摘要：多線合用牽引變電所運行條件復(fù)雜,實測數(shù)據(jù)更能反映牽引變電所真實的運行狀況。首先分析了牽引變所功率因數(shù)、三相電壓不平衡、諧波等電能質(zhì)量問題,然后基于實測數(shù)據(jù)對合蚌客專3座牽引變電所電能質(zhì)量進(jìn)行了分析。通過分析得出,牽引變電所電能質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求,但是個別變電所存在高次諧波諧振問題。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路;電能質(zhì)量;實測數(shù)據(jù)

0、引言

電氣化鐵路電能質(zhì)量問題一直以來備受關(guān)注,牽引變電所電能質(zhì)量評估是新建鐵路開通前的重要內(nèi)容,但是電能質(zhì)量評估中采取的各類數(shù)據(jù)是理論計算值,并不能真實反映電氣化鐵路實際運行情況。特別是當(dāng)鐵路開通后,有其他線路接入,牽引變電所的運行條件發(fā)生了重大改變,這時需要對牽引變電所實際運行數(shù)據(jù)進(jìn)行測量,利用實測數(shù)據(jù)對牽引變電所電能質(zhì)量進(jìn)行分析和評估。

1、概況

合肥至蚌埠客運專線(以下簡稱合蚌客專)由京滬高鐵蚌埠南站引出,終于合肥樞紐合肥站,與水蚌線、淮南線、商合杭高鐵、合福鐵路等多條鐵路或交叉或并行,牽引供電系統(tǒng)采用AT供電方式,新建劉府、水家湖、邵崗3座牽引變電所。為了實現(xiàn)資源共享,節(jié)省工程投資,根據(jù)線位特點,3座牽引變電所同時為多條鐵路供電:劉府牽引變電所為合蚌客專、水蚌線供電;水家湖牽引變電所為合蚌客專、水蚌線、淮南線、商合杭高鐵供電;邵崗牽引變電所為合蚌客專、淮南線、商合杭高鐵、合福鐵路供電。合蚌客專線路及牽引變電所分布示意圖如圖1所示。

圖1線路及牽引變電所分布示意圖

合蚌客專線路情況復(fù)雜,電力機(jī)車類型多,AT供電方式和直接供電方式并存,給理論分析帶來困難,因此本文對合蚌客專牽引變電所220kV側(cè)三相電壓、電流和27．5kV母線電壓和電流以及饋線電流等實時運行數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集,并基于實測數(shù)據(jù)對牽引變電所功率因數(shù)、三相電壓不平衡和諧波等電能質(zhì)量問題進(jìn)行了分析。

1. 功率因數(shù)

2.1功率因數(shù)影響因素

牽引變電所功率因數(shù)主要受三個方面影響。

(1)交直型電力機(jī)車。交直型電力機(jī)車(如SS系列)功率因數(shù)在0．8左右,交直交型電力機(jī)車(如和諧號、復(fù)興號、HXD等)功率因數(shù)在0．97以上。目前,交直型電力機(jī)車僅在部分普速電氣化鐵路中運行,交直交型電力機(jī)車所占比例越來越高,相關(guān)的文獻(xiàn)分析結(jié)果表明,在兩種電力機(jī)車混跑的線路中,交直型電力機(jī)車所占比例達(dá)到22．9％時,牽引變電所的功率因數(shù)降到0．9。

(2)分布式容性電流。接觸網(wǎng)為長距離輸電線路,會產(chǎn)生分布式容性電流。以一個雙線電氣化鐵路牽引變電所為例,若變電所有4回AT饋線,供電臂長度為25km,架空接觸網(wǎng)單位電容電流參照35kV線路為0．18A/km,則變電所27．5kV側(cè)電容電流為0．18×25×4＝18A,折算到220kV側(cè)為4．5A,產(chǎn)生的無功功率為1714kvar.

雖然架空線路產(chǎn)生的無功功率相對于機(jī)車功率小,但是當(dāng)線路上開行的列車對數(shù)少,線路空載率過高時,牽引變電所全天功率因數(shù)會降低。

(3)無功功率計量方式。牽引變電所全天功率因數(shù)可分為“返送反計"“返送不計"“返送正計"三種計量方式。

由式(1)~(3)可以看出,3種牽引變電所功率因數(shù)計算方式差異較大,“返送正計"方式功率因數(shù)*低。

2.2實測數(shù)據(jù)分析

合蚌客專3座牽引變電所功率因數(shù)的實測值如圖2~4所示。由于牽引變電所供電線路的機(jī)車均為交直交型電力機(jī)車,牽引變電所功率因數(shù)保持在較高的水平,實測值也可以反映這一點,其中功率因數(shù)為負(fù)值對應(yīng)的時刻是機(jī)車在運行過程中的再生制動工況。

圖2劉府牽引變電所功率因數(shù)實測值

圖3水家湖牽引變電所功率因數(shù)實測值

圖4邵崗牽引變電所功率因數(shù)實測值

3座牽引變電所全天功率因數(shù)統(tǒng)計見表1,在“返送反計"“返送不計"方式下,3座牽引變電所功率因數(shù)都達(dá)

由圖2~4可以看出,劉府牽引變電所存在較長時間的線路空載情況,而水家湖和邵崗牽引變電所幾乎不存在空載情況,這是由于水蚌線還未開通,劉府牽引變電所目前只為合蚌客專一條鐵路供電,而水家湖和邵崗牽引變電所則同時為3條鐵路供電。從表1可知,受空載線路分布式容性電流影響,劉府牽引變電所功率因數(shù)小于其他2座變電所。

表1牽引變電所全天功率因數(shù)

1. 三相電壓不平衡

3.1牽引變電所負(fù)序影響分析

牽引變電所采用V/X牽引變壓器,其原理如圖5所示,高壓側(cè)接入電力系統(tǒng)220kV三相電源,二次側(cè)設(shè)2臺單相變壓器,分別為變電所α和β兩側(cè)供電臂供電,其中每個單相變壓器設(shè)有T和F繞組,二次側(cè)Tα、Tβ之間,Fα、Fβ之間電壓相位相差60°。

圖5VX接線變壓器原理圖

通過分析一次側(cè)電流與二次側(cè)負(fù)載電流關(guān)系,并采用對稱分量法對一次側(cè)三相電流進(jìn)行分解,可得負(fù)序電流

為：

(4)式中,k為變壓器一次側(cè)和二次側(cè)繞組匝數(shù)比,對于220/2×27．5kV變壓器,k＝8。

根據(jù)GB/T15543－2008,電壓不平衡度為:3。I2。ULεU2＝Sk×100％(5)由式(5)可知,牽引變電所電壓不平衡度受負(fù)序電流I2和接入點的系統(tǒng)短路容量Sk影響。根據(jù)式(4),負(fù)序電流I2與變電所兩側(cè)負(fù)荷電流有關(guān)。系統(tǒng)短路容量Sk則由電力系統(tǒng)決定。

3.2實測數(shù)據(jù)分析

通過測量變電所220kV側(cè)三相電壓的幅值和相位,用對稱分量法分別求出正序分量、負(fù)序分量,然后計算出負(fù)序電壓不平衡度,將獲得的24h數(shù)據(jù)繪制成電壓不平衡度曲線,如圖6~8所示,其95％概率較大值和較大值見表2。根據(jù)GB/T15543－2008?電能質(zhì)量三相電壓不平衡?規(guī)定,接于公共連接點的每個用戶引起的該點負(fù)序電壓不平衡度允許值一般為1．3％,短時不超過2．6％。因此牽引變電所三相電壓不平衡度滿足規(guī)范要求。

圖6劉府牽引變電所220kV側(cè)電壓不平衡度

圖7水家湖牽引變電所220kV側(cè)電壓不平衡度

圖8邵崗牽引變電所220kV側(cè)電壓不平衡度

表2牽引變電所220kV側(cè)電壓不平衡度

4、諧波

4.1電力機(jī)車諧波特性

牽引供電系統(tǒng)中的主要諧波源是電力機(jī)車。由于交直型機(jī)車采用不可控二極管變流,因此機(jī)車牽引電流含有豐富的奇次諧波,但基本上集中在3、5、7次等低次范圍。交直交型機(jī)車由于采用PWM技術(shù),大大降低了諧波含量,但諧波頻譜較寬,含有低次和高次諧波。其中,低次諧波主要由牽引電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法引起,主要分布在3、5、7、9次;高次諧波主要由PWM算法引起,與開關(guān)頻率有關(guān),由于不同車型的開關(guān)頻率不同,高次諧波特性也不盡相同,如CRH2、CRH380A、HXD3等車型的高次諧波主要分布在50、100次附近,CRH3、CHR380B、HXD1等車型的高次諧波主要分布在35、70次附近。不同型號的列車在線路上同時運行,會給系統(tǒng)帶來含量豐富且頻帶分布多樣的諧波,也會較大諧波諧振動概率。

4.2諧波電壓總畸變率

合蚌客專3座牽引變電所各相諧波電壓總畸變率實測值見表3。根據(jù)GB/T14549－1993,220kV公用電網(wǎng)諧波電壓限值為2％,諧波測量的數(shù)據(jù)取測量時段內(nèi)各相實測值的95％概率值中*大的一相值作為判斷諧波是否超過允許值的依據(jù)。

表3牽引變電所220kV側(cè)諧波電壓總畸變率

由表3可知,合蚌客專3座牽引變電所諧波電壓總畸變率滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求,水家湖變電所B相和C相諧波電壓畸變率較大值超過2％,存在諧振的可能。

4.3諧波頻譜特性

由表3可以看出,劉府牽引變電所B相、水家湖牽引變電所B相、邵崗牽引變電所A相諧波電壓總畸變率95％概率值是各相中*大的,諧波畸變率實測曲線如圖9、圖10、圖11所示,諧波電壓總畸變率95％概率大值附近9個點對應(yīng)的頻譜如圖12、圖13、圖14所示。

圖9劉府牽引變電所B相電壓總諧波畸變率

圖10水家湖牽引變電所B相電壓總諧波畸變率

圖11邵崗牽引變電所A相電壓總諧波畸變率

圖12劉府牽引變電所B相電壓諧波頻譜

圖13水家湖牽引變電所B相電壓諧波頻譜

圖14邵崗牽引變電所A相電壓諧波頻譜

由諧波頻譜可以看出,劉府和邵崗牽引變電所電壓諧波主要集中在5、7、13次低次諧波;水家湖牽引變電所諧波主要是3、5、7、13次低次諧波和40至50之間高次諧波,還有兩個點出現(xiàn)了21至35次諧波。

4.4諧振

水家湖牽引變電所C相電壓總諧波畸變率實測曲線如圖15所示,可以看出水家湖牽引變電所發(fā)生了密集的諧振,尤其在16時左右和21時左右發(fā)生了嚴(yán)重的諧振,諧波含量超過了2％;其頻譜如圖16所示,25次諧波發(fā)生諧振。

圖15水家湖牽引變電所C相電壓總諧波畸變率

圖16水家湖牽引變電所諧振諧波頻譜

5、安科瑞AcrelCloud-1000變電所運維云平臺

5.1概述

基于互聯(lián)網(wǎng)＋、大數(shù)據(jù)、移動通訊等技術(shù)開發(fā)的云端管理平臺，滿足用戶或運維公司監(jiān)測眾多變電所回路運行狀態(tài)和參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境溫濕度、電纜及母線運行溫度、現(xiàn)場設(shè)備或環(huán)境視頻場景等需求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)一個中心，集中存儲、統(tǒng)一管理，方便使用，支持具有權(quán)限的用戶通過電腦、手機(jī)、PAD等各類終端鏈接訪問、接收警報，并完成有關(guān)設(shè)備日常和定期巡檢和派單等管理工作。

5.2應(yīng)用場所

適用于電信、金融、交通、能源、醫(yī)用衛(wèi)生、文體、教育科研、農(nóng)林水利、商業(yè)服務(wù)、公用事業(yè)等行業(yè)變配電運行維護(hù)系統(tǒng)的新建、擴(kuò)建和改建。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)可分為四層：即感知層、傳輸層、應(yīng)用層和展示層。

感知層：包含變電所安裝的多功能儀表、溫濕度監(jiān)測裝置、攝影頭、開關(guān)量采集裝置等。除攝影頭外，其它設(shè)備通過RS485總線接入現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)RS485端口。

傳輸層：包含現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)和交換機(jī)等設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)主動采集現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)備的數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲，并通過交換機(jī)把數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端口，網(wǎng)絡(luò)故障時數(shù)據(jù)可存儲在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務(wù)器端數(shù)據(jù)不丟失。

應(yīng)用層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，若變電所數(shù)量小于30個則應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以合一配置。服務(wù)器需要具備固定IP地址，以接收各智能網(wǎng)關(guān)主動傳送過來的數(shù)據(jù)。

展示層：用戶通過手機(jī)、平板、電腦等多終端的方式訪問平臺信息。

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1用能月報

用能月報支持用戶按總用電量、變電站名稱、變電站編號等查詢所管理站所的用電量，查詢跨度可設(shè)置為月。

5.4.2站點監(jiān)測

站點監(jiān)測包括概況、運行狀態(tài)、當(dāng)日事件記錄、當(dāng)日逐時用電曲線、用電概況。

5.4.3變壓器狀態(tài)

變壓器狀態(tài)支持用戶查詢所有或某個站所的變壓器功率、負(fù)荷率、等運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，支持按負(fù)荷率、功率等升、降序排名。

5.4.4運維

運維展示當(dāng)前用戶管理的有關(guān)變電所在地圖上位置及總量信息。

5.4.5配電圖

配電圖展示被選中的變電所的配電信息，配電圖顯示各回路的開關(guān)狀態(tài)、電流等運行狀態(tài)及信息，支持電壓、電流、功率等詳細(xì)運行參數(shù)查詢。

5.4.6視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控展示了當(dāng)前實時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。

5.4.7電力運行報表

電力運行報表顯示選定站所選定設(shè)備各回路采集間隔運行參數(shù)和電能抄表的實時值及平均值行統(tǒng)計。

5.4.8警報信息

對平臺所有警報信息進(jìn)行分析。

5.4.9任務(wù)管理

任務(wù)管理頁面可以發(fā)布巡檢或消缺任務(wù)，查看巡檢或消缺任務(wù)的狀態(tài)和完成情況，可以點擊查看任務(wù)查看具體的巡檢信息。

5.4.10用戶報告

用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據(jù)，對變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、警報事件等進(jìn)行統(tǒng)計分析，并列出在該周期內(nèi)巡檢時發(fā)現(xiàn)的各類缺失及處理情況。

5.4.11APP監(jiān)測

電力運維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)備檔案"、“待辦事項"、“巡檢記錄"、“缺失記錄"、“文檔管理"和“用戶報告"七大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件警報查詢，設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢、用戶報告、文檔管理等。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6、結(jié)語

由合蚌客專3座牽引變電所電能質(zhì)量實測數(shù)據(jù)的分析可知,采用交直交電力機(jī)車后,牽引變電所功率因數(shù)得到了顯著提高,諧波含量也大為降低,同時牽引變電所外部電源采用220kV后,系統(tǒng)容量的提升使?fàn)恳冸娝?fù)序問題得到了解決,在電力部門和鐵路部門的不斷努力下,電氣化鐵路電能質(zhì)量問題已經(jīng)得到了較大的改善由于牽引網(wǎng)分布容性電流,對于一些列車對數(shù)不多的電氣化鐵路,如新建線路在初期運行時,有可能存在功率因數(shù)過低的情況。另外,對于多條鐵路共用牽引變電所,尤其是樞紐牽引變電所,由于車型多,注入的諧波電流頻帶寬,發(fā)生諧振動的概率較大,應(yīng)注意諧振引起的諧波超標(biāo)問題,嚴(yán)重時應(yīng)采取治理措施。

參考文獻(xiàn)

[1]劉華,馮金博．牽引網(wǎng)分布電容對牽引變電所功率因數(shù)的影響[J]．建筑工程技術(shù)與設(shè)計,2014(2):581G582．

[2]陳飛．新建時速200km客貨共線鐵路綜合功率因數(shù)計算[J]．鐵道工程學(xué)報,2007(4):65G68．

[3]方策,吳命利．京滬高鐵周立營牽引變電所電能質(zhì)量治理測試分析[J]．電氣技術(shù),2017(12):71G75．

[4]黃建平．合蚌客專牽引變壓器選型[J]．山西電力,2017(1):68G72．

[5]寧玉琳,陳國慶,閆紅宇．城際鐵路牽引變電所無功功率補(bǔ)償研究與應(yīng)用[J]．電氣化鐵道,2016(4):40G42．

[6]趙曉琳．不同接線牽引變壓器負(fù)序特性及補(bǔ)償方案研究[D]．北京:北京交通大學(xué),2014．

[7]余新才,彭昌勇,施通勤,等．CRH2型電力機(jī)車建模與諧波電流分析[J]．武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2012,45(1):107G110．

[8]李欣．CRH380A型高速動車組諧波特性分析與建模[D]．成都:西南交通大學(xué),2016．

[9]邵洋．樞紐牽引供電系統(tǒng)諧振與諧波特性分析及治理研究[D]．

[10]黃建平.多線合用牽引變電所電能質(zhì)量實測分析

[11]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用設(shè)計,2019,11版。

作者簡介

陳德信，男，現(xiàn)任職與安科瑞電氣股份有限公司，手機(jī)：13611994373（微信同號）