電氣化鐵路諧波治理工程設(shè)計(jì)與研究

1、1引言隨著電氣化鐵路的快速發(fā)展,其引起的諧波、負(fù)序、三相不平衡和電壓波動(dòng)等問(wèn)題日益突出,牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題也日益受到廣泛的關(guān)注。目前,單相交流工頻電氣化鐵路是全世界廣泛應(yīng)用的鐵路電力牽引制式,圖1是單相機(jī)車供電示意圖,也是中國(guó)干線電氣化鐵路所采用的方法。由于其結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱,導(dǎo)致電流中含有大量的負(fù)序分量;再加上目前中國(guó)絕大部分電力機(jī)車采用單相晶閘管相控整流制式,國(guó)內(nèi)電氣機(jī)車絕大部分采用韶山型機(jī)車,如SS4改進(jìn)型、SS8、SS9型電力機(jī)車均采用晶閘管相控方式,由此帶來(lái)的牽引供電網(wǎng)功率因數(shù)低(一般額定工況時(shí)在0.8左右、諧波含量高等一系列問(wèn)題。另外,電力機(jī)車在區(qū)間行駛負(fù)荷變動(dòng)大且急。上坡下

2、坡負(fù)荷相差甚大。平行行駛時(shí)兩站之間速度快,進(jìn)出站速度慢,啟動(dòng)和停駛等負(fù)荷都產(chǎn)生急劇變化。這樣負(fù)荷的快慢波動(dòng)使系統(tǒng)電壓急劇波動(dòng),嚴(yán)重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。電牽引負(fù)荷有以下特點(diǎn):以鐵路鋼軌與大地為導(dǎo)體的單相移動(dòng)負(fù)荷;負(fù)荷隨列車重量、線路坡道、牽引或制動(dòng)等不同條件而劇烈變化;對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)序電流和負(fù)序電壓;負(fù)荷電流中含有大量諧波電流;無(wú)功電流大,功率因數(shù)低。典型電力機(jī)車的諧波特性:見(jiàn)表1可知,電力機(jī)車正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生3、5、7等次諧波作為其特征諧波,其中3次諧波含量超過(guò)15%,而系統(tǒng)中大量用于補(bǔ)償無(wú)功功率的并聯(lián)電容器均為串聯(lián)5%6%的電抗,此種設(shè)置將造成對(duì)3次諧波的放大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),自從電鐵投運(yùn)

3、30多年以來(lái),電鐵諧波與負(fù)序已引發(fā)過(guò)200M W 發(fā)電機(jī)跳閘,山西、河南、貴州等電網(wǎng)大面積停電或系統(tǒng)解列,電網(wǎng)產(chǎn)生局部諧振,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子損壞,繼電保護(hù)非正常頻繁啟動(dòng),用戶電動(dòng)機(jī)和電容器大量燒壞,小火電廠不能就近并網(wǎng)等一系列危害,使社會(huì)、電力部門和用戶蒙受了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著電鐵快速擴(kuò)展,如果電鐵造成的諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題仍然不能得到及時(shí)治理,其產(chǎn)生的危害將會(huì)更加嚴(yán)重。2變電站諧波測(cè)試與分析經(jīng)過(guò)對(duì)該變電站的母線進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),該變電站110kV 母線電壓總諧波畸變率達(dá)11.8%,嚴(yán)重超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549的要求。該變電站向牽引站供電的110kV 線路電流諧波測(cè)試情況:第三次諧波電流含量22.7

4、8A ,第五次諧波電流含量18.27A ,第七次諧波電流含量7.82A ,第十一次諧波電流含量3.17A ,第十三次諧波電流含量2.35A 。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549的要求可知三次、五次、七次諧波電流均遠(yuǎn)超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)的要求。3次諧波電流測(cè)量波形見(jiàn)圖2。電氣化鐵路諧波治理工程設(shè)計(jì)與研究張曉中(太原供電公司,山西太原030024摘要:文章根據(jù)某地區(qū)電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)造成的諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題,提出了在電氣化鐵路牽引變電站安裝濾波器組來(lái)解決諧波問(wèn)題的方案。該方案采用單調(diào)諧濾波器作為牽引變電站的濾波裝置,起到濾除電氣化鐵路引起的諧波的作用,并詳細(xì)介紹了治理裝置的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)過(guò)程。關(guān)鍵詞:電氣化鐵路;

5、諧波;濾波器;電能質(zhì)量中圖分類號(hào):U227.18文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000-8136(200908-0003-02諧波次數(shù)諧波含量/%SS1SS2SS4SS932118.12020510 6.85887 6.3 2.59559 4.0 1.4444112.51.133表1典型電力機(jī)車諧波含量圖23次諧波電流測(cè)量波形圖科學(xué)之友Friend of Science Amateurs 2009年03月(08B220kV110kV27.5kV 27.5kV圖1供電系統(tǒng)對(duì)機(jī)車示意圖M inM ax M Va 95%AIHG030.00785277.4011.5222.251200000012000

6、00012000000120000002006-07-272006-07-292006-07-302006-07-31ThursdaySaturdaySundayM ondayEvent#1at 2006-07-27130218.949AV T hd CVThd Harmonics Joumal Trigger Normal To High80706050403020100Am PsTimeplot3-3濾波系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)該220kV變電站的負(fù)荷與諧波測(cè)量情況,參照國(guó)內(nèi)外電鐵諧波治理的成功案例,決定采用單調(diào)諧濾波器來(lái)治理電鐵負(fù)荷造成的諧波電流和諧波電壓等電能質(zhì)量指標(biāo)超標(biāo)問(wèn)題。根據(jù)變電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中

7、3次、5次、7次諧波含量較大的情況,按照各次諧波含量的百分比情況,將電容器總?cè)萘糠譃?組,配置為3次、5次、7次諧波濾波器。5次、7次濾波器電壓選擇為42/3姨kV,3次濾波器電壓選擇為48/3姨kV。具體參數(shù)見(jiàn)表2。4系統(tǒng)仿真結(jié)果分析對(duì)于該220kV變電站電鐵諧波治理方案合理性論證,采用當(dāng)前世界上進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真廣泛使用的電磁暫態(tài)仿真軟件之一的PSCAD/EM TDC(Electromagnetic Transients including DC。通過(guò)對(duì)該220kV變電站設(shè)備參數(shù)與負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,建立了系統(tǒng)仿真模型,簡(jiǎn)化系統(tǒng)仿真模型見(jiàn)圖3所示。根據(jù)實(shí)際負(fù)荷數(shù)據(jù)及諧波數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行校

8、驗(yàn),在仿真模型上按裝了濾波器組,仿真結(jié)果見(jiàn)圖4所示,分別為3、5、7次諧波濾波前后的諧波畸變率。5結(jié)論隨著電氣化鐵路的發(fā)展,電鐵引起的諧波問(wèn)題已經(jīng)對(duì)電網(wǎng)的安全供電和電能質(zhì)量產(chǎn)生了危害。通過(guò)在牽引變電站安裝多組單調(diào)諧濾波器能夠有效地解決電鐵引起的諧波問(wèn)題,從而確保供電的電能質(zhì)量,保障電網(wǎng)安全和廣大用戶的利益。作者簡(jiǎn)介:張曉中,1975年2月出生,畢業(yè)于太原理工大學(xué),工程師。 表2濾波器參數(shù)表圖3仿真系統(tǒng)圖圖4濾波前后3、5、7次諧波電流畸變率應(yīng)用技術(shù)張曉中:電氣化鐵路諧波治理工程設(shè)計(jì)與研究Design and Research on Harmonic Treatment of Electrifi

9、ed RailwayZhang XiaozhongAbstract:According to power quality issues,such as harmonics,caused by electrified railway in a certain region,this paper proposes installation of harmonic filters in the electrified railway traction substation to solve the problem.The program uses single-tuned filter as a filtering device in traction substation to treat harmonics caused by electrified railway