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(fù)荷屬于大功率單相整流負(fù)荷，電鐵通過時(shí)產(chǎn)生的負(fù)序和諧波電流經(jīng)線路進(jìn)入電力系統(tǒng)，會(huì)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(yùn)行的干擾點(diǎn)，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(dòng)/偏差[3-5]等多角度分析電能質(zhì)量指標(biāo)，并對(duì)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(duì)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(tái)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(yuǎn)期最大負(fù)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(yùn)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(xiàng)目的電能質(zhì)量指標(biāo)考核點(diǎn)為牽引供電所與電力系統(tǒng)的公共連接點(diǎn)（PCC）處。

本工程采用的機(jī)車類型為大功率HXD型交直交機(jī)車，機(jī)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(píng)估

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

2.1 諧波電流的評(píng)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(diǎn)處各次諧波電流允許值如表2所示。

表2 考核點(diǎn)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(duì)比表3和表2發(fā)現(xiàn)，考核點(diǎn)處3次諧波電流的允許值為1.53 A，注入考核點(diǎn)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(dòng)態(tài)無功補(bǔ)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(shí)，應(yīng)使諧波治理裝置的基波無功容量與無功補(bǔ)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(xiàng)目接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

2.2 諧波電壓的評(píng)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(diǎn)（PCC）諧波電壓（相電壓）限值要求如表4所示。

表4 考核點(diǎn)處各次諧波電壓允許值

諧波電壓的計(jì)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(yùn)行方式下公共連接點(diǎn)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(jì)算，公共連接點(diǎn)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(píng)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(diǎn)處的負(fù)序電流引起的三相不平衡度應(yīng)小于1.3%，短時(shí)不超過2.6%。

V/V接線牽引變供電臂負(fù)荷電流和系統(tǒng)側(cè)正序電流I1、負(fù)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(jì)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(diǎn)的線電壓均方根值；Sd為最小運(yùn)行方式下公共連接點(diǎn)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(yùn)行方式下公共連接點(diǎn)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(bǔ)償?shù)姆椒?，則需要綜合考慮，使濾波治理裝置、不平衡治理裝置和無功補(bǔ)償裝置輸出的無功容量范圍滿足本項(xiàng)目接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

2.4 電壓波動(dòng)的評(píng)估

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

電壓波動(dòng)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(gè)極值電壓之差。

電鐵通過時(shí)形成的單次電壓波動(dòng)可通過電網(wǎng)參數(shù)和負(fù)荷量進(jìn)行估算。電壓波動(dòng)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(fù)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(dòng)如下式所示：

式中：Sd為最小運(yùn)行方式下公共連接點(diǎn)的三相短路容量。

單臺(tái)HXD型電力機(jī)車最大功率7.2 MW，功率因數(shù)0.98，對(duì)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(dòng)為0.44%，滿足國標(biāo)限值2.5%的要求。

2.5 電壓偏差的評(píng)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(fù)偏差絕對(duì)值之和不超過額定電壓的10%。

對(duì)公共連接點(diǎn)電壓偏差的計(jì)算如下式所示：

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

最小運(yùn)行方式下公共接入點(diǎn)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(shí)產(chǎn)生的負(fù)序和諧波電流經(jīng)線路流入電網(wǎng)，會(huì)引起電網(wǎng)較為顯著的電能質(zhì)量問題。

本文以實(shí)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(duì)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(jià)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(yùn)行。