摘要：多線合用牽引變電所運(yùn)行條件復(fù)雜,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更能反映牽引變電所真實(shí)的運(yùn)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(wèn)題,然后基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)合蚌客專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)量符合標(biāo)準(zhǔn)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(cè)數(shù)據(jù)

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(píng)估是新建鐵路開(kāi)通前的重要內(nèi)容,但是電能質(zhì)量評(píng)估中采取的各類數(shù)據(jù)是理論計(jì)算值,并不能真實(shí)反映電氣化鐵路實(shí)際運(yùn)行情況。特別是當(dāng)鐵路開(kāi)通后,有其他線路接入,牽引變電所的運(yùn)行條件發(fā)生了重大改變,這時(shí)需要對(duì)牽引變電所實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量,利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)牽引變電所電能質(zhì)量進(jìn)行分析和評(píng)估。

1、概況

合肥至蚌埠客運(yùn)專線(以下簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)資源共享,節(jié)省工程投資,根據(jù)線位特點(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、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(chē)類型多,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(duì)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(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集,并基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)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(wèn)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(gè)方面影響。

(1)交直型電力機(jī)車(chē)。交直型電力機(jī)車(chē)(如SS系列)功率因數(shù)在0．8左右,交直交型電力機(jī)車(chē)(如和諧號(hào)、復(fù)興號(hào)、HXD等)功率因數(shù)在0．97以上。目前,交直型電力機(jī)車(chē)僅在部分普速電氣化鐵路中運(yùn)行,交直交型電力機(jī)車(chē)所占比例越來(lái)越高,相關(guān)的文獻(xiàn)分析結(jié)果表明,在兩種電力機(jī)車(chē)混跑的線路中,交直型電力機(jī)車(chē)所占比例達(dá)到22．9％時(shí),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(zhǎng)距離輸電線路,會(huì)產(chǎn)生分布式容性電流。以一個(gè)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(zhǎng)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(wú)功功率為1714kvar.

雖然架空線路產(chǎn)生的無(wú)功功率相對(duì)于機(jī)車(chē)功率小,但是當(dāng)線路上開(kāi)行的列車(chē)對(duì)數(shù)少,線路空載率過(guò)高時(shí),牽引變電所全天功率因數(shù)會(huì)降低。

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

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

2.2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

合蚌客專3座牽引變電所功率因數(shù)的實(shí)測(cè)值如圖2~4所示。由于牽引變電所供電線路的機(jī)車(chē)均為交直交型電力機(jī)車(chē),牽引變電所功率因數(shù)保持在較高的水平,實(shí)測(cè)值也可以反映這一點(diǎn),其中功率因數(shù)為負(fù)值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻是機(jī)車(chē)在運(yùn)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(shù)實(shí)測(cè)值

圖3水家湖牽引變電所功率因數(shù)實(shí)測(cè)值

圖4邵崗牽引變電所功率因數(shù)實(shí)測(cè)值

3座牽引變電所全天功率因數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1,在“返送反計(jì)”“返送不計(jì)”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(zhǎng)時(shí)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(kāi)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(shí)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(tái)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(gè)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(guò)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(duì)稱分量法對(duì)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(duì)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(diǎn)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)測(cè)量變電所220kV側(cè)三相電壓的幅值和相位,用對(duì)稱分量法分別求出正序分量、負(fù)序分量,然后計(jì)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(jiàn)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(diǎn)的每個(gè)用戶引起的該點(diǎn)負(fù)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(chē)諧波特性

牽引供電系統(tǒng)中的主要諧波源是電力機(jī)車(chē)。由于交直型機(jī)車(chē)采用不可控二極管變流,因此機(jī)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(jī)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?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(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(hào)的列車(chē)在線路上同時(shí)運(yùn)行,會(huì)給系統(tǒng)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3座牽引變電所各相諧波電壓總畸變率實(shí)測(cè)值見(jiàn)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(cè)量的數(shù)據(jù)取測(cè)量時(shí)段內(nèi)各相實(shí)測(cè)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(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(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(cè)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(gè)點(diǎn)對(duì)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(gè)點(diǎn)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(shí)測(cè)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(shí)左右和21時(shí)左右發(fā)生了嚴(yán)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(yùn)維云平臺(tái)

5.1概述

基于互聯(lián)網(wǎng)＋、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)通訊等技術(shù)開(kāi)發(fā)的云端管理平臺(tái)，滿足用戶或運(yùn)維公司監(jiān)測(cè)眾多變電所回路運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境溫濕度、電纜及母線運(yùn)行溫度、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或環(huán)境視頻場(chǎng)景等需求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一個(gè)中心，集中存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理，方便使用，支持具有權(quán)限的用戶通過(guò)電腦、手機(jī)、PAD等各類終端鏈接訪問(wèn)、接收警報(bào)，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(chǎng)所

適用于電信、金融、交通、能源、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(yùn)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(cè)裝置、攝影頭、開(kāi)關(guān)量采集裝置等。除攝影頭外，其它設(shè)備通過(guò)RS485總線接入現(xiàn)場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)RS485端口。

傳輸層：包含現(xiàn)場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)和交換機(jī)等設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)主動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)，并通過(guò)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(shí)數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)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(kù)服務(wù)器，若變電所數(shù)量小于30個(gè)則應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)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(shù)據(jù)。

展示層：用戶通過(guò)手機(jī)、平板、電腦等多終端的方式訪問(wèn)平臺(tái)信息。

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1用能月報(bào)

用能月報(bào)支持用戶按總用電量、變電站名稱、變電站編號(hào)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(diǎn)監(jiān)測(cè)

站點(diǎn)監(jiān)測(cè)包括概況、運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)日事件記錄、當(dāng)日逐時(shí)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(gè)站所的變壓器功率、負(fù)荷率、等運(yùn)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(yùn)維

運(yùn)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(kāi)關(guān)狀態(tài)、電流等運(yùn)行狀態(tài)及信息，支持電壓、電流、功率等詳細(xì)運(yùn)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(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(nèi)視頻信息。

5.4.7電力運(yùn)行報(bào)表

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

5.4.8警報(bào)信息

對(duì)平臺(tái)所有警報(bào)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用戶報(bào)告

用戶報(bào)告頁(yè)面主要用于對(duì)選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、警報(bào)事件等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并列出在該周期內(nèi)巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)的各類缺失及處理情況。

5.4.11APP監(jiān)測(cè)

電力運(yùn)維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)”、“設(shè)備檔案”、“待辦事項(xiàng)”、“巡檢記錄”、“缺失記錄”、“文檔管理”和“用戶報(bào)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(bào)查詢，設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢、用戶報(bào)告、文檔管理等。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6、結(jié)語(yǔ)

由合蚌客專3座牽引變電所電能質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析可知,采用交直交電力機(jī)車(chē)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(shí)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(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(duì)于一些列車(chē)對(duì)數(shù)不多的電氣化鐵路,如新建線路在初期運(yùn)行時(shí),有可能存在功率因數(shù)過(guò)低的情況。另外,對(duì)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(yīng)注意諧振引起的諧波超標(biāo)問(wèn)題,嚴(yán)重時(shí)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(duì)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(jì),2014(2):581G582．

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

[3]方策,吳命利．京滬高鐵周立營(yíng)牽引變電所電能質(zhì)量治理測(cè)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(guó)慶,閆紅宇．城際鐵路牽引變電所無(wú)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(chē)建模與諧波電流分析[J]．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2012,45(1):107G110．

[8]李欣．CRH380A型高速動(dòng)車(chē)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(shí)測(cè)分析

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