電氣化鐵路對電能計量的影響研究

王運全 ，楊衛華 ，岳 巍 ，李琮琮 ，王平欣

（1.山東電力集團公司電力科學研究院，山東 濟南 250002；2.山東送變電工程公司，山東 濟南 250022）

0 引言

山東省自2006年1月開通電氣化鐵路，截至2009年底已運行膠濟線和京滬線兩條電氣化鐵路，全省共有48個電氣化鐵路電能計量點，涉及32個變電站，其中膠濟線濟南到青島段有13個變電站，途徑4個市，均為雙電源供電，兩兩互為備用，12個牽引站；京滬線德州到棗莊段有19個變電站，途徑5個市，均為雙電源供電，兩兩互為備用，12個牽引站。由于電氣化鐵路覆蓋面大，其牽引動力由電力機車提供,電力機車功率大，客車和貨車的運行速度、負載狀況變化頻繁。

上述已運行的變電站電能計量的方式、計量點的位置以及測量用互感器和電能表的準確性，是供用電雙方所共同關心的問題。

為此，通過一系列實驗研究，以確認目前的電能計量方式、計量點的位置正確性以及計量用的電能表的準確性，以保障電能計量公平、公正。

1 山東電氣化鐵路電能計量現狀

全省共有48個電氣化鐵路電能計量點所在變電站，計量點所在變電站變壓器主繞組的接線方式為YNyn0d11接線方式，采用三相四線為牽引站供電。其中膠濟線有7個變電站供電電壓為220 kV，其余25個變電站供電電壓為110 kV。牽引站采用三相V／v和單相I／i接線方式為電氣化鐵路供電。而計量點設在供電方變電站，并采用高供高計，計量所用表計為瑞士蘭吉爾公司的ZMQ202C8表，其可以在工頻20次諧波以內正確計量電能量。

2 山東電氣化鐵路諧波現場測試及試驗室模擬試驗結果

2.1 現場測試結果

2009年9月，采用KC－3301A型電能質量分析儀對山東省膠濟線電氣化鐵路王村站進行了諧波測試。2009年11月，采用KC－3301A型電能質量分析儀對京滬線電氣化鐵路黨家莊站進行了諧波測試。經現場測試可知，山東省膠濟線和京滬線電氣化鐵路諧波均較大。

對膠濟線王村站和黨家莊站所測數據分析后，得出在電力機車通過牽引站時的數據分別如表1、表 2、表 3、表 4所示。

表1 王村站基波電壓、電流及功率因數

表2 王村站各次諧波含有率 %

表3 黨家莊站基波電壓、電流及功率因數

2.2 試驗室模擬試驗結果

2.2.1 基波時電能表誤差

根據JJG 596－1999《電子式電能表》檢定規程，應用于電氣化鐵路電能計量的ZMQ202C8型電能表各負載點誤差均符合規程要求。

表4 黨家莊站各次諧波含有率 %

表5 基波電壓、電流及功率因數

表6 諧波電壓、電流及相角

2.2.2 含有多次諧波時電能表誤差

利用美國FLUKE公司生產的6101A電能功率標準源產生如表5與表6所示的功率源，模擬電氣化列車運行時的電壓、電流情況。

由表5可得基波總功率為95.2985 W，表6可得帶諧波的總功率為95.2892 W。采用功率時間方法，分別對數只ZMQ202C8型電能表進行了模擬試驗，試驗結果如表7。

表7 ZMQ202C8型電能表誤差

表7可以看出，牽引變電站在電力機車通過時，若以基波電能為參考，主要諧波可以產生－0.01%左右的電量，造成電氣化鐵路產生的諧波功率返送回電網，記錄在電能表反向諧波寄存器中。

2.2.3 諧波條件下準確度試驗

根據 GB／T17215.322—2008／IEC 62053—22：2003《交流電測量設備 特殊要求第22部分：靜止式有功電能表（0.2S級和0.5S級）》準確度要求，需要對電能表進行如下情況下的準確度試驗。

試驗條件：

基波電流：I1＝0.5 Imax

基波電壓：U1＝Un

基波功率因數：1.0

5次諧波電壓含量：U5＝10%Un

5次諧波電流含量：I5＝40%I1

諧波功率因數：1.0

基波和諧波電壓在原點是相同的。

由5次諧波產生的諧波功率為P5=0.1U1×0.4I1=0.04P1或總有功功率為1.04 P1（基波＋諧波）。

電氣化鐵路使用的安裝式電能表為瑞士蘭吉爾公司生產的ZMQ202C8表，其電壓：3×57.7/100 V，電流：3×5 A，在以上試驗條件下測得其5個誤差為－0.0173、－0.0160、－0.0165、－0.0163、－0.0173。 由此可知，此表滿足了有諧波情況下的準確度試驗。

3 結語

通過對電氣化鐵路對電能計量的影響研究，確認了山東省電氣化鐵路電能計量點設置在供電變電站的出線側和高壓三相四線計量方式是正確的；牽引變電站在電力機車通過時，若以基波電能為參考，主要諧波可以產生－0.01%左右的電量，造成電氣化鐵路產生的諧波功率返送回電網，記錄在電能表反向諧波寄存器中；在系統有諧波影響下，電能表的準確性不能按照傳統的檢定規程規定的方法來判斷其是否正確計量，可以參照本研究的過程和方法，即在安裝現場首先測量和記錄諧波的實際數據，經實驗室分析后，選擇合適的電能表，再經模擬現場諧波數據試驗后，確認電能表的計量正確性（包括測量誤差和電能量計量的準確性），以保證電能計量的準確可靠。

利用本研究的成果，推廣應用到其它產生諧波的大用戶，可以為電網提供諧波影響的技術數據，提出對此類企業的諧波治理和考核指標。該研究成果已獲得2010年度山東電力科學技術二等獎。

［1］蘇彥禹.JJG 596－1999《電子式電能表》檢定規程［M］.北京： 中國計量出版社，2001.

［2］GB／T 17215.322—2008／IEC 62053—22：2003 交流電測量設備 特殊要求第22部分：靜止式有功電能表（0.2S級和0.5S級）［S］.

［3］GB／T 14549－1993 電能質量 公用電網諧波［S］.