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，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。
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)在高鐵運行時速達到300km/h，提速至350km/h的呼聲也在不斷增強。
高鐵的安全穩(wěn)定運行與高鐵電網(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。基本原理為：牽引變電站為整個牽引系統(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”來進行劃分的，平均數(shù)十千米/座。每個變電站伸出兩個供電支，提供不同相的電流。列車經(jīng)過兩個變電站的“供電段”時，先后通過A1-B1-A2-B2四個供電支。為保證供電安全，每個供電支之間采用電氣絕緣（隔離）的結(jié)構(gòu)設(shè)計，因此各供電支之間不會短路。列出從一個供電支運行到另一個供電支是瞬時完成的。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。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，通過傳動系統(tǒng)帶動車輪運行。
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荷，對于三相對稱的電力系統(tǒng)來說，高鐵牽引負荷具有波動性、非線性、不對稱性等特點。
1、負荷波動與沖擊
列車在運行中的加速、惰行、制動等因素都會引起牽引變電站負荷的波動，特別是列車從一個供電支變換到另一個供電支時，其瞬間造成的負荷波動和沖擊是非常巨大的，巨大的負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小時內(nèi)有功功率變化情況，可以看出高鐵牽引變電站負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供電，這是一個非線性的過程，不可避免的會產(chǎn)生的大量的諧波。此外，整個列車電源還要向車內(nèi)的空調(diào)、照明等非線性負荷供電，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)兩個供電支的負荷不可能保持一致，因此對于三相電網(wǎng)來說，屬于不對稱性負荷，會產(chǎn)生負序電流，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
圖8 運行中的高鐵
高鐵在行駛過程中產(chǎn)生的諧波、負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“背景負荷”產(chǎn)生的的負序源疊加，使得系統(tǒng)內(nèi)部電網(wǎng)的3次、5次諧波在諧振時嚴(yán)重放大，進而導(dǎo)致電網(wǎng)故障；
影響電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運行：高鐵牽引負荷產(chǎn)生的諧波和負序分量會造成設(shè)備損壞，減少設(shè)備壽命或降低效率，甚至?xí)τ嬎銠C、通信、電力系統(tǒng)繼電保護裝置等設(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，就需要對每個供電支進行在線式的監(jiān)測，然后匯總到后臺主機，進而實現(xiàn)對整個高鐵電網(wǎng)的實時監(jiān)測。
圖9 高鐵電網(wǎng)
致遠電子的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)測點的數(shù)據(jù)安全送到PQS子系統(tǒng)，管理人員可通過web遠程查看和管理電能質(zhì)量系統(tǒng)。