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访中铁二院工程集团有限责任公司教授级高级工程师邓云川(图)
——访中铁二院工程集团有限责任公司教授级高级工程师邓云川
2014-09-01 10:50:59  作者:  来源:中国设计师网  
  •   5月8日,海外首次采用全套“中国技术标准”修建的电气化铁路——埃塞吉布提铁路在埃塞俄比亚东部城市德雷达瓦开始全面铺轨。这也是继上个世纪坦赞铁路之后,中国在海外修建的又一条跨国际铁路。这是否说明我国的电气化铁路建设水平已经达到国际领先水平?

  《电能质量》:5月8日,海外首次采用全套“中国技术标准”修建的电气化铁路——埃塞吉布提铁路在埃塞俄比亚东部城市德雷达瓦开始全面铺轨。这也是继上个世纪坦赞铁路之后,中国在海外修建的又一条跨国际铁路。这是否说明我国的电气化铁路建设水平已经达到国际领先水平?

  邓云川:我国电气化铁路技术建立在长期技术积累和实践基础上,已经形成了覆盖科研、设计、施工、设备和材料制造、检测、运营、维护、认证、管理等各方面完善的体系,同时也形成了涵盖上述方面的配套齐全的标准、规范和规定。相关技术是在引进、消化、吸收原苏联、德国、法国、日本等国家技术基础上的二次创新,是兼收并蓄、博采众长基础上的进一步发展,已经达到国际先进水平。我国电气化铁路技术对外输出经历了由局部配套到系统输出、由系统输出再到全套整体输出的发展历程,相关历程大约起步于上世纪90年代末,初期基本上为配套电气化的单一模式,土建或其他站后系统由外方承担,如伊朗德黑兰市郊铁路、乌兹别克斯坦既有线电气化改造等项目,后随着我国经济的发展、政治影响力的不断提升,站前及站后设计、施工、设备供货等EPC全套技术输出逐步成为项目主体,如委内瑞拉、埃塞、老挝、土耳其等项目。

  《电能质量》:随着电气化铁路建设蓬勃发展,请您谈谈目前我国的电气化铁路发展处于一个什么样的局势?未来规划如何?

  邓云川:目前我国电气化铁路的发展进入了一个新的阶段,随着近年来铁路建设的发展,高速电气化铁路、重载电气化铁路、山区大坡道电气化铁路、高寒高海拔电气化铁路等一批具有特殊技术要求和创新设计要求的电气化铁路投入运营,极大地推动了电气化铁路设计、施工、设备制造、运营管理等相关领域技术的进步和发展。对于工程技术而言,任何技术创新、进步和发展都需要通过工程实践和运营实践的检验,也只有通过不断总结、分析、解决工程实践和运营实践中出现的新的问题,才能够在新的技术平台上不断发展和进步,应该说,经过50多年的建设,我国电气化铁路已经有了很好的技术储备和技术基础,我国电气化铁路发展目前就处于需要对已经投运的电气化铁路在建设实践和运营实践中暴露出的问题进行系统总结、分析,寻求更为完善、先进技术解决方案的发展阶段。

  根据2004年国务院通过的《中长期铁路网规划》,到2020年中国铁路营业里程将达到10万公里,主要繁忙干线要实现客货分运、复线率和电气化率达到50%,随着铁路建设、特别是电气化铁路建设的蓬勃发展,2008年国家对《中长期铁路网规划》进行了调整,根据调整规划,到2020年,铁路营业里程将达到12万公里以上,复线率和电气化率分别达到50%和60%以上。

  《电能质量》:中国电气化铁路近年来取得了举世瞩目的成绩,但是因其负荷的特殊性,仍然不可避免地存在着相关的电能质量问题,主要存在哪些“疑难杂症”?

  邓云川:随着我国电力系统的发展,以往弱系统供电气化铁路带来的电压稳定性问题,基本解决;随着动态无功功率补偿技术和高功率因数车辆的采用,功率因数问题也逐步得到了解决;目前的问题更多的存在于负序和谐波。对于负序,由于电气化铁路采用单相工频交流供电方式,同时,牵引负荷受运输组织、坡度、速度、运行方式等诸多因素影响,左右两侧供电臂负荷几乎不可能完全一致,因此,即使采用平衡牵引变压器也无法从根本上解决负序问题;谐波问题在目前大量采用交流传动新型机车及动车的情况下,较以往有较大变化,传统3次、5次、7次等次数较低的谐波含有率大幅下降,但是次数较高的谐波含有率有所增加,谐波的频率范围也有所扩大,这主要是交流传动采用PWM(脉宽调制技术)、IGBT(触发频率达到2000Hz~4000Hz)带来的变化。随着外部电力系统以及牵引负荷的变化,在电能质量方面,出现了一些需要进一步研究、解决的问题,这里只谈三个方面的问题:一个是功率因数问题,传统电气化铁路产生的无功功率主要是感性无功,通常需要在牵引变电所配置并联电容补偿装置进行无功功率补偿,随着外部供电电压的提高(220kV、330kV)、AT供电方式的采用,出现了空载或轻载产生容性无功功率,导致功率因数无法满足要求,招致罚款的情况;另一个问题是谐波问题,新技术采用后,次数较高的谐波含有率有所增加,谐波的频率范围也有所扩大,在运营实践中,出现了牵引网参数的固有谐振频率与负荷谐波频率一致,产生牵引网谐振的情况;最后就是再生制动问题,新型机车通常采用再生制动,再生能量进入电网,导致电压升高、能量利用效率降低等问题,如何充分有效利用再生能量也是需要认真研究的课题。

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  《电能质量》:目前,我们主要采取哪些措施来减轻电气化铁路负荷对电力系统的谐波影响?

  邓云川:目前,采用传统直流传动电力机车的线路,在牵引变电所基本上设置了固定并联电容补偿装置或动态无功功率补偿装置(TCR方式应用居多),在补偿功率因数的同时,滤除部分高次谐波,当然,对于滤波而言,基本上为单调谐方式;对于采用新型交流传动电力机车的线路,由于机车采用PWM技术,负荷波形畸变程度有很大改善,目前没有采取进一步的滤波措施,通常在牵引变电所预留一定的场坪,如在运营实践中出现问题,再考虑采取相应措施。当然,随着技术的发展,应用同相供电、电子式牵引变压器等新技术解决电气化铁路谐波问题的研究和工程实践也一直在进行中。

  《电能质量》:高速铁路牵引动力对供电电能质量的影响有哪些?

  邓云川:高速铁路牵引动力对供电电能质量的影响主要在以下几个方面:一是对电压稳定性要求更高,新型交流传动车辆保证功率有效输出的工作电压范围为22.5kV~27.5kV,电压高于或低于这个范围,功率输出呈线性下降;二是负序问题,高速铁路牵引负荷较大,单列车负荷最高可以达到25MW左右,在采用单相工频交流供电制式的情况下,对系统的负序影响需要认真分析和研究;三是谐波问题,高速动车负荷中次数较高的谐波含有率有所增加,谐波的频率范围也有所扩大,需要考虑可能产生的谐振问题;四是再生制动产生的电压抬升和能量利用问题。

  《电能质量》:动态补偿装置在电气化铁路电能质量综合治理中的应用情况如何?

  邓云川:目前,在电气化铁路中,为解决传统直流传动电力机车线路功率因数问题和电压水平问题,大量采用了动态无功功率补偿装置,应用较多的是TCR方式、有载调压方式、磁饱和电抗器方式等,动态无功功率补偿装置通常由电抗调节支路或电压调节回路配合单调谐并联电容支路构成,具有一定谐波滤除能力;电气化铁路中也曾尝试应用SVG技术,但在若干试点项目中效果均不是很理想。为了解决电气化铁路谐波问题,也曾尝试使用多个单调谐支路构成的并联电容补偿装置以及高通滤波装置等,取得了一定的经验和效果。同相供电技术,作为综合解决负序、谐波、功率因数等电能质量问题的技术手段,正得到各方的重视,相关工程试点项目正在有序推进中。

  《电能质量》:牵引负荷影响电力系统电能质量的主要原因、途径、程度?

  邓云川:牵引负荷为移动性电力负荷,受运输组织、坡度、速度、运行方式等诸多因素影响,变化较为剧烈,这是产生电压波动的主要原因;与大多数国家相同,我国采用单相工频交流供电制式,单侧牵引负荷由单相供电,这是产生负序的主要原因;传统直流传动电力机车,采用直流电机作为牵引电机,交流电通过电力机车上整流回路、成为直流电供直流电机,整流回路采用大功率二极管或晶闸管等不控或半控元件,这使正常运行时,功率因数仅0.85左右,电压波形畸变严重,3次、5次、7次等谐波含量很高,这是产生功率因数及谐波问题的主要原因;对于新型交流传动电力机车,采用交流电机作为牵引电机,VVVF控制,PWM和四相限整流技术,有效解决了功率因数问题,电压波形畸变也有很大改善,传统次数谐波含量有所降低,次数较高的谐波含有率有所增加,谐波的频率范围也有所扩大。早期,由于我国电网较为薄弱、牵引负荷在局部电网负荷中所占比重较高,电压问题、负序问题、功率因数问题、谐波问题等较为突出,随着我国电网不断发展、牵引负荷在电网负荷中所占比重逐步下降,同时一大批新技术的采用,相关电能质量问题有所改善,但是,随着电气化铁路的发展,也出现了一些值得注意的新的问题。

  《电能质量》:电气化铁路中负序问题危害及治理如何?

  邓云川:电气化铁道为单相牵引负荷,在电力系统中产生负序电流,引起电力系统三相不对称运行。负序电流对同步发电机,电动机,电力变压器,送电线路、继电保护等的正常工作均有一定的影响,主要表现为降低设备的额定出力,产生附加振动、附加损耗和发热、保护误动或拒动等;负序电流对发电机的危害最大,主要是发电机转子的附加损耗及发热,其次是附加振动,定子各部分发热不均匀等。目前,电气化铁路主要采取牵引变电所相序轮换接入系统、采用Vv或平衡牵引变压器等措施减少对电力系统的负序影响,当然,应用同相供电、电子式牵引变压器等新技术治理负序危害的研究和工程实践也一直在有序进行。

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  《电能质量》:过电压问题对电气化铁路产生的危害及治理措施?

  邓云川:以往弱系统供电气化铁路通常会出现空载或轻负荷运行时,母线电压偏高,严重时,27.5kV侧超过31.5kV,导致并联电容补偿装置由于过电压保护无法投入运行、避雷器等电气设备绝缘损坏等一系列危及系统运行安全的情况出现,随着电力系统的发展,这种情况已经极少出现,电气化铁路也没有采取进一步的治理措施;在设置并联电容补偿装置的牵引变电所出现过投切并联电容支路,产生操作过电压,导致电容支路设备损坏的情况,对此,采取了调整并联电容支路感容抗比(电感感抗与电容容抗比)、采用SF6断路器、调整避雷器设置方案等措施,有效的解决了该问题;电气化铁路互感器,特别是27.5kV侧电压互感器受铁磁谐振影响,时有出现故障的情况出现,对此,采取了设置避雷器、熔断器等保护设备的措施,我认为可以进一步考虑研制适合于牵引供电系统的27.5kV电压互感器,铁心可考虑采用谐波特性较好的微晶合金,绝缘等级由目前普遍采用的F级提高到H级;受雷击过电压影响,牵引变电所出现过设备损坏甚至整所烧损的情况,为防护直接雷击过电压,牵引变电所设置了避雷针,为防护感应雷和雷电电磁脉冲的影响,牵引变电所高压侧(110kV或220kV侧)引入了避雷线,低压侧(27.5kV侧)设置了抗雷圈,交直流系统及二次系统分级设置了浪涌保护,二次电缆采用了屏蔽电缆等,对此,我认为需要进一步考虑的措施有:(1)牵引变压器高低压侧避雷器耐雷水平统一,27.5kV侧采用10kA耐雷水平避雷器;(2)牵引变电所27.5kV侧馈线设置进线段保护,进线段保护可以采用架设专用避雷线或架高回流线构成避雷线方式,同时进线段保护区段支柱接地电阻不应超过10Ω,两端应设置避雷器。

  《电能质量》:电气化铁路电能质量评估的标准依据有哪些?

  邓云川:目前,电气化铁路电能质量评估主要依据相关国家标准,主要有GB 12325、GB 12326、GB/T 14549、GB/T 15543、GB/T 15945、GB/T 18481等。对于谐波标准GB/T 14549,铁路部门与部分电力部门一直存在分歧,主要的分歧在于谐波电压畸变率限值以及是否将谐波电流含有率纳入考核。目前,国家有关部分正组织对GB/T 15543和GB/T 14549等相关标准进行修订。

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