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(nèi)容,但是電能質量評估中采取的各類數(shù)據(jù)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(fā)生了重大改變,這時需要對牽引變電所實際運行數(shù)據(jù)進行測量,利用實測數(shù)據(jù)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(tǒng)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(xiàn)資源共享,節(jié)省工程投資,根據(jù)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(shù)據(jù)進行了采集,并基于實測數(shù)據(jù)對牽引變電所功率因數(shù)、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(shù)
2.1功率因數(shù)影響因素
牽引變電所功率因數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)降到0．9。
(2)分布式容性電流。接觸網(wǎng)為長距離輸電線路,會產(chǎn)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(wǎng)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(chǎn)生的無功功率為1714kvar.
雖然架空線路產(chǎn)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(shù)少,線路空載率過高時,牽引變電所全天功率因數(shù)會降低。
(3)無功功率計量方式。牽引變電所全天功率因數(shù)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(shù)計算方式差異較大,“返送正計"方式功率因數(shù)*低。
2.2實測數(shù)據(jù)分析
合蚌客專3座牽引變電所功率因數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)實測值
圖3水家湖牽引變電所功率因數(shù)實測值
圖4邵崗牽引變電所功率因數(shù)實測值
3座牽引變電所全天功率因數(shù)統(tǒng)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(shù)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(shù)小于其他2座變電所。
表1牽引變電所全天功率因數(shù)
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(tǒng)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(shù)比,對于220/2×27．5kV變壓器,k＝8。
根據(jù)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(tǒng)短路容量Sk影響。根據(jù)式(4),負序電流I2與變電所兩側負荷電流有關。系統(tǒng)短路容量Sk則由電力系統(tǒng)決定。
3.2實測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jù)GB/T15543－2008?電能質量三相電壓不平衡?規(guī)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(guī)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(tǒng)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(tǒng)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(jù)GB/T14549－1993,220kV公用電網(wǎng)諧波電壓限值為2％,諧波測量的數(shù)據(jù)取測量時段內(nèi)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(jù)。
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(xiàn)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(fā)生了密集的諧振,尤其在16時左右和21時左右發(fā)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(fā)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(lián)網(wǎng)＋、大數(shù)據(jù)、移動通訊等技術開發(fā)的云端管理平臺，滿足用戶或運維公司監(jiān)測眾多變電所回路運行狀態(tài)和參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境溫濕度、電纜及母線運行溫度、現(xiàn)場設備或環(huán)境視頻場景等需求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)一個中心，集中存儲、統(tǒng)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(yī)用衛(wèi)生、文體、教育科研、農(nóng)林水利、商業(yè)服務、公用事業(yè)等行業(yè)變配電運行維護系統(tǒng)的新建、擴建和改建。
5.3系統(tǒng)結構
系統(tǒng)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(jiān)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(xiàn)場智能網(wǎng)關RS485端口。
傳輸層：包含現(xiàn)場智能網(wǎng)關和交換機等設備。智能網(wǎng)關主動采集現(xiàn)場設備層設備的數(shù)據(jù)，并可進行規(guī)約轉換，數(shù)據(jù)存儲，并通過交換機把數(shù)據(jù)上傳至服務器端口，網(wǎng)絡故障時數(shù)據(jù)可存儲在本地，待網(wǎng)絡恢復時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務器端數(shù)據(jù)不丟失。
應用層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)庫服務器，若變電所數(shù)量小于30個則應用服務器和數(shù)據(jù)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(wǎng)關主動傳送過來的數(shù)據(jù)。
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(tǒng)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(jiān)測
站點監(jiān)測包括概況、運行狀態(tài)、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(tài)
變壓器狀態(tài)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(tài)數(shù)據(jù)，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(tài)、電流等運行狀態(tài)及信息，支持電壓、電流、功率等詳細運行參數(shù)查詢。
5.4.6視頻監(jiān)控
視頻監(jiān)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(nèi)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(shù)和電能抄表的實時值及平均值行統(tǒng)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(fā)布巡檢或消缺任務，查看巡檢或消缺任務的狀態(tài)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(shù)據(jù)，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、警報事件等進行統(tǒng)計分析，并列出在該周期內(nèi)巡檢時發(fā)現(xiàn)的各類缺失及處理情況。
5.4.11APP監(jiān)測
電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“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(huán)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(tǒng)硬件配置
應用場合 | 型號 | 外觀圖 | 型號、規(guī)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(lián)網(wǎng)＋、大數(shù)據(jù)、移動通訊等技術開發(fā)的云端管理平臺，滿足用戶或運維公司監(jiān)測眾多變電所回路運行狀態(tài)和參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境溫濕度、電纜及母線運行溫度、現(xiàn)場設備或環(huán)境視頻場景等需求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)一個中心，集中存儲、統(tǒng)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(wǎng)關 | ANet-2E4SM |
| 4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)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(wǎng)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(huán)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(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)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(nèi)存32G,16D0+22D1,通訊 2RS485+1RS232+1GPS,3以太網(wǎng)接口（＋1維護網(wǎng)口）＋1USB接口，支持U盤讀取數(shù)據(jù)，支持61850協(xié)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(huán)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(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)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(guī)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(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)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(guī)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?shù)臄?shù)據(jù)，1路485,2路警報出口。 | |
環(huán)境溫濕度 | WHD |
| WHD溫濕度控制器產(chǎn)品主要用于中高壓開關柜、端子箱、環(huán)網(wǎng)柜、箱變等設備內(nèi)部溫度和濕度調節(jié)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(jiān)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(nèi)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(lián)網(wǎng)服務，通過手機、PC等終端實現(xiàn)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(shù)據(jù)的分析可知,采用交直交電力機車后,牽引變電所功率因數(shù)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(tǒng)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(jīng)得到了較大的改善由于牽引網(wǎng)分布容性電流,對于一些列車對數(shù)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(shù)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(fā)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(wǎng)分布電容對牽引變電所功率因數(shù)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(shù)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(tǒng)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(yè)微電網(wǎng)設計與應用設計,2019,11版。
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