淺談多線(xiàn)合用牽引變電所電能質(zhì)量實(shí)測分析

摘要：多線(xiàn)合用牽引變電所運行條件復雜,實(shí)測數據更能反映牽引變電所真實(shí)的運行狀況。首先分析了牽引變所功率因數、三相電壓不平衡、諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題,然后基于實(shí)測數據對合蚌客專(zhuān)3座牽引變電所電能質(zhì)量進(jìn)行了分析。通過(guò)分析得出,牽引變電所電能質(zhì)量符合國家標準要求,但是個(gè)別變電所存在高次諧波諧振問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路;電能質(zhì)量;實(shí)測數據

0、引言

電氣化鐵路電能質(zhì)量問(wèn)題一直以來(lái)備受關(guān)注,牽引變電所電能質(zhì)量評估是新建鐵路開(kāi)通前的重要內容,但是電能質(zhì)量評估中采取的各類(lèi)數據是理論計算值,并不能真實(shí)反映電氣化鐵路實(shí)際運行情況。特別是當鐵路開(kāi)通后,有其他線(xiàn)路接入,牽引變電所的運行條件發(fā)生了重大改變,這時(shí)需要對牽引變電所實(shí)際運行數據進(jìn)行測量,利用實(shí)測數據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(zhuān)線(xiàn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)合蚌客專(zhuān))由京滬高鐵蚌埠南站引出,終于合肥樞紐合肥站,與水蚌線(xiàn)、淮南線(xiàn)、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(shí)現資源共享,節省工程投資,根據線(xiàn)位特點(diǎn),3座牽引變電所同時(shí)為多條鐵路供電:劉府牽引變電所為合蚌客專(zhuān)、水蚌線(xiàn)供電;水家湖牽引變電所為合蚌客專(zhuān)、水蚌線(xiàn)、淮南線(xiàn)、商合杭高鐵供電;邵崗牽引變電所為合蚌客專(zhuān)、淮南線(xiàn)、商合杭高鐵、合福鐵路供電。合蚌客專(zhuān)線(xiàn)路及牽引變電所分布示意圖如圖1所示。

圖1線(xiàn)路及牽引變電所分布示意圖

合蚌客專(zhuān)線(xiàn)路情況復雜,電力機車(chē)類(lèi)型多,AT供電方式和直接供電方式并存,給理論分析帶來(lái)困難,因此本文對合蚌客專(zhuān)牽引變電所220kV側三相電壓、電流和27．5kV母線(xiàn)電壓和電流以及饋線(xiàn)電流等實(shí)時(shí)運行數據進(jìn)行了采集,并基于實(shí)測數據對牽引變電所功率因數、三相電壓不平衡和諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了分析。

1. 功率因數

2.1功率因數影響因素

牽引變電所功率因數主要受三個(gè)方面影響。

(1)交直型電力機車(chē)。交直型電力機車(chē)(如SS系列)功率因數在0．8左右,交直交型電力機車(chē)(如和諧號、復興號、HXD等)功率因數在0．97以上。目前,交直型電力機車(chē)僅在部分普速電氣化鐵路中運行,交直交型電力機車(chē)所占比例越來(lái)越高,相關(guān)的文獻分析結果表明,在兩種電力機車(chē)混跑的線(xiàn)路中,交直型電力機車(chē)所占比例達到22．9％時(shí),牽引變電所的功率因數降到0．9。

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

雖然架空線(xiàn)路產(chǎn)生的無(wú)功功率相對于機車(chē)功率小,但是當線(xiàn)路上開(kāi)行的列車(chē)對數少,線(xiàn)路空載率過(guò)高時(shí),牽引變電所全天功率因數會(huì )降低。

(3)無(wú)功功率計量方式。牽引變電所全天功率因數可分為“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計算方式差異較大,“返送正計"方式功率因數*低。

2.2實(shí)測數據分析

合蚌客專(zhuān)3座牽引變電所功率因數的實(shí)測值如圖2~4所示。由于牽引變電所供電線(xiàn)路的機車(chē)均為交直交型電力機車(chē),牽引變電所功率因數保持在較高的水平,實(shí)測值也可以反映這一點(diǎn),其中功率因數為負值對應的時(shí)刻是機車(chē)在運行過(guò)程中的再生制動(dòng)工況。

圖2劉府牽引變電所功率因數實(shí)測值

圖3水家湖牽引變電所功率因數實(shí)測值

圖4邵崗牽引變電所功率因數實(shí)測值

3座牽引變電所全天功率因數統計見(jiàn)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都達

由圖2~4可以看出,劉府牽引變電所存在較長(cháng)時(shí)間的線(xiàn)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(xiàn)還未開(kāi)通,劉府牽引變電所目前只為合蚌客專(zhuān)一條鐵路供電,而水家湖和邵崗牽引變電所則同時(shí)為3條鐵路供電。從表1可知,受空載線(xiàn)路分布式容性電流影響,劉府牽引變電所功率因數小于其他2座變電所。

表1牽引變電所全天功率因數

1. 三相電壓不平衡

3.1牽引變電所負序影響分析

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

圖5VX接線(xiàn)變壓器原理圖

通過(guò)分析一次側電流與二次側負載電流關(guān)系,并采用對稱(chēng)分量法對一次側三相電流進(jìn)行分解,可得負序電流

為：

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

根據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序電流I2和接入點(diǎn)的系統短路容量Sk影響。根據式(4),負序電流I2與變電所兩側負荷電流有關(guān)。系統短路容量Sk則由電力系統決定。

3.2實(shí)測數據分析

通過(guò)測量變電所220kV側三相電壓的幅值和相位,用對稱(chēng)分量法分別求出正序分量、負序分量,然后計算出負序電壓不平衡度,將獲得的24h數據繪制成電壓不平衡度曲線(xiàn),如圖6~8所示,其95％概率較大值和較大值見(jiàn)表2。根據GB/T15543－2008?電能質(zhì)量三相電壓不平衡?規定,接于公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶(hù)引起的該點(diǎn)負序電壓不平衡度允許值一般為1．3％,短時(shí)不超過(guò)2．6％。因此牽引變電所三相電壓不平衡度滿(mǎn)足規范要求。

圖6劉府牽引變電所220kV側電壓不平衡度

圖7水家湖牽引變電所220kV側電壓不平衡度

圖8邵崗牽引變電所220kV側電壓不平衡度

表2牽引變電所220kV側電壓不平衡度

4、諧波

4.1電力機車(chē)諧波特性

牽引供電系統中的主要諧波源是電力機車(chē)。由于交直型機車(chē)采用不可控二極管變流,因此機車(chē)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。交直交型機車(chē)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撲結構和控制算法引起,主要分布在3、5、7、9次;高次諧波主要由PWM算法引起,與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān),由于不同車(chē)型的開(kāi)關(guān)頻率不同,高次諧波特性也不盡相同,如CRH2、CRH380A、HXD3等車(chē)型的高次諧波主要分布在50、100次附近,CRH3、CHR380B、HXD1等車(chē)型的高次諧波主要分布在35、70次附近。不同型號的列車(chē)在線(xiàn)路上同時(shí)運行,會(huì )給系統帶來(lái)含量豐富且頻帶分布多樣的諧波,也會(huì )較大諧波諧振動(dòng)概率。

4.2諧波電壓總畸變率

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

表3牽引變電所220kV側諧波電壓總畸變率

由表3可知,合蚌客專(zhuān)3座牽引變電所諧波電壓總畸變率滿(mǎn)足國家標準要求,水家湖變電所B相和C相諧波電壓畸變率較大值超過(guò)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(shí)測曲線(xiàn)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(gè)點(diǎn)對應的頻譜如圖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(gè)點(diǎn)出現了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(shí)測曲線(xiàn)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(shí)左右和21時(shí)左右發(fā)生了嚴重的諧振,諧波含量超過(guò)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)＋、大數據、移動(dòng)通訊等技術(shù)開(kāi)發(fā)的云端管理平臺，滿(mǎn)足用戶(hù)或運維公司監測眾多變電所回路運行狀態(tài)和參數、室內環(huán)境溫濕度、電纜及母線(xiàn)運行溫度、現場(chǎng)設備或環(huán)境視頻場(chǎng)景等需求，實(shí)現數據一個(gè)中心，集中存儲、統一管理，方便使用，支持具有權限的用戶(hù)通過(guò)電腦、手機、PAD等各類(lèi)終端鏈接訪(fǎng)問(wèn)、接收警報，并完成有關(guān)設備日常和定期巡檢和派單等管理工作。

5.2應用場(chǎng)所

適用于電信、金融、交通、能源、醫用衛生、文體、教育科研、農林水利、商業(yè)服務(wù)、公用事業(yè)等行業(yè)變配電運行維護系統的新建、擴建和改建。

5.3系統結構

系統可分為四層：即感知層、傳輸層、應用層和展示層。

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

傳輸層：包含現場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)和交換機等設備。智能網(wǎng)關(guān)主動(dòng)采集現場(chǎng)設備層設備的數據，并可進(jìn)行規約轉換，數據存儲，并通過(guò)交換機把數據上傳至服務(wù)器端口，網(wǎng)絡(luò )故障時(shí)數據可存儲在本地，待網(wǎng)絡(luò )恢復時(shí)從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務(wù)器端數據不丟失。

應用層：包含應用服務(wù)器和數據庫服務(wù)器，若變電所數量小于30個(gè)則應用服務(wù)器和數據庫服務(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(dòng)傳送過(guò)來(lái)的數據。

展示層：用戶(hù)通過(guò)手機、平板、電腦等多終端的方式訪(fǎng)問(wèn)平臺信息。

5.4系統功能

5.4.1用能月報

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

5.4.2站點(diǎn)監測

站點(diǎn)監測包括概況、運行狀態(tài)、當日事件記錄、當日逐時(shí)用電曲線(xiàn)、用電概況。

5.4.3變壓器狀態(tài)

變壓器狀態(tài)支持用戶(hù)查詢(xún)所有或某個(gè)站所的變壓器功率、負荷率、等運行狀態(tài)數據，支持按負荷率、功率等升、降序排名。

5.4.4運維

運維展示當前用戶(hù)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(kāi)關(guān)狀態(tài)、電流等運行狀態(tài)及信息，支持電壓、電流、功率等詳細運行參數查詢(xún)。

5.4.6視頻監控

視頻監控展示了當前實(shí)時(shí)畫(huà)面（視頻直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。

5.4.7電力運行報表

電力運行報表顯示選定站所選定設備各回路采集間隔運行參數和電能抄表的實(shí)時(shí)值及平均值行統計。

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(yè)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(diǎn)擊查看任務(wù)查看具體的巡檢信息。

5.4.10用戶(hù)報告

用戶(hù)報告頁(yè)面主要用于對選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、警報事件等進(jìn)行統計分析，并列出在該周期內巡檢時(shí)發(fā)現的各類(lèi)缺失及處理情況。

5.4.11APP監測

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

5.5系統硬件配置

6、結語(yǔ)

由合蚌客專(zhuān)3座牽引變電所電能質(zhì)量實(shí)測數據的分析可知,采用交直交電力機車(chē)后,牽引變電所功率因數得到了顯著(zhù)提高,諧波含量也大為降低,同時(shí)牽引變電所外部電源采用220kV后,系統容量的提升使牽引變電所負序問(wèn)題得到了解決,在電力部門(mén)和鐵路部門(mén)的不斷努力下,電氣化鐵路電能質(zhì)量問(wèn)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(chē)對數不多的電氣化鐵路,如新建線(xiàn)路在初期運行時(shí),有可能存在功率因數過(guò)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(chē)型多,注入的諧波電流頻帶寬,發(fā)生諧振動(dòng)的概率較大,應注意諧振引起的諧波超標問(wèn)題,嚴重時(shí)應采取治理措施。

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