電氣化鐵路接入電網(wǎng)電能質(zhì)量評估分析

馮宏恩

（國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德 067000）

0 引言

電氣化鐵路接入電網(wǎng)引起的牽引負荷屬于大功率單相整流負荷，電鐵通過時產(chǎn)生的負序和諧波電流經(jīng)線路進入電力系統(tǒng)，會影響到用電設(shè)備的正常工作[1-2]。本文以某新建鐵路接入電網(wǎng)工程為例，將牽引供電所中的變壓器作為影響電網(wǎng)穩(wěn)定運行的干擾點，從電網(wǎng)的諧波電流、諧波電壓、三相電壓不平衡以及電壓波動/偏差[3-5]等多角度分析電能質(zhì)量指標(biāo)，并對于不滿足要求的指標(biāo)，采取治理措施，為電氣化鐵路接入電網(wǎng)審查提供參考依據(jù)，對提升電網(wǎng)電能質(zhì)量、改善用電環(huán)境具有重要意義。

1 工程概況

以某條鐵路的110 kV牽引供電所為例，所內(nèi)安裝2臺容量為32 MVA的牽引變壓器，主變壓器額定電壓110/27.5 kV，采用V/V型接線如圖1所示。短路阻抗百分比為8.4%。牽引變電站供電臂A方向，平均電流125 A，有效電流253 A，最大電流523 A；供電臂B方向平均電流169 A，有效電流364 A，最大電流722 A。遠期最大負荷為34.5 MW。

圖1 V/V型牽引變壓器繞組接線示意圖

該牽引變電所接入某220 kV變電站110 kV母線側(cè)，該變電站主變額定電壓230/121/38.5 kV，在系統(tǒng)最小方式運行情況下，變電站110 kV側(cè)母線短路容量為574 MVA，供電容量為180 MVA，用戶的協(xié)議容量為32 MVA。

本項目的電能質(zhì)量指標(biāo)考核點為牽引供電所與電力系統(tǒng)的公共連接點（PCC）處。

本工程采用的機車類型為大功率HXD型交直交機車，機車功率為7 200 kW，功率因數(shù)0.98，諧波含量低，頻譜寬。根據(jù)相關(guān)資料函，供電臂諧波電流含量如表1所示。

表1 某牽引供電所供電臂諧波電流含量 單位：A

2 電能質(zhì)量評估

電氣化鐵路接入公共連接點（PCC）處的電能質(zhì)量指標(biāo)限值和計算方法[6-10]如下。

2.1 諧波電流的評估

根據(jù)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中的規(guī)定，考核點處各次諧波電流允許值如表2所示。

表2 考核點處各次諧波電流允許值

三相V/V接牽引變壓器外接線（以C相位公共端說明）如圖2所示。

圖2 V/V接線的三相牽引變壓器供電原理圖

令兩供電臂輸入變壓器的各次諧波電流分別為Iah和Ibh，則輸入系統(tǒng)的各相線電流如下式所示：

式中：IAh、IBh、ICh為高壓側(cè)諧波電流；Iah、Ibh為a、b供電臂的諧波電流；K為變壓器的變比；h為諧波次數(shù)。

注入PCC的諧波電流取三相諧波電流最大值，如表3所示。

表3 注入PCC諧波電流值

對比表3和表2發(fā)現(xiàn)，考核點處3次諧波電流的允許值為1.53 A，注入考核點處的電流為2.44 A，3次諧波電流超標(biāo)，其余各次諧波電流合格。建議牽引供電所加裝動態(tài)無功補償裝置來濾除3次諧波，保證各次諧波電流全部滿足國標(biāo)要求。在配置諧波治理裝置時，應(yīng)使諧波治理裝置的基波無功容量與無功補償裝置的無功容量組合之后的無功容量輸出范圍滿足本項目接入系統(tǒng)設(shè)計的要求。

2.2 諧波電壓的評估

根據(jù)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中的規(guī)定，考核點（PCC）諧波電壓（相電壓）限值要求如表4所示。

表4 考核點處各次諧波電壓允許值

諧波電壓的計算可采用以下方法：

第h次諧波電壓含有率HRUh與第h次諧波電流分量Ih的關(guān)系如下式所示：

式中：UN為電網(wǎng)的標(biāo)稱電壓；Ih為第h次諧波電流；Sd為最小運行方式下公共連接點的三相短路容量。

第h次諧波電壓含有率HRUh：

式中：Uh為第h次諧波電壓（均方根值）；U1為基波電壓（均方根值）。

諧波總電壓含量UH如下式所示：

電壓總諧波畸變率THDU如下式所示：

經(jīng)計算，公共連接點處各次諧波電壓含量如表5所示。

表5 PCC各次諧波電壓含量

各次諧波電壓畸變率和總諧波電壓畸變率均合格，電壓總諧波畸變率THDU為0.308%，符合國標(biāo)限值2%的規(guī)定。

2.3 三相電壓不平衡的評估

根據(jù)GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量三相電壓不平衡》中的規(guī)定，牽引供電所注入考核點處的負序電流引起的三相不平衡度應(yīng)小于1.3%，短時不超過2.6%。

V/V接線牽引變供電臂負荷電流和系統(tǒng)側(cè)正序電流I1、負序電流I2的關(guān)系如下式所示：

式中：Ia、Ib為供電臂的有效和最大電流；K為變壓器的變比。

工程上為了簡便，三相電壓不平衡度的計算如下式所示：

式中：ε為三相電壓不平衡度；UL為公共連接點的線電壓均方根值；Sd為最小運行方式下公共連接點的三相短路容量。

由背景資料可知，牽引變壓器變比K=4，供電臂的有效電流和最大電流分別為253 A和722 A，最小運行方式下公共連接點的短路容量為574 MVA，代入公式（7）和（8），可求得三相電壓不平衡度為3.04%，超過國標(biāo)限值2.6%的要求，建議額外加裝不平衡治理裝置。如果不平衡治理也是采用無功補償?shù)姆椒ǎ瑒t需要綜合考慮，使濾波治理裝置、不平衡治理裝置和無功補償裝置輸出的無功容量范圍滿足本項目接入系統(tǒng)設(shè)計的要求。

2.4 電壓波動的評估

根據(jù)GB 12326—2008《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》中的規(guī)定，牽引供電所注入考核點處引起的電壓波動限值應(yīng)為2.5%。

電壓波動d的定義如下式所示：

式中：UN為電網(wǎng)標(biāo)稱電壓；ΔU為電壓均方根曲線上相鄰兩個極值電壓之差。

電鐵通過時形成的單次電壓波動可通過電網(wǎng)參數(shù)和負荷量進行估算。電壓波動如下式所示：

式中：RL、XL分別為電網(wǎng)阻抗的電阻、電抗分量；ΔPi、ΔQi分別為負荷有功功率和無功功率的變化量。

在電網(wǎng)中，一般XL?RL，則電壓波動如下式所示：

式中：Sd為最小運行方式下公共連接點的三相短路容量。

單臺HXD型電力機車最大功率7.2 MW，功率因數(shù)0.98，對應(yīng)最大無功沖擊為1.46 Mvar，短路容量574 MWA，根據(jù)式（11）估算電壓波動為0.44%，滿足國標(biāo)限值2.5%的要求。

2.5 電壓偏差的評估

根據(jù)GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量供電電壓偏差》中的規(guī)定，35 kV及以上供電電壓正、負偏差絕對值之和不超過額定電壓的10%。

對公共連接點電壓偏差的計算如下式所示：

式中：δU為電壓偏差；Qmax為負荷最大無功容量；Sd為最小運行方式下公共連接點的三相短路容量。

最小運行方式下公共接入點最小短路容量574 MVA，功率因數(shù)0.98，有功功率34.5 MW，無功功率10.56 Mvar，根據(jù)式（12）估算電壓偏差為3.19%，滿足國標(biāo)限值10%的要求。

3 結(jié)束語

電氣化鐵路接入電網(wǎng)，電鐵通過時產(chǎn)生的負序和諧波電流經(jīng)線路流入電網(wǎng)，會引起電網(wǎng)較為顯著的電能質(zhì)量問題。

本文以實際工程為例，介紹了電能質(zhì)量分析方法，從多角度分析電能質(zhì)量指標(biāo)，并對不合格指標(biāo)提出了治理措施，為電氣化電路接入電網(wǎng)的審查提供了重要的參考依據(jù)，具有較高的應(yīng)用價值。后續(xù)應(yīng)采取在線設(shè)備檢測方式，提高電能質(zhì)量預(yù)警監(jiān)測水平，保障電力系統(tǒng)和鐵路的安全穩(wěn)定運行。