电气化铁路接入电网电能质量评估分析.pdf

Dianqi Gongcheng yu Zidonghua 电气工程与自动化电气化铁路接入电网电能质量评估分析冯宏恩（国网冀北电力有限公司承德供电公司，河北承德0 6 7 0 0 0)摘要：当前，电气化铁路接入引起的电力牵引负荷属于大功率单相整流负荷，电铁通过时产生的谐波和负序电流经线路进入电力系统，会引起电网较为显著的电能质量问题。因此，如何保证电铁接入背景下系统的稳定性与安全性，合理评估区域电网承载力尤为重要。现以大型电铁接入承德电网为例，分析了电铁接入引起的谐波电流、谐波电压、三相电压不平衡、电压波动/偏差等电能质量指标，对不合格指标提出了治理措施，为电铁接入审查提供了参考依据，对提升电网电能质量、改善用电环境具有重要意义。关键词：电气化铁路；承载能力；电能质量；评估分析中图分类号：TM711D0l:10.19514/32-1628/tm.2023.20.0050引言电气化铁路接入电网引起的牵引负荷属于大功率单相整流负荷，电铁通过时产生的负序和谐波电流经线路进入电力系统，会影响到用电设备的正常工作 1-2 1。本文以某新建铁路接入电网工程为例，将牵引供电所中的变压器作为影响电网稳定运行的干扰点，从电网的谐波电流、谐波电压、三相电压不平衡以及电压波动/偏差 3-5 等多角度分析电能质量指标，并对于不满足要求的指标，采取治理措施，为电气化铁路接入电网审查提供参考依据，对提升电网电能质量、改善用电环境具有重要意义。1工程概况以某条铁路的110 kV牵引供电所为例，所内安装2 台容量为3 2 MVA的牵引变压器，主变压器额定电压110/2 7.5kV，采用V/V型接线如图1所示。短路阻抗百分比为8.4%。牵引变电站供电臂A方向，平均电流12 5A，有效电流2 53 A，最大电流52 3 A；供电臂B方向平均电流16 9A，有效电流3 6 4A，最大电流722A。远期最大负荷为3 4.5MW。该牵引变电所接入某2 2 0 kV变电站110 kV母线侧，该变电站主变额定电压2 3 0/12 1/3 8.5kV，在系统最小方式运行情况下，变电站110 kV侧母线短路容量为57 4MVA，供电容量为18 0 MVA，用户的协议容量为3 2 MVA。本项目的电能质量指标考核点为牵引供电所与电力系统的公共连接点（PCC)处。文献标志码：A文章编号：16 7 1-0 7 97(2 0 2 3)2 0-0 0 17-0 3(a)高压绕组图1V/V型牵引变压器绕组接线示意图本工程采用的机车类型为大功率HXD型交直交机车，机车功率为7 2 0 0 kW，功率因数0.98，谐波含量低，频谱宽。根据相关资料函，供电臂谐波电流含量如表1所示。表1某牵引供电所供电臂谐波电流含量XX牵引供电所牵引供电所二次接地相别供电臂方向平均值3次谐波电流最大值平均值5次谐波电流最大值平均值7次谐波电流最大值平均值9次谐波电流最大值平均值11次谐波电流最大值平均值13次谐波电流最大值COBAT2Q(b)低压绕组单位：Ab相A方向B方向4.074.738.329.770.390.450.790.930.390.450.790.930.370.430.750.880.270.320.550.650.250.290.51T1x20.61机电信息2 0 2 3 年第2 0 期总第7 16 期17电气工程与自动化Dianqi Gongcheng yu Zidonghua2电能质量评估电气化铁路接入公共连接点(PCC)处的电能质量指标限值和计算方法 6-10 1如下。2.1谐波电流的评估根据GB/T14549一1993 电能质量公用电网谐波中的规定，考核点处各次谐波电流允许值如表2所示。表2 考核点处各次谐波电流允许值谐波次数3电流限值/A1.53三相V/V接牵引变压器外接线（以C相位公共端说明）如图2 所示。系统iBbUbe图2 V/V接线的三相牵引变压器供电原理图令两供电臂输入变压器的各次谐波电流分别为la和lbh，则输入系统的各相线电流如下式所示：IAnBh101KIch-1-1IAhKIBhKLa?+/bh-21a/bhcos(h X 1200)J/2Ich式中：IAhvIBhvla为高压侧谐波电流；lah、l b h 为a、b 供电臂的谐波电流；K为变压器的变比；h为谐波次数。注入PCC的谐波电流取三相谐波电流最大值，如表3 所示。表3注入PCC谐波电流值谐波次数3电流限值/A2.44 0.370.370.22对比表3 和表2 发现，考核点处3 次谐波电流的允许值为1.53 A，注入考核点处的电流为2.44A，3 次谐波电流超标，其余各次谐波电流合格。建议牵引供电所加装动态无功补偿装置来滤除3 次谐波，保证各次谐波电流全部满足国标要求。在配置谐波治理装置时，应使谐波治理装置的基波无功容量与无功补偿装置的无功容量组合之后的无功容量输出范围满足本项目接入系统设计的要求。571.741.521.03icAaUea10LIohK5799111.26110.260.24131.14AB.C量I的关系如下式所示：V3U:hlh(%)HRUh-10Sa式中：Un为电网的标称电压；为第h次谐波电流；Sa为最小运行方式下公共连接点的三相短路容量。第h次谐波电压含有率HRUh：HRU-L100%(1)U式中：U为第h次谐波电压（均方根值）；U,为基波电压(均方根值)。谐波总电压含量U如下式所示：(2)2UR8UH-2电压总谐波畸变率THDu如下式所示：THDuUI X100%U经计算，公共连接点处各次谐波电压含量如表5所示。表5PCC各次谐波电压含量13次数电压含量/%0.2430.0620.0870.066 0.0950.1052.2谐波电压的评估根据GB/T14549一1993 电能质量公用电网谐波中的规定，考核点(PCC)谐波电压(相电压)限值要求如表4所示。表4考核点处各次谐波电压允许值谐波次数奇次谐波偶次谐波总谐波谐波电压含有率1.6%谐波电压的计算可采用以下方法：第h次谐波电压含有率HRU与第h次谐波电流分(3)(4)(5)(6)350.8%792.0%111318机电信息2 0 2 3 年第2 0 期总第7 16 期Dianqi Gongcheng yu Zidonghua 电气工程与自动化(10)各次谐波电压畸变率和总谐波电压畸变率均合格，电压总谐波畸变率THDu为0.3 0 8%，符合国标限值2%的规定。2.3三相电压不平衡的评估根据GB/T15543一2 0 0 8 电能质量三相电压不平衡中的规定，牵引供电所注入考核点处的负序电流引起的三相不平衡度应小于1.3%，短时不超过2.6%。V/V接线牵引变供电臂负荷电流和系统侧正序电流I、负序电流I的关系如下式所示：1(l.+Ib),V3K121VI2+1B-IdbV3K式中：lal为供电臂的有效和最大电流；K为变压器的变比。工程上为了简便，三相电压不平衡度的计算如下式所示：60lL100%10Sd式中：8 为三相电压不平衡度；U为公共连接点的线电压均方根值；S为最小运行方式下公共连接点的三相短路容量。由背景资料可知，牵引变压器变比K=4，供电臂的有效电流和最大电流分别为2 53 A和7 2 2 A，最小运行方式下公共连接点的短路容量为57 4MVA，代入公式（7）和（8），可求得三相电压不平衡度为3.0 4%，超过国标限值2.6%的要求，建议额外加装不平衡治理装置。如果不平衡治理也是采用无功补偿的方法，则需要综合考虑，使滤波治理装置、不平衡治理装置和无功补偿装置输出的无功容量范围满足本项目接入系统设计的要求。2.4电压波动的评估根据GB12326一2 0 0 8 电能质量电压波动和闪变中的规定，牵引供电所注入考核点处引起的电压波动限值应为2.5%。电压波动d的定义如下式所示：d-4100%UN式中：Un为电网标称电压；U为电压均方根曲线上相邻两个极值电压之差。电铁通过时形成的单次电压波动可通过电网参数和负荷量进行估算。电压波动如下式所示：d-RiAPtX-A0i 100%UR式中：RL、X L分别为电网阻抗的电阻、电抗分量；P、Q 分别为负荷有功功率和无功功率的变化量。在电网中，一般XRL，则电压波动如下式所示：d40i100%(11)Sd式中：S为最小运行方式下公共连接点的三相短路(7)容量。单台HXD型电力机车最大功率7.2 MW，功率因数0.9 8，对应最大无功冲击为1.46 Mvar，短路容量574MWA，根据式（11）估算电压波动为0.44%，满足国标限值2.5%的要求。2.5电压偏差的评估根据GB/T12325一2 0 0 8 电能质量供电电压偏(8)差中的规定，3 5kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过额定电压的10%。对公共连接点电压偏差的计算如下式所示：U-50m 100%Sa式中：8 U为电压偏差；Qmx为负荷最大无功容量；Sa为最小运行方式下公共连接点的三相短路容量。最小运行方式下公共接入点最小短路容量574MVA，功率因数0.9 8，有功功率3 4.5MW，无功功率10.56 Mvar，根据式（12）估算电压偏差为3.19%，满足国标限值10%的要求。3结束语电气化铁路接入电网，电铁通过时产生的负序和谐波电流经线路流入电网，会引起电网较为显著的电能质量问题。本文以实际工程为例，介绍了电能质量分析方法，从多角度分析电能质量指标，并对不合格指标提出了治理措施，为电气化电路接入电网的审查提供了重要的参考依据，具有较高的应用价值。后续应采(9)取在线设备检测方式，提高电能质量预警监测水平，保障电力系统和铁路的安全稳定运行。（下转第2 3 页）(12)机电信息2 0 2 3 年第2 0 期总第7 16 期19Dianqi Gongcheng yu Zidonghua电气工程与自动化别如图3（a)和图3(b)所示。2.4无功补偿效果费曼电力生产车间有一台容量为16 0 kVA的配电变压器，对变压器的负载情况进行分析后，采用45kvar的无功混合补偿装置对其进行无功补偿，其中SVG容量为2 0 kvar，T S C 容量为2 5kvar。补偿效果如表1所示。变压器补偿前功率补偿前无功补偿后平均因数容量/kVA160由表1数据可知，进行无功功率补偿后，配电变压器的功率因数得到了有效提高，提升了变压器的供电质量，降低了变压器和配电线路的无功损耗，减少了力调电费。3结束语随着配电网的规模不断扩大，无功功率的需求也在不断增加，选择合理的无功补偿方式既能提高配电网的供电质量，降低无功带来的电能损耗和变压器损耗，又可以提高配电变压器的有效容量，提升用电设备的运行效率。无功混合补偿装置集成了两种无功补偿方法的优点，可以进行分级连续可调的(上接第19页）参考文献1 BOLLEN MH J.What is power quality?J.ElectricPower Systems Research,2003,66(1):5-14.2刘颖英，冯丹丹，林才华，等.电能质量综合评估研究现状及发展趋势J.电力系统保护与控制，2 0 2 0，48（4）：167-176.3于丹文，张岩，张青青，等.计及电气化铁路接入影响的电能质量预测评估方法 J.山东电力技术，2 0 2 0，47（12）：26-31.4周胜军，于坤山，冯满盈，等.电气化铁路供电电能质量测试主要结果分析 J.电网技术，2 0 0 9,3 3（13）：54-57.5林海雪.电能质量指标的完善化及其展望J.中国电机工程学报，2 0 14,3 4（2 9）：50 7 3-50 7 9.6吴传来，杨洪耕：考虑用户类型的地区电网电能质量评估J.电力科学与工程,2 0 11,2 7（12)：17-2 1.无功补偿，同时又降低了无功补偿的成本，是一种可靠的无功补偿方案。参考文献1成龙，王迪，李旭，等.低压配电网混合无功补偿装置研究J.吉林电力，2 0 17,45（3）：2 0-2 3.2孙嘉平.电力在中国经济社会发展中的地位及作用C/表1补偿效果中国电机工程学会电力可持续发展与信息化建设研讨会论文集,2 0 0 5:2-8.3武伟伟，王斌斌.低压动态无功发生器在油田中的应用功率/kvar功率因数0.350.822136J.石油石化节能，2 0 15,5（2)：15-17.0.984】张建军，程大印，李欢，等。一种低压混合型无功补偿设备的研究J.电力电容器与无功补偿，2 0 17，3 8（1)：9-12.5德承.SVG+FC混合型无功补偿装置的设计与优化策略J】.机电信息，2 0 2 0（14)：6 3-6 4.6王兆安，刘进军，王跃，等.谐波抑制和无功功率补偿 M.3版.北京：机械工业出版社，2 0 15.收稿日期：2 0 2 3-0 6-2 0作者简介：王斌斌（198 5一），男，河南武陟人，助理工程师，研究方向：电力电子技术在电能质量治理中的应用。7李涛，梁雨林，李俊，等.铁路运行的电能质量影响（一：建模基础J.电气传动，2 0 2 0，50（2）：10 3-10 7.8宁志毫，张坤，左剑.大电网电能质量综合评估方法及应用 J.电测与仪表，2 0 15，52（19）：7 4-7 8.9别威.电能质量综合评估方法研究 D.合肥：安徽工程大学,2 0 19.10欧阳森，梁伟斌.基于PSCAD/EMTDC的电气化铁路接入电网的电能质量评估方法 J.电工电能新技术，2 0 16，3 5(12):52-58.收稿日期：2 0 2 3-0 6-14作者简介：冯宏恩（198 7 一），男，河北邢台人，硕士，工程师，研究方向：高压设备放电的非接触检测和评估。机电信息2 0 2 3 年第2 0 期总第7 16 期2 3