電氣化鐵路供電諧波對(duì)電能計(jì)量的影響研究

唐水蓮

摘 要：現(xiàn)階段，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施的完善，電氣化鐵路設(shè)施的建設(shè)也獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。在電氣化鐵路的日常運(yùn)行中，單相負(fù)荷是主要的牽引負(fù)荷。在運(yùn)行過(guò)程中，供電諧波對(duì)電能計(jì)量的準(zhǔn)確度產(chǎn)生了影響。文章對(duì)電氣化鐵路供電諧波對(duì)電能計(jì)量的影響進(jìn)行了研究，通過(guò)理論分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等方式，對(duì)電能計(jì)量影響的實(shí)際情況進(jìn)行分析，為電氣化鐵路運(yùn)輸?shù)耐晟频於▓?jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；諧波；電能計(jì)量；基波電能表

眾所周知，在現(xiàn)階段電氣化鐵路的運(yùn)行過(guò)程中，電力牽引的電源由110kV或220kV的雙電壓電源提供，當(dāng)電流經(jīng)過(guò)牽引變壓器后，變?yōu)?7.5kV供電力機(jī)車直接使用，從而驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)交直牽引供電制式。在電力機(jī)車的運(yùn)行過(guò)程中，諧波的產(chǎn)生直接與機(jī)車的整流裝置和方式密切相關(guān)，此外，電氣化牽引變電所的類型、主變結(jié)線方式、接入電網(wǎng)電壓等因素也是諧波產(chǎn)生的重要因素。

1 鐵路電氣牽引用電負(fù)荷的特點(diǎn)

其一，單相移動(dòng)負(fù)荷。由于鐵路以及供電臂的不同相之間，電能的供應(yīng)特點(diǎn)具有滑動(dòng)性，再加上運(yùn)行過(guò)程中換相的隨機(jī)性，回流線功能由大地和鋼軌共同承擔(dān)。其二，單相沖擊負(fù)荷。現(xiàn)階段，鐵路運(yùn)輸不斷提速，日趨現(xiàn)代化，對(duì)于列車質(zhì)量和運(yùn)行速度提出了更高的要求，列車運(yùn)行中的速度、加速度，列車途經(jīng)線路的坡度、曲率半徑以及列車的牽引、制動(dòng)方式都在發(fā)生變化，負(fù)荷波動(dòng)幅度不斷增大，牽引用電負(fù)荷所承受的瞬時(shí)沖擊或短時(shí)沖擊更是不斷增加。其三，單相無(wú)功負(fù)荷。電氣化鐵路供電運(yùn)行過(guò)程中，整流消耗的無(wú)功功率較大，機(jī)車變壓器存在消耗，接觸網(wǎng)消耗嚴(yán)重，大量的無(wú)功電流在牽引負(fù)荷中產(chǎn)生，導(dǎo)致功率因數(shù)不能得到有效提高。其四，單相整流負(fù)荷。在電氣化鐵路的供電運(yùn)行過(guò)程中，由于機(jī)車變壓器和整流設(shè)備的使用，電力才得以在機(jī)車多臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)中傳遞，但是由于整流，產(chǎn)生大量基波電流供給的同時(shí)，也造成大量諧波電流的產(chǎn)生，從而產(chǎn)生諧波電壓，影響鐵路電氣牽引的用電負(fù)荷。

2 電力系統(tǒng)中諧波問(wèn)題分析

在電網(wǎng)中，由于整流器、變頻調(diào)速裝置、電弧爐以及其他電子裝置的存在，會(huì)對(duì)供電負(fù)荷產(chǎn)生重要影響：如果在電網(wǎng)中正弦電壓作用于非線性負(fù)荷，電流便會(huì)以非正弦波的方式呈現(xiàn)。大量的非正弦波存在于電網(wǎng)中，從而導(dǎo)致電網(wǎng)阻抗，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)降壓，電壓波形在被逼迫的情況下發(fā)生畸變，產(chǎn)生大量的諧波，進(jìn)而威脅整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)。首先，諧波的存在，會(huì)增加電網(wǎng)系統(tǒng)中元件的損耗，尤其是由于諧波所導(dǎo)致的額外損耗，從而也有損于元件工作效率、輸電效率和用電設(shè)備效率；其次，由于諧波的存在，電網(wǎng)中的電器設(shè)備無(wú)法擁有良好的工作環(huán)境，無(wú)法正常發(fā)揮功能，從而導(dǎo)致電機(jī)過(guò)電壓現(xiàn)象的產(chǎn)生，不良機(jī)械振動(dòng)、噪音等問(wèn)題也是諧波的主要不良影響之一。與此同時(shí)，諧波的存在，容易誘發(fā)變壓器局部過(guò)熱問(wèn)題，從而引起電纜、電容器等設(shè)備的過(guò)熱問(wèn)題，加速設(shè)備的絕緣老化，縮短設(shè)備的使用壽命；再次，由于諧波的存在，電網(wǎng)中局部并聯(lián)諧振、局部串聯(lián)諧振現(xiàn)象長(zhǎng)期存在，并進(jìn)一步擴(kuò)大諧波的威力，諧波的危害成倍增加，誘發(fā)事故的發(fā)生。第四，在系統(tǒng)中，由于諧波的存在，通信系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量難以提高，信號(hào)不能正常傳遞，甚至導(dǎo)致通信設(shè)備的損壞。

3 電氣化鐵路供電諧波對(duì)電能計(jì)量的影響

3.1 電能計(jì)量的重要性

電能由于其方便和清潔的原因，已成為人們賴以生活的重要部分，就同其他商品會(huì)經(jīng)歷生產(chǎn)、銷售和消費(fèi)三個(gè)階段一樣，電能也是一種商品，它同樣也會(huì)涉及到發(fā)電、供電和用電三個(gè)階段，所以也會(huì)牽扯到銷售和購(gòu)買(mǎi)的結(jié)算問(wèn)題，此時(shí)就需要將電能計(jì)量數(shù)據(jù)作為考量的依據(jù)，而且它的準(zhǔn)確與合理會(huì)關(guān)系到相關(guān)者的利益和交易的公平。除了相關(guān)的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題之外，電能計(jì)量還會(huì)涉及到技術(shù)和生產(chǎn)的問(wèn)題，比如發(fā)電量、供電量、用電量以及線損和煤耗的問(wèn)題。

按照工作原理劃分，目前用于電能計(jì)量的電能表分為電子式電能表和感應(yīng)式電能表兩類。其中，感應(yīng)式電能表的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5-3.0，頻率范圍為45-55Hz，啟動(dòng)電源為0.003L，過(guò)載能力為4倍，功率消耗大，受外磁場(chǎng)的影響也大，而電子式電能表的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.001-2.0，頻率范圍為40-1000Hz，啟動(dòng)電源為0.001L，過(guò)載能力為5-10倍，功率消耗小，受外磁場(chǎng)的影響也小，所以無(wú)論從功能還是性能，電子式功能表更加適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展和要求。

3.2 電能計(jì)量的準(zhǔn)確性

諧波功率可分為無(wú)功功率和有功功率兩類，文章僅研究有功功率，無(wú)功功率不在研究范圍內(nèi)，所以本章節(jié)的研究目標(biāo)即為：電能表能否在諧波情況下對(duì)流經(jīng)它的所有有功功率做出準(zhǔn)確計(jì)量。眾所周知，電網(wǎng)負(fù)荷主要包括非線性負(fù)荷、線性負(fù)荷兩種[1]。電能表反應(yīng)電能的公式如下所示：

E=E1+■K■E■

其中，E代表電能表的電能，E1代表電能表的基波電能；El代表電能表的諧波電能；Kl為響應(yīng)系數(shù)。大量實(shí)踐表明，電子式電能表會(huì)受到乘法器時(shí)鐘與互感器頻帶的限制而呈現(xiàn)出寬帶響應(yīng)的特性。對(duì)于線性負(fù)荷，感應(yīng)式電能表計(jì)量的電能比基波電能大，比諧波和基波電能之和小，而電子式電能表所計(jì)量的電能等于諧波和基波電能之和；對(duì)于非線性負(fù)荷，感應(yīng)式電能表所計(jì)量的電能比諧波和基波電能之和大，比基波電能小，而電子式電能表所計(jì)量的電能是基波和諧波之差，同樣也會(huì)比基波電能小。

3.3 電氣化鐵路諧波對(duì)電能計(jì)量誤差的影響

在我國(guó)的電氣化鐵路中，計(jì)量方式采用高供高計(jì)的方式。這種方式一改電氣化鐵路發(fā)展初期低壓側(cè)設(shè)置計(jì)量裝置的弊端，不合理現(xiàn)象也基本摒除。關(guān)于電氣化鐵路諧波對(duì)電能計(jì)量誤差的影響，文章主要通過(guò)試驗(yàn)的方式進(jìn)行研究。試驗(yàn)中以0°和180°分別標(biāo)記諧波功率角，以便增加試驗(yàn)的真實(shí)性和可靠性，準(zhǔn)確得出電能計(jì)量過(guò)程中的誤差情況[2]。在試驗(yàn)過(guò)程中，其具體的接線如下圖1所示。

在本次試驗(yàn)研究中，所需要的設(shè)備包括PQ102C諧波源發(fā)生裝置、SB2300電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀、紅相、科陸基波電能表、FPA-1全功率測(cè)試儀、電能質(zhì)量測(cè)試儀。諧波源發(fā)生裝置在試驗(yàn)中，需要發(fā)出基波電壓和電流信號(hào)，并按照既定的要求釋放疊加諧波電壓和電流，并承擔(dān)著改變基波和諧波信號(hào)相位的任務(wù)。電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀能夠?qū)﹄娔鼙砉δ堋⑷娔苷`差、基波電能誤差進(jìn)行測(cè)量。紅相和科陸基波電能表用于基波電能和全波電能的測(cè)量。全功率測(cè)試儀能夠精確地對(duì)諧波功率和方向進(jìn)行測(cè)試。電能質(zhì)量測(cè)試儀用于對(duì)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。通過(guò)試驗(yàn)，能夠得出電氣化鐵路諧波對(duì)電能計(jì)量誤差的影響：一方面，基波電能表全波電能測(cè)量過(guò)程中，全波電能表產(chǎn)生的誤差，能夠符合國(guó)家要求。這樣的前提必須是諧波電壓和電流相位為0°和180°。另一方面，在這個(gè)前提下，基波電能表基波電能計(jì)量對(duì)基波電能標(biāo)準(zhǔn)表的影響誤差也在有效的范圍內(nèi)。此外，關(guān)于回路疊加基波的電壓和電流信號(hào)測(cè)定，基波電能表的計(jì)量誤差為9%，試驗(yàn)結(jié)果顯示與理論值吻合，也就是說(shuō)，在諧波影響下，電量的計(jì)量要多于實(shí)際值。

4 結(jié)束語(yǔ)

諧波的存在，對(duì)于電網(wǎng)計(jì)量準(zhǔn)確性和合理性有著重要影響。尤其是，不合理的電能計(jì)量對(duì)于系統(tǒng)中的線性負(fù)荷用戶和供電部門(mén)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，為此，在電氣化鐵路供電系統(tǒng)中，應(yīng)該對(duì)由于諧波造成的不合理計(jì)量進(jìn)行規(guī)范，使供電和用電雙方達(dá)成合理、公平的協(xié)議。

參考文獻(xiàn)

[1]田華.試述電氣化鐵路供電諧波對(duì)電能計(jì)量的影響[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2013（23）.

[2]岳國(guó)義，段曉波，耿建坡，等.電氣化鐵路供電諧波對(duì)電能計(jì)量的影響研究[J].電測(cè)與儀表，2009，46（8）：39-43.