（中交铁道设计研究总院有限公司 北京 100088）
摘要：由中国交建承建的肯尼亚蒙内铁路目前已运营，牵引种类为内燃。但在2015年前后，肯尼亚政府要求牵引类型实现一次性电气化。此文是当时对一次电气化进行的可行性论证，通过建立计算模型，对电网要求的各项指标进行计算，对可能存在的问题进行分析。
1.肯尼亚电力基础设施现状
肯尼亚位于非洲东部地区，是撒哈拉以南非洲经济基础较发达的少数国家之一，但其电力缺乏，输配电网较为落后，尤其是配电系统很落后、线损大，中低压电气设备自动化程度低，电网安全运行的隐患大。肯尼亚目前总的发电装机容量约为160万kW，用电峰值达到150万kW，无法满足电力系统稳定运行的要求。据世界银行统计，全国仅有100万户家庭用上电，仅占全部家庭总数的18%。
目前东非共同体国已经达成协议，将在近几年完成电网的互联，使电力短缺时相互支援。肯尼亚已与水资源较丰富的邻国埃塞俄比亚签署协议，进口400兆瓦电力。然而，由于肯方缺乏输电基础设施，导致协议延迟执行。
总的来看，目前肯尼亚的电力系统总体较薄弱，供电系统的升级改造需要较多资金和较长时间。
2.蒙内铁路一次性电气化对外电要求的技术分析
目前蒙内铁路主要技术标准中，牵引种类为内燃，牵引机车为DF4D（货）、DF8B（客），而肯方政府认为本项目具备一次性电气化的要求，电气化拟采用SS4B双机牵引，就此在技术上对可能存在的问题进行分析，建立计算模型，对电网要求的各项指标进行计算。
2.1 外部电源进线数目
电气化铁路为一级负荷，应由双重电源供电，当一路电源发送故障时，另一路电源不应同时损坏。
以埃塞俄比亚Addis Ababa～Djibouti 铁路 Sebeta～Adama～Mieso段的9座牵引变电所为例，原设计为 132kV 侧引入两路独立进线电源、分支接线方式，但根据埃塞电网情况，外电进线数目很难满足此设计要求。由此，在埃塞铁路公司召开的关于牵引变电站和外部供电集成的会议上，埃塞电力公司要求牵引变电所外部电源按环进环出方式设计，而这种方式严重影响系统的可靠性。
相比埃塞俄比亚，肯尼亚存在电力供应缺口，既有电网建设也较薄弱，据此我们推断目前蒙内铁路实施电气化也会出现独立电源进线数目不足的问题。
2.2 电压波动
根据国家标准《电能质量 电压波动和闪变》（GB/T 12326-2008）的规定，任何一个波动负荷用户在电力系统公共连接点产生的电压变动，其限值和电压变动频度、电压等级有关。
牵引机车引起的电压波动主要是由其进、出供电区时内部变压器合、分闸励磁涌流造成。蒙内铁路远期列车对数为29对/天，根据列车速度、站距等估算出牵引变电所的电压波动频度处于10和100之间。根据电压波动限值的标准可知，牵引变电所的电压波动限值为1.5%。
拟采用SS4B牵引机车有功功率2×6.4MW，机车功率因数为0.8，则视在功率为16MVA。以牵引变电所两臂各有一辆机车同时启动计算，由于机车启动功率不大于额定功率，可知两侧供电臂的无功功率冲击皆不大于16Mvar。
根据供电系统理论可得，牵引变电所高压侧三相无功功率冲击由式（1）计算。
由上可得，牵引变电所高压侧无功功率冲击值为16MVA。
根据国家标准《电能质量 电压波动和闪变》（GB/T 12326-2008），在高压电网中，电压变动为
按电压波动限值1.5%计算出最小短路容量为1067MVA。
2.3电压不平衡度
由于牵引负荷为单相负荷，当三相电力系统向其供电时，将在电力系统中引起负序问题。
中国标准中的规定：接于公共接点的每个用户引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不得超过2.6%。
考虑采用三相V/V接线型式变压器，根据供电系统理论可得，牵引机车运行时输入供电系统的基波负序电流为：
当公共连接点的正、负序阻抗相等时，负序电压不平衡度为：
（4）
式中：I-为负序电流值，A；Ssc为公共连接点的三相短路容量，VA；UL为线电压，V。
按短时不超过2.6%计算，所接入公共连接点的短路容量最低要求为1732MVA。
2.4 谐波
电气化铁路谐波产生的根源是电力机车，机车种类对谐波水平具有决定性影响。
根据国家标准《电能质量 公用电网谐波》（GB/T 14549-93）中110kV电网公共连接点的各次谐波电流允许值的规定，110kV电网公共连接点的各次谐波电流允许值如表1所示。
表1 注入公共连接点的谐波电流允许值
上述标准中说明，当电网公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，表1中的谐波电流允许值按式（5）修正，并规定在公共连接点处第i个用户的第h次谐波电流允许值还需按用户用电协议容量和电站供电设备容量的比值进行折算。
SS4B机车为交-直机车，产生的特征谐波次数为3、5、7等奇次谐波。对于机车回路加装补偿装置的机型来说，3次谐波含量为基波的10%，5次谐波含量为基波的8%，7次谐波含量为基波的5%。
由于肯尼亚电网弱，地方电站普遍装机容量较小，此次估算暂不考虑其他地方负荷的谐波注入，不考虑折算问题。以上述模型为例，即机车带电电流约为650A左右，两供电臂负荷电流相等，对各个谐波源的同次谐波进行叠加，计算结果为：3次谐波，注入谐波电流为39.8A，要求最小短路容量3109MVA；5次谐波，注入谐波电流为31.8A，要求最小短路容量2484MVA；7次谐波，注入谐波电流为19.9A，要求最小短路容量2195MVA。
牵引变电所一般采用无功补偿装置兼做滤波，据经验可滤掉约50%~60%的谐波电流，从而降低一半对短路容量的需求。也可以在牵引变电所内加装滤波装置，以避免流入电网的谐波电流超标，但这会增加设备投资及变电所的场坪面积。
3.总结
总的来说，谐波问题还可以就地治理，而电压波动和三相不平衡问题完全得看电网本身的承受能力。肯尼亚电网能力可以参照内蒙较偏远地区，而其110kv短路容量也在1000MVA左右，是无法满足上述指标要求的。肯尼亚目前的电网还是比较薄弱的，从电网能力上要满足蒙内铁路项目电气化的牵引要求还是有一段距离的。
综上所述，肯尼亚电网较薄弱，电网能力上要满足蒙内铁路项目电气化的牵引要求还是有一段距离的，是存在技术风险的。这不仅影响到铁路运输，还可能影响肯尼亚电网的安全运行。目前采用内燃方案能够满足近期的运输要求。建议当后期运量增加且肯尼亚电网的规划建设更加完善时，再行考虑开展电气化的改造工作。
参考文献：
[1] 《肯尼亚风电发展前景分析》，《风能》 2015年5期
[2] 谭秀炳，刘向阳.交流电气化铁道牵引供电系统[M].西南交通大学出版社，2007.
论文作者:吴俊军1,李芸2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/9
标签：谐波论文; 肯尼亚论文; 电网论文; 电压论文; 电流论文; 接点论文; 变电所论文; 《电力设备》2018年第6期论文;