淺談多線合用牽引變電所電能質量實測分析

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：多線合用牽引變電所運行條件復雜,實測數據更能反映牽引變電所真實的運行狀況。首先分析了牽引變所功率因數、三相電壓不平衡、諧波等電能質量問題,然后基于實測數據對合蚌客專3座牽引變電所電能質量進行了分析。通過分析得出,牽引變電所電能質量符合國家標準要求,但是個別變電所存在高次諧波諧振問題。

關鍵詞：電氣化鐵路;電能質量;實測數據

0、引言

電氣化鐵路電能質量問題一直以來備受關注,牽引變電所電能質量評估是新建鐵路開通前的重要內容,但是電能質量評估中采取的各類數據是理論計算值,并不能真實反映電氣化鐵路實際運行情況。特別是當鐵路開通后,有其他線路接入,牽引變電所的運行條件發生了重大改變,這時需要對牽引變電所實際運行數據進行測量,利用實測數據對牽引變電所電能質量進行分析和評估。

1、概況

合肥至蚌埠客運專線(以下簡稱合蚌客專)由京滬高鐵蚌埠南站引出,終于合肥樞紐合肥站,與水蚌線、淮南線、商合杭高鐵、合福鐵路等多條鐵路或交叉或并行,牽引供電系統采用AT供電方式,新建劉府、水家湖、邵崗3座牽引變電所。為了實現資源共享,節省工程投資,根據線位特點,3座牽引變電所同時為多條鐵路供電:劉府牽引變電所為合蚌客專、水蚌線供電;水家湖牽引變電所為合蚌客專、水蚌線、淮南線、商合杭高鐵供電;邵崗牽引變電所為合蚌客專、淮南線、商合杭高鐵、合福鐵路供電。合蚌客專線路及牽引變電所分布示意圖如圖1所示。

圖1線路及牽引變電所分布示意圖

合蚌客專線路情況復雜,電力機車類型多,AT供電方式和直接供電方式并存,給理論分析帶來困難,因此本文對合蚌客專牽引變電所220kV側三相電壓、電流和27．5kV母線電壓和電流以及饋線電流等實時運行數據進行了采集,并基于實測數據對牽引變電所功率因數、三相電壓不平衡和諧波等電能質量問題進行了分析。

功率因數

2.1功率因數影響因素

牽引變電所功率因數主要受三個方面影響。

(1)交直型電力機車。交直型電力機車(如SS系列)功率因數在0．8左右,交直交型電力機車(如和諧號、復興號、HXD等)功率因數在0．97以上。目前,交直型電力機車僅在部分普速電氣化鐵路中運行,交直交型電力機車所占比例越來越高,相關的文獻分析結果表明,在兩種電力機車混跑的線路中,交直型電力機車所占比例達到22．9％時,牽引變電所的功率因數降到0．9。

(2)分布式容性電流。接觸網為長距離輸電線路,會產生分布式容性電流。以一個雙線電氣化鐵路牽引變電所為例,若變電所有4回AT饋線,供電臂長度為25km,架空接觸網單位電容電流參照35kV線路為0．18A/km,則變電所27．5kV側電容電流為0．18×25×4＝18A,折算到220kV側為4．5A,產生的無功功率為1714kvar.

雖然架空線路產生的無功功率相對于機車功率小,但是當線路上開行的列車對數少,線路空載率過高時,牽引變電所全天功率因數會降低。

(3)無功功率計量方式。牽引變電所全天功率因數可分為“返送反計”“返送不計”“返送正計”三種計量方式。

“返送反計”計量方式的計算公式為: cosφ＝ “返送不計”計量方式的計算公式為: cosφ＝ “返送正計”計量方式的計算公式為: cosφ＝ 式中,P為有功功率;QL為感性無功功率;功功率。

(1) (2) (3) QC為容性無

由式(1)~(3)可以看出,3種牽引變電所功率因數計算方式差異較大,“返送正計”方式功率因數*低。

2.2實測數據分析

合蚌客專3座牽引變電所功率因數的實測值如圖2~4所示。由于牽引變電所供電線路的機車均為交直交型電力機車,牽引變電所功率因數保持在較高的水平,實測值也可以反映這一點,其中功率因數為負值對應的時刻是機車在運行過程中的再生制動工況。

圖2劉府牽引變電所功率因數實測值

圖3水家湖牽引變電所功率因數實測值

圖4邵崗牽引變電所功率因數實測值

3座牽引變電所全天功率因數統計見表1,在“返送反計”“返送不計”方式下,3座牽引變電所功率因數都達

由圖2~4可以看出,劉府牽引變電所存在較長時間的線路空載情況,而水家湖和邵崗牽引變電所幾乎不存在空載情況,這是由于水蚌線還未開通,劉府牽引變電所目前只為合蚌客專一條鐵路供電,而水家湖和邵崗牽引變電所則同時為3條鐵路供電。從表1可知,受空載線路分布式容性電流影響,劉府牽引變電所功率因數小于其他2座變電所。

表1牽引變電所全天功率因數

計量方式	劉府牽引變電所	水家湖牽引變電所	邵崗牽引變電所
返送反計	0．9914	0．9965	0．9927
返送不計	0．9141	0．9721	0．9746
返送正計	0．7002	0．8699	0．8648

三相電壓不平衡

3.1牽引變電所負序影響分析

牽引變電所采用V/X牽引變壓器,其原理如圖5所示,高壓側接入電力系統220kV三相電源,二次側設2臺單相變壓器,分別為變電所α和β兩側供電臂供電,其中每個單相變壓器設有T和F繞組,二次側Tα、Tβ之間,Fα、Fβ之間電壓相位相差60°。

圖5VX接線變壓器原理圖

通過分析一次側電流與二次側負載電流關系,并采用對稱分量法對一次側三相電流進行分解,可得負序電流

為：

(4)式中,k為變壓器一次側和二次側繞組匝數比,對于220/2×27．5kV變壓器,k＝8。

根據GB/T15543－2008,電壓不平衡度為:3。I2。ULεU2＝Sk×100％(5)由式(5)可知,牽引變電所電壓不平衡度受負序電流I2和接入點的系統短路容量Sk影響。根據式(4),負序電流I2與變電所兩側負荷電流有關。系統短路容量Sk則由電力系統決定。

3.2實測數據分析

通過測量變電所220kV側三相電壓的幅值和相位,用對稱分量法分別求出正序分量、負序分量,然后計算出負序電壓不平衡度,將獲得的24h數據繪制成電壓不平衡度曲線,如圖6~8所示,其95％概率較大值和較大值見表2。根據GB/T15543－2008?電能質量三相電壓不平衡?規定,接于公共連接點的每個用戶引起的該點負序電壓不平衡度允許值一般為1．3％,短時不超過2．6％。因此牽引變電所三相電壓不平衡度滿足規范要求。

圖6劉府牽引變電所220kV側電壓不平衡度

圖7水家湖牽引變電所220kV側電壓不平衡度

圖8邵崗牽引變電所220kV側電壓不平衡度

表2牽引變電所220kV側電壓不平衡度

三相電壓不平衡/％	劉府牽引變電所	水家湖牽引變電所	邵崗牽引變電所
95％概率大值	0．5059	0．8562	0．5703
較大值	0．9991	1．6574	1．1995

4、諧波

4.1電力機車諧波特性

牽引供電系統中的主要諧波源是電力機車。由于交直型機車采用不可控二極管變流,因此機車牽引電流含有豐富的奇次諧波,但基本上集中在3、5、7次等低次范圍。交直交型機車由于采用PWM技術,大大降低了諧波含量,但諧波頻譜較寬,含有低次和高次諧波。其中,低次諧波主要由牽引電路的拓撲結構和控制算法引起,主要分布在3、5、7、9次;高次諧波主要由PWM算法引起,與開關頻率有關,由于不同車型的開關頻率不同,高次諧波特性也不盡相同,如CRH2、CRH380A、HXD3等車型的高次諧波主要分布在50、100次附近,CRH3、CHR380B、HXD1等車型的高次諧波主要分布在35、70次附近。不同型號的列車在線路上同時運行,會給系統帶來含量豐富且頻帶分布多樣的諧波,也會較大諧波諧振動概率。

4.2諧波電壓總畸變率

合蚌客專3座牽引變電所各相諧波電壓總畸變率實測值見表3。根據GB/T14549－1993,220kV公用電網諧波電壓限值為2％,諧波測量的數據取測量時段內各相實測值的95％概率值中*大的一相值作為判斷諧波是否超過允許值的依據。

表3牽引變電所220kV側諧波電壓總畸變率

諧波電壓總畸變率/％	劉府牽引變電所水家湖牽引變電所						邵崗牽引變電所
	A相	B相	C相	A相	B相	C相	A相	B相	C相
95％概率 大值 較大值	0．8632	0．9361	0．8809	0．8797	0．9254	0．6810	1．0504	0．9150	1．059
	1．0190	1．0756	1．0216	1．6787	2．1958	2．3183	1．7602	1．4000	1．3149

由表3可知,合蚌客專3座牽引變電所諧波電壓總畸變率滿足國家標準要求,水家湖變電所B相和C相諧波電壓畸變率較大值超過2％,存在諧振的可能。

4.3諧波頻譜特性

由表3可以看出,劉府牽引變電所B相、水家湖牽引變電所B相、邵崗牽引變電所A相諧波電壓總畸變率95％概率值是各相中*大的,諧波畸變率實測曲線如圖9、圖10、圖11所示,諧波電壓總畸變率95％概率大值附近9個點對應的頻譜如圖12、圖13、圖14所示。

圖9劉府牽引變電所B相電壓總諧波畸變率

圖10水家湖牽引變電所B相電壓總諧波畸變率

圖11邵崗牽引變電所A相電壓總諧波畸變率

圖12劉府牽引變電所B相電壓諧波頻譜

圖13水家湖牽引變電所B相電壓諧波頻譜

圖14邵崗牽引變電所A相電壓諧波頻譜

由諧波頻譜可以看出,劉府和邵崗牽引變電所電壓諧波主要集中在5、7、13次低次諧波;水家湖牽引變電所諧波主要是3、5、7、13次低次諧波和40至50之間高次諧波,還有兩個點出現了21至35次諧波。

4.4諧振

水家湖牽引變電所C相電壓總諧波畸變率實測曲線如圖15所示,可以看出水家湖牽引變電所發生了密集的諧振,尤其在16時左右和21時左右發生了嚴重的諧振,諧波含量超過了2％;其頻譜如圖16所示,25次諧波發生諧振。

圖15水家湖牽引變電所C相電壓總諧波畸變率

圖16水家湖牽引變電所諧振諧波頻譜

5、安科瑞AcrelCloud-1000變電所運維云平臺

5.1概述

基于互聯網＋、大數據、移動通訊等技術開發的云端管理平臺，滿足用戶或運維公司監測眾多變電所回路運行狀態和參數、室內環境溫濕度、電纜及母線運行溫度、現場設備或環境視頻場景等需求，實現數據一個中心，集中存儲、統一管理，方便使用，支持具有權限的用戶通過電腦、手機、PAD等各類終端鏈接訪問、接收警報，并完成有關設備日常和定期巡檢和派單等管理工作。

5.2應用場所

適用于電信、金融、交通、能源、醫用衛生、文體、教育科研、農林水利、商業服務、公用事業等行業變配電運行維護系統的新建、擴建和改建。

5.3系統結構

系統可分為四層：即感知層、傳輸層、應用層和展示層。

感知層：包含變電所安裝的多功能儀表、溫濕度監測裝置、攝影頭、開關量采集裝置等。除攝影頭外，其它設備通過RS485總線接入現場智能網關RS485端口。

傳輸層：包含現場智能網關和交換機等設備。智能網關主動采集現場設備層設備的數據，并可進行規約轉換，數據存儲，并通過交換機把數據上傳至服務器端口，網絡故障時數據可存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。

應用層：包含應用服務器和數據庫服務器，若變電所數量小于30個則應用服務器和數據庫服務器可以合一配置。服務器需要具備固定IP地址，以接收各智能網關主動傳送過來的數據。

展示層：用戶通過手機、平板、電腦等多終端的方式訪問平臺信息。

5.4系統功能

5.4.1用能月報

用能月報支持用戶按總用電量、變電站名稱、變電站編號等查詢所管理站所的用電量，查詢跨度可設置為月。

5.4.2站點監測

站點監測包括概況、運行狀態、當日事件記錄、當日逐時用電曲線、用電概況。

5.4.3變壓器狀態

變壓器狀態支持用戶查詢所有或某個站所的變壓器功率、負荷率、等運行狀態數據，支持按負荷率、功率等升、降序排名。

5.4.4運維

運維展示當前用戶管理的有關變電所在地圖上位置及總量信息。

5.4.5配電圖

配電圖展示被選中的變電所的配電信息，配電圖顯示各回路的開關狀態、電流等運行狀態及信息，支持電壓、電流、功率等詳細運行參數查詢。

5.4.6視頻監控

視頻監控展示了當前實時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。

5.4.7電力運行報表

電力運行報表顯示選定站所選定設備各回路采集間隔運行參數和電能抄表的實時值及平均值行統計。

5.4.8警報信息

對平臺所有警報信息進行分析。

5.4.9任務管理

任務管理頁面可以發布巡檢或消缺任務，查看巡檢或消缺任務的狀態和完成情況，可以點擊查看任務查看具體的巡檢信息。

5.4.10用戶報告

用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、警報事件等進行統計分析，并列出在該周期內巡檢時發現的各類缺失及處理情況。

5.4.11APP監測

電力運維手機支持“監控系統”、“設備檔案”、“待辦事項”、“巡檢記錄”、“缺失記錄”、“文檔管理”和“用戶報告”七大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環比、電能質量、各種事件警報查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢、用戶報告、文檔管理等。

5.5系統硬件配置

應用場合	型號	外觀圖	型號、規格
變電所運維云平臺	AcrelCloud-1000		AcrelCloud-1000變電所運維云平臺基于互聯網＋、大數據、移動通訊等技術開發的云端管理平臺，滿足用戶或運維公司監測眾多變電所回路運行狀態和參數、室內環境溫濕度、電纜及母線運行溫度、現場設備或環境視頻場景等需求，實現數據一個中心，集中存儲、統一管理，方便使用，支持具有權限的用戶通過電腦、手機、PAD等各類終端鏈接訪問、接收警報，并完成有關設備日常和定期巡檢和派單等管理工作。
網關	ANet-2E4SM		4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC12V～36V。支持4G擴展模塊，485擴展模塊。
	擴展模塊ANet-485		M485模塊：4路光耦隔離RS485
	擴展模塊ANet-M4G		M4G模塊：支持4G全網通
中壓進線	AM6-L		三段式過流保護（帶方向、低壓閉鎖）、過負荷保護、PT斷線告警、逆功率保護、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環保護、斷路器失靈保護
	APM810		三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In；四象限電能；實時及需量；電流、電壓不平衡度；負載電流柱狀圖顯示；66種警報類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄；2-63次諧波；2DI+2DO RS485/Modbus；LCD顯示；
中壓進線	APView500		相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓／電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動／閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內存32G,16D0+22D1,通訊 2RS485+1RS232+1GPS,3以太網接口（＋1維護網口）＋1USB接口，支持U盤讀取數據，支持61850協議。
中壓饋線	AM6-L		三段式過流保護（帶方向、低壓閉鎖）、過負荷保護、PT斷線告警、逆功率保護、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環保護、斷路器失靈保護
	APM810		三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In；四象限電能；實時及需量；電流、電壓不平衡度；負載電流柱狀圖顯示；66種警報類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄；2-63次諧波；2DI+2DO RS485/Modbus；LCD顯示；
低壓進線	AEM96		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規格3×1。5(6)A，有功電能精度0。5S級,無功電能精度2級；工作溫度：-10℃～+55℃；相對濕度：≤95不結露
低壓出線	AEM72		三相電參量U、1、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、低壓出線分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規格3x1。5(6)A,有功電能精度0。5S級，無功電能精度2級
	ADW300		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，有功電能計量（正、反向）、四象限無功電能、總諧波含量、分次諧波含量（2～31次）；A、B、C、N四路測溫；1路剩余電流測量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD顯示；有功電能精度：0。5S級
無線測溫	ATE-400		合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A,測溫范圍－50-125℃,測量精度±1℃;傳輸距離空曠150米
	ATC-600		兩種工作模式：終端、中繼。ATC600-Z做中繼透傳，ATC600-Z到ATC600-C的傳輸距離空曠1000m,ATC600-C可接收ATE系列傳感器、 AHE等傳輸的數據，1路485,2路警報出口。
環境溫濕度	WHD		WHD溫濕度控制器產品主要用于中高壓開關柜、端子箱、環網柜、箱變等設備內部溫度和濕度調節控制。工作電源：AC/DC85～265V工作溫度：-40。0℃～99。9℃工作濕度：0RH～99RH
水浸傳感器	RS-SJ-*-2		接觸式水浸傳感器，監測變電所、電纜溝、控制室等場所積水情況，工作電源：DC10-30V工作溫度：－20℃+60℃工作濕度：0%RH~80%RH響應時間：1s繼電器輸出：常開觸點。
攝影機	CS-C5C-3B1WFR		支持720P高清圖像，*高支持分辨率可達到130萬像素（1280*960)內置麥克風與揚聲器具有語音雙向對講功能，支持螢石云互聯網服務，通過手機、PC等終端實現遠程互動和視頻觀看。
煙霧傳感器	BRJ-307		光電式煙霧傳感：電源正極（DC12V):+12V 繼電器輸出：常開觸點
門禁	MC-58(常開型）		常開型；感應距離：30-50mm材質：鋅合金，銀灰色電度，干接點輸出。
配套附件	ARTU-K16		常開型；感應距離：30-50mm材質：鋅合金，銀灰色電度干接點輸出
	KDYA-DG30-24K		輸出DC24V;24V電源

6、結語

由合蚌客專3座牽引變電所電能質量實測數據的分析可知,采用交直交電力機車后,牽引變電所功率因數得到了顯著提高,諧波含量也大為降低,同時牽引變電所外部電源采用220kV后,系統容量的提升使牽引變電所負序問題得到了解決,在電力部門和鐵路部門的不斷努力下,電氣化鐵路電能質量問題已經得到了較大的改善由于牽引網分布容性電流,對于一些列車對數不多的電氣化鐵路,如新建線路在初期運行時,有可能存在功率因數過低的情況。另外,對于多條鐵路共用牽引變電所,尤其是樞紐牽引變電所,由于車型多,注入的諧波電流頻帶寬,發生諧振動的概率較大,應注意諧振引起的諧波超標問題,嚴重時應采取治理措施。

參考文獻

[1]劉華,馮金博．牽引網分布電容對牽引變電所功率因數的影響[J]．建筑工程技術與設計,2014(2):581G582．

[2]陳飛．新建時速200km客貨共線鐵路綜合功率因數計算[J]．鐵道工程學報,2007(4):65G68．

[3]方策,吳命利．京滬高鐵周立營牽引變電所電能質量治理測試分析[J]．電氣技術,2017(12):71G75．

[4]黃建平．合蚌客專牽引變壓器選型[J]．山西電力,2017(1):68G72．

[5]寧玉琳,陳國慶,閆紅宇．城際鐵路牽引變電所無功功率補償研究與應用[J]．電氣化鐵道,2016(4):40G42．

[6]趙曉琳．不同接線牽引變壓器負序特性及補償方案研究[D]．北京:北京交通大學,2014．

[7]余新才,彭昌勇,施通勤,等．CRH2型電力機車建模與諧波電流分析[J]．武漢大學學報(工學版),2012,45(1):107G110．

[8]李欣．CRH380A型高速動車組諧波特性分析與建模[D]．成都:西南交通大學,2016．

[9]邵洋．樞紐牽引供電系統諧振與諧波特性分析及治理研究[D]．

[10]黃建平.多線合用牽引變電所電能質量實測分析

[11]安科瑞企業微電網設計與應用設計,2019,11版。

審核編輯 黃宇