减少电铁冲击负荷对常规用户的影响的目的[6-8]。

库格铁路牵引站单臂列车运行时，各牵引站最大臂电流见表3。

表3 各牵引站最大臂电流

各牵引站同时单臂运行且运行电流均为最大臂电流，不同运行方式下各站负序电压不平衡度见表4。

表4 不同运行方式下各站负序电压不平衡度

从表4可以看出，TD和LB同时分列运行，某水泥厂110 kV母线负序电压不平衡度从4.19%减小到2.19%，仍然不满足GB/T 755—2019的要求。如果某水泥厂由且末接带，则负序电压不平衡度满足GB/T 755—2019的要求，但其他变电站负序电压不衡度不满足DL/T 1375—2014的要求[9-10]。

高压链式SVG由多个H桥功率单元级联而成，连接方式有星接和角接两种，如图7所示。星接SVG每相桥臂承受相电压，而角接SVG承受线电压，在每个H桥功率单元工作电压相同情况下，角接SVG需要更多的功率单元串联，整体成本也更高。星接SVG星点电位浮动，无法实现三相电流独立控制，其不平衡电流补偿的能力受到极大限制[6]。而角接SVG可视为三个独立的单相SVG，三个桥臂电流可独立控制，可基于斯坦米兹平衡化补偿原理，实现不平衡电流补偿[11-13]。

图7 星接SVG与角接SVG拓扑

由于成本原因，新能源场站SVG一般选用星接拓扑，只具备无功补偿能力，而没有不平衡补偿的功能。

针对格库铁路引起的电压不平衡问题，可以加装角型SVG进行治理，SVG补偿三相电压不平衡原理见图8。电铁引起的谐波问题，需要另外加装谐波抑制设备，本文仅就治理不平衡问题所需要的SVG容量进行理论计算。

图8 SVG补偿不平衡电压示意图

4.1 负序电流选择原则

根据110 kV MA牵一线负序电流监测结果可以看出，由于铁路机车运行工况、电网运行方式等因素影响，牵引供电线路上的负序电流结果每天都会有差异，仅取某一天的测试结果不具有代表性。综合现场测试结果和谐波监测系统数据，确定三相电压不平衡超标牵引站供电线路的负序电流结果见表5(最大限值分别以4%和2.6%考虑)[14]。

表5 三相电压不平衡超标牵引站供电线路的负序电流结果

4.2 SVG安装位置及容量

4.2.1 安装于牵引站高压侧

SVG通过专用变压器Yy接法，接到牵引站高压侧母线上。电流应采集牵引站电流和SVG电流叠加后对应的CT[15-16]。

220 kV ZW牵一线、220 kV ZN牵一线负序电流为24 h实测值，不具有代表性，建议容量整定按照周期性最大工况考虑。按照 GB/T 15543—2008条款 4.2要求及上述负序电流补偿基本原理，各牵引站SVG配置容量计算结果见表6。

表6 各牵引站SVG补偿容量 MVar

4.2.2 安装于牵引站低压侧

亦可将角型结构的链式 SVG加装在电铁牵引变低压侧，即27.5 kV侧，如图9所示。

图9 SVG加装在电铁27.5 kV侧示意图

将SVG加装在电铁27.5 kV侧，根据斯坦梅兹策略，SVG配置容量与配置在牵引变高压侧容量一致，但可减少专用变压器的投资，从经济性的角度要优于将SVG安装在电铁高压侧[17-18]。

4.2.3 安装在电网侧

SVG可通过专用变压器Yy接法，接到电网侧变电站牵引线路对应电压等级母线上(如110 kV牵引线路则接到110 kV母线)。电流应采集母线电流和SVG电流叠加后对应的CT。

考虑到电网侧负序电流补偿量为各个牵引站线路负序电流之和，即电网侧对应母线三相电压不平衡值，由于国网谐波监测系统中TD变和SLM变该项指标均存在问题，此处容量整定采用24 h实测数据计算值不具有代表性，建议实际容量整定按照周期性最大工况考虑。按照 GB/T 15543—2008条款4.1要求，结合公式

基于上述负序电流补偿基本原理，各牵引站SVG配置容量计算结果见表7。

表7 牵引牵引站SVG配置容量计算结果

4.3 方案对比及建议

对于采用V/V接线方式的牵引变电站，在牵引变压器二次侧安装角接 SVG可实现对负载负序电流完全补偿，在负序电流产生的源头进行治理，符合“谁污染谁治理”的原则。无需专用升压变压器，补偿方式具有一定的经济性[11]。补偿后牵引变压器的利用率可以提高，同时牵引网母线电压也可更稳定，铁路负载的运输效率也可得到提升[19]。

在电网侧装设SVG控制变量太多(如220 kV塔东变 110 kV侧有两条电铁牵引线路、两个光伏厂站、四条到110 kV变电站的线路)，SVG控制策略及逻辑较为复杂，且SVG治理效果有待验证[13-14]。在牵引站侧装设 SVG控制变量仅为牵引变高压或低压侧电流及SVG电流，控制输出牵引线路电流即可，技术较为成熟[20]。

(1) 根据实测结果，TD分列运行后，某水泥厂负序电压不平衡度从 5.16%减小到 4.32%，不满足GB 755—2019《旋转电机 定额和性能》中对三相交流电动机在三相电压系统的电压负序分量的要求，某水泥厂无法正常运行。

(2) 根据仿真结果，某水泥厂由且末转带，则负序电压不平衡度满足GB 755—2019的要求，但会造成110 kV QL变、ZY变等变电站负序电压不衡度增大，不满足DL/T 1375—2014的要求。

(3) 调整电网运行方式并不能从根本上解决三相电压不平衡的问题，建议铁路方面采取措施进行治理。

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