電氣化鐵路諧波治理工程設計與研究

1、1引言隨著電氣化鐵路的快速發(fā)展,其引起的諧波、負序、三相不平衡和電壓波動等問題日益突出,牽引供電系統(tǒng)的電能質量問題也日益受到廣泛的關注。目前,單相交流工頻電氣化鐵路是全世界廣泛應用的鐵路電力牽引制式,圖1是單相機車供電示意圖,也是中國干線電氣化鐵路所采用的方法。由于其結構上的不對稱,導致電流中含有大量的負序分量;再加上目前中國絕大部分電力機車采用單相晶閘管相控整流制式,國內電氣機車絕大部分采用韶山型機車,如SS4改進型、SS8、SS9型電力機車均采用晶閘管相控方式,由此帶來的牽引供電網功率因數低(一般額定工況時在0.8左右、諧波含量高等一系列問題。另外,電力機車在區(qū)間行駛負荷變動大且急。上坡下

2、坡負荷相差甚大。平行行駛時兩站之間速度快,進出站速度慢,啟動和停駛等負荷都產生急劇變化。這樣負荷的快慢波動使系統(tǒng)電壓急劇波動,嚴重影響公用電網的電能質量。電牽引負荷有以下特點:以鐵路鋼軌與大地為導體的單相移動負荷;負荷隨列車重量、線路坡道、牽引或制動等不同條件而劇烈變化;對電力系統(tǒng)產生負序電流和負序電壓;負荷電流中含有大量諧波電流;無功電流大,功率因數低。典型電力機車的諧波特性:見表1可知,電力機車正常運行時產生3、5、7等次諧波作為其特征諧波,其中3次諧波含量超過15%,而系統(tǒng)中大量用于補償無功功率的并聯電容器均為串聯5%6%的電抗,此種設置將造成對3次諧波的放大。據不完全統(tǒng)計,自從電鐵投運

3、30多年以來,電鐵諧波與負序已引發(fā)過200M W 發(fā)電機跳閘,山西、河南、貴州等電網大面積停電或系統(tǒng)解列,電網產生局部諧振,發(fā)電機轉子損壞,繼電保護非正常頻繁啟動,用戶電動機和電容器大量燒壞,小火電廠不能就近并網等一系列危害,使社會、電力部門和用戶蒙受了巨大的經濟損失。隨著電鐵快速擴展,如果電鐵造成的諧波等電能質量問題仍然不能得到及時治理,其產生的危害將會更加嚴重。2變電站諧波測試與分析經過對該變電站的母線進行連續(xù)監(jiān)測,該變電站110kV 母線電壓總諧波畸變率達11.8%,嚴重超過標準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 。根據國家標準GB/T 14549的要求可知三次、五次、七次諧波電流均遠超過了標準的要求。3次諧波電流測量波形見圖2。電氣化鐵路諧波治理工程設計與研究張曉中(太原供電公司,山西太原030024摘要:文章根據某地區(qū)電氣化鐵路對電網造成的諧波等電能質量問題,提出了在電氣化鐵路牽引變電站安裝濾波器組來解決諧波問題的方案。該方案采用單調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,并詳細介紹了治理裝置的系統(tǒng)方案設計過程。關鍵詞:電氣化鐵路;

5、諧波;濾波器;電能質量中圖分類號:U227.18文獻標識碼:A 文章編號:1000-8136(200908-0003-02諧波次數諧波含量/%SS1SS2SS4SS932118.12020510 6.85887 6.3 2.59559 4.0 1.4444112.51.133表1典型電力機車諧波含量圖23次諧波電流測量波形圖科學之友Friend of Science Amateurs 2009年03月(08B220kV110kV27.5kV 27.5kV圖1供電系統(tǒng)對機車示意圖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)設計根據該220kV變電站的負荷與諧波測量情況,參照國內外電鐵諧波治理的成功案例,決定采用單調諧濾波器來治理電鐵負荷造成的諧波電流和諧波電壓等電能質量指標超標問題。根據變電站實測數據中

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,將電容器總容量分為3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。具體參數見表2。4系統(tǒng)仿真結果分析對于該220kV變電站電鐵諧波治理方案合理性論證,采用當前世界上進行電力系統(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。通過對該220kV變電站設備參數與負荷數據進行分析,建立了系統(tǒng)仿真模型,簡化系統(tǒng)仿真模型見圖3所示。根據實際負荷數據及諧波數據對系統(tǒng)仿真模型進行校

8、驗,在仿真模型上按裝了濾波器組,仿真結果見圖4所示,分別為3、5、7次諧波濾波前后的諧波畸變率。5結論隨著電氣化鐵路的發(fā)展,電鐵引起的諧波問題已經對電網的安全供電和電能質量產生了危害。通過在牽引變電站安裝多組單調諧濾波器能夠有效地解決電鐵引起的諧波問題,從而確保供電的電能質量,保障電網安全和廣大用戶的利益。作者簡介:張曉中,1975年2月出生,畢業(yè)于太原理工大學,工程師。 表2濾波器參數表圖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用技術張曉中:電氣化鐵路諧波治理工程設計與研究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