基于莫合泉變電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

馬天嬌，李 青，張明江，張琪瑞

(1.新疆鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，烏魯木齊 830000; 2.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830000;3.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030；4.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150090)

0 引 言

近年來(lái)，新疆的電氣化鐵路發(fā)展迅猛，截至2020年末，格庫(kù)鐵路、阿富準(zhǔn)鐵路建成通車后，新疆的鐵路運(yùn)營(yíng)總里程已達(dá)7 720.838 km，覆蓋新疆80%以上的縣級(jí)行政區(qū)，為新疆的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民的生產(chǎn)生活做出了重要貢獻(xiàn)。電氣化鐵路采用單相工頻電力機(jī)車，牽引站采用YNd11接線方式，故每列電鐵機(jī)車對(duì)電力系統(tǒng)構(gòu)成兩相制負(fù)荷。電鐵負(fù)荷作為兩相供電整流負(fù)荷，電流中含大量的負(fù)序和諧波電流，其中以三次諧波最為顯著。同時(shí)，電鐵負(fù)荷受線路條件、機(jī)車類型、牽引負(fù)荷等因素影響，波動(dòng)性較大。另外，電鐵機(jī)車在啟動(dòng)與過(guò)分區(qū)空載投入時(shí)，變壓器還會(huì)因空投產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流。因此，電鐵負(fù)荷具有非線性、三相不對(duì)稱、波動(dòng)性、沖擊性等多重特征[1-4]。隨著電鐵機(jī)車運(yùn)行速度的提高，其取用功率成倍增加，使得電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)的影響日益突出。此外，電鐵機(jī)車沿鐵路移動(dòng)取電，產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)比其他負(fù)荷更為廣泛和嚴(yán)重。為掌握目前電網(wǎng)和用戶負(fù)荷受電氣化鐵路影響的基本狀況，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，滿足電氣化鐵路快速發(fā)展的供電需求并為后續(xù)的理論研究提供依據(jù)，該文以220 kV莫合泉變電站為例，對(duì)受電鐵干擾的變電站開展電能質(zhì)量測(cè)試，并對(duì)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行分析，給出相應(yīng)的電能質(zhì)量改善措施。

1 220 kV莫合泉變電站的電能質(zhì)量測(cè)試

1.1 莫合泉變電站簡(jiǎn)介

圖1為220 kV莫合泉變電站在新疆電網(wǎng)中的位置。220 kV莫合泉變電站的主變?nèi)萘繛?80 MVA，無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量為10 Mvar，其電氣主接線如圖2所示。蘑菇灘、烏蘭達(dá)布斯兩座牽引站通過(guò)口岸變110 kV岸灘牽一線和莫合泉變電站110 kV莫灘牽線供電，從圖2可以看出，莫合泉變電站除鐵路牽引負(fù)荷外沒(méi)有其他干擾源，其電能質(zhì)量測(cè)試結(jié)果能為電鐵負(fù)荷對(duì)變電站電能質(zhì)量的影響分析提供可靠的數(shù)據(jù)。

圖1 220 kV莫合泉變電站接入電網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of 220 kV Mohequan substation connected to power grid

圖2 220 kV莫合泉變電站的電氣主接線圖Fig.2 Main electrical wiring diagram of 220 kV Mohequan substation

1.2 測(cè)試情況

2017年9月19日至23日,使用Nexus1500+便攜式電能質(zhì)量測(cè)試分析儀,在莫合泉變電站220 kV、110 kV母線并列運(yùn)行且莫灘牽線分別處于主供和備用的狀態(tài)下,對(duì)莫合泉變電站的1號(hào)主變高、中、低壓側(cè)及110 kV莫灘牽線進(jìn)行了電能質(zhì)量測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括供電電壓偏差、電壓閃變、電壓三相不平衡度、頻率偏差、諧波電壓及諧波電流。測(cè)試期間站內(nèi)2號(hào)電容器組始終投入運(yùn)行。

1.3 測(cè)試結(jié)果

電能質(zhì)量測(cè)試結(jié)果顯示除110 kV莫灘牽線諧波電流和35 kV母線的3次諧波電壓外，其余電能質(zhì)量測(cè)試指標(biāo)均合格。其中110 kV莫灘牽線諧波電流測(cè)試數(shù)據(jù)見表1，莫灘牽線主供和備用時(shí)35 kV、110 kV和220 kV母線諧波電壓含有率見圖3～5。

圖3 35 kV母線諧波電壓含有率Fig.3 Harmonic voltage content of 35 kV Bus

圖4 110 kV母線諧波電壓含有率Fig.4 Harmonic voltage content of 110 kV Bus

圖5 220 kV母線諧波電壓含有率Fig.5 Harmonic voltage content of 220 kV Bus

表1 110kV莫灘牽線諧波電流值(95%)Table 1 Harmonic current value of 110 kV Motan lead wire(95%) 單位：A

2 指標(biāo)超標(biāo)分析

2.1 110 kV莫灘牽線主供時(shí)諧波電流超標(biāo)及高次諧波放大問(wèn)題

由測(cè)試結(jié)果可知，莫灘牽線在主供牽引站時(shí)，1號(hào)主變高中低側(cè)的奇次諧波電壓都明顯增大，但并未導(dǎo)致新增諧波電壓的超標(biāo)。但莫灘牽線的奇次諧波電流均增至超標(biāo)，特別是3次諧波電流，增大近70倍。而以3次諧波電流為主的奇次諧波電流正是電鐵機(jī)車諧波電流的主要特征，因此，可以初步判斷，莫灘牽線在主供牽引站時(shí)的諧波電流超標(biāo)問(wèn)題與電鐵負(fù)荷之間存在直接的因果關(guān)系。

電力牽引網(wǎng)是由若干導(dǎo)線組成的多導(dǎo)體傳輸線，具有分布電容，當(dāng)電鐵機(jī)車的電流頻譜與牽引網(wǎng)的諧振頻率重疊且電流達(dá)到一定幅值時(shí)，會(huì)激發(fā)高次諧波諧振[5]。在電能質(zhì)量測(cè)試中，莫灘牽線也發(fā)現(xiàn)了高次諧波經(jīng)牽引站線路放大的問(wèn)題。110 kV莫灘牽線主供和備用時(shí)的高次諧波電流頻譜如圖6所示。由圖6可以看出，莫灘牽線在主供牽引站時(shí)27～41次的諧波電流均偏大，其中以35次的諧波電流最大，A相的95%概率值達(dá)13.3 A；備用時(shí)各次諧波電流較主供時(shí)小很多，但35次諧波電流依然保持在一個(gè)較高的水平，其95%概率值為5.4 A，說(shuō)明莫灘牽線會(huì)對(duì)特定頻率的諧波產(chǎn)生一定程度的放大作用，存在諧波諧振的可能性。

圖6 110 kV莫灘牽線主供和備用時(shí)的高次諧波電流頻譜(95%)Fig.6 High order harmonic current spectrun (95%) daring main supply and standby of 110 kV Motan pull line

2.2 35 kV母線3次諧波電壓超標(biāo)分析

從圖3～5可以看出，在莫灘牽線備用時(shí)莫合泉變電站1號(hào)主變的110 kV和220 kV母線3次諧波電壓含有率分別為0.34%和0.24%，而35 kV母線3次諧波電壓含有率為2.64%，超出國(guó)標(biāo)的要求值2.4%。一般而言，變電站的諧波源為產(chǎn)生諧波電流的非線性設(shè)備和非線性負(fù)荷[6]。而1號(hào)主變低壓側(cè)的3次諧波電流為3.16 A，遠(yuǎn)低于限值的25.92 A，由此可推斷該站的非線性負(fù)荷非其主要諧波源。

高壓系統(tǒng)非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流注入系統(tǒng)所形成的諧波電壓，對(duì)低壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是背景諧波，背景諧波由變壓器高壓向低壓傳遞的規(guī)律可用下式進(jìn)行工程估算。

式中：UH,h為變壓器高壓側(cè)進(jìn)線末端的h次背景諧波電壓；UL,h為變壓器高壓側(cè)進(jìn)線末端的h次背景諧波電壓引起的低壓母線的h次背景諧波電壓。

由此可以估算出：莫合泉變電站1號(hào)主變高壓側(cè)的3次諧波電壓傳導(dǎo)至低壓側(cè)的3次諧波電壓總含量約為0.366%，故造成該站35 kV母線3次諧波電壓超標(biāo)的應(yīng)為該站低壓側(cè)非線性設(shè)備。根據(jù)莫合泉變電站的電氣主接線圖，該站低壓側(cè)只有所用電和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，無(wú)其他潛在的諧波源，且測(cè)試期間電容器組處于投運(yùn)狀態(tài)，因此可以斷定，35 kV母線3次諧波電壓的超標(biāo)是由電容器組引起的。

3 治理措施

3.1 查清諧波源頭與治理

對(duì)于由電鐵負(fù)荷引起的諧波電流超標(biāo)，既可通過(guò)改進(jìn)電鐵機(jī)車的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從源頭來(lái)抑制諧波電流，亦可通過(guò)在變電站加裝濾波器或綜合補(bǔ)償設(shè)備來(lái)濾除或抑制諧波電流。

針對(duì)莫灘牽線25次以上諧波電流偏高的問(wèn)題，需協(xié)調(diào)鐵路部門，在110 kV莫灘牽線的電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)比較電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)同次諧波電流的比值，以確定諧波電流在經(jīng)過(guò)牽引線路時(shí)是否發(fā)生了諧波放大效應(yīng)，從而查清諧波來(lái)源。若確認(rèn)高次諧波的放大是由牽引網(wǎng)自身參數(shù)引起的，可通過(guò)改變系統(tǒng)自身的參數(shù)以改變諧波諧振的頻率，避開幅值較高的高次諧波，或加裝高通濾波器濾除高次諧波進(jìn)而改善電網(wǎng)的諧波水平。若確認(rèn)諧波放大是用戶側(cè)的原因，則責(zé)成相關(guān)用戶進(jìn)行整改或在用戶側(cè)加裝高通濾波器。

3.2 35 kV母線3次諧波電壓超標(biāo)的治理措施

為限制電容器合閘涌流和對(duì)高次諧波的放大，變電站的電容器補(bǔ)償裝置一般都需串接一定電抗率的電抗器，但若其串抗率選擇不當(dāng)，則會(huì)造成對(duì)某些低次諧波的放大效果[7-8]。

針對(duì)35 kV母線3次諧波電壓的超標(biāo)問(wèn)題，需對(duì)電容器組的3次諧波電流進(jìn)行測(cè)試。若確認(rèn)電容器組為3次諧波電壓超標(biāo)的根本原因，可根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)調(diào)整電容器組的串抗率、容量、加設(shè)3次諧波濾波裝置或并補(bǔ)濾波成套裝置等方案改善。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)典型電鐵機(jī)車牽引站——220 kV莫合泉變電站進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)試及分析，發(fā)現(xiàn)電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)的諧波電流影響嚴(yán)重，需要予以高度的重視，并加強(qiáng)治理。在此次測(cè)試中，還發(fā)現(xiàn)莫合泉變電站存在低壓側(cè)3次諧波電壓超標(biāo)的問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，結(jié)合該站的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行了初步分析，給出了相應(yīng)的改善建議和措施。