電氣化鐵路牽引變電站諧波分析及治理措施doc

1、電氣技師論文范文下載：電氣化鐵路牽引變電站諧波分析及治理措施摘要:電力機(jī)車已逐漸成為電網(wǎng)主要的大型諧波源之一。結(jié)合包神鐵路萬水泉南牽引變電站的實際情況,對電氣化鐵路所產(chǎn)生的諧波進(jìn)行了分析和計算,并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的諧波治理措施。關(guān)鍵詞:電氣化鐵路;諧波分析;電力機(jī)車 近年來,內(nèi)蒙古自治區(qū)開始大范圍建設(shè)電氣化鐵路,隨著大量的電力機(jī)車負(fù)荷接入電網(wǎng),勢必對電網(wǎng)的供電質(zhì)量造成影響。電力機(jī)車是單相大功率整流負(fù)荷,其用電會產(chǎn)生大量的諧波與負(fù)序電流,由于電力機(jī)車沿鐵路移動用電,如不能在電鐵牽引變電站得到及時治理,將注入電力系統(tǒng),影響全網(wǎng),波及用戶,其產(chǎn)生的危害性遠(yuǎn)比其他任何諧波源設(shè)備更為嚴(yán)重,更為廣泛。

2、因此,對電氣化鐵路牽引變電站諧波的分析和治理越來越受到電力企業(yè)和鐵路部門的重視。本文以包神鐵路萬水泉南牽引變電站為例,進(jìn)行有關(guān)的諧波分析和治理措施研究。1包神鐵路萬水泉南牽引變電站概況包神鐵路的牽引電網(wǎng)采用帶回流線的直接供電方式。由于電力牽引為一級負(fù)荷,萬水泉南牽引變電站由麻池117麻牽回、麻池118麻牽回兩路電源供電,當(dāng)任一路故障時,另一路仍應(yīng)正常供電。牽引變壓器單臺容量為25 000 kVA,采用三相V/V接線,固定備用方式;高壓側(cè)電壓為110kV,低壓側(cè)輸出額定電壓為27.5 kV,其高壓側(cè)接入電網(wǎng),低壓側(cè)一個頂點(diǎn)接地,另外兩個頂點(diǎn)引出兩條供電臂,分別向處在不同位置的電力機(jī)車供電。一般一

3、條供電臂長度在20 km左右,電力機(jī)車臺數(shù)為13臺。這種供電方式以大地和鐵軌作為回流線,由牽引變壓器、供電臂、電力機(jī)車、大地(鐵軌)組成回路。當(dāng)一個牽引站的供電臂與另一個牽引站的供電臂相匯時,設(shè)立一個分區(qū)亭。分區(qū)亭由開關(guān)組成,正常時開關(guān)斷開,兩個供電臂各由相應(yīng)的牽引站供電,列車靠慣性通過分區(qū)亭。當(dāng)一個牽引站失去電源時,分區(qū)亭開關(guān)閉合,臨時向停電的供電臂供電。2電氣化鐵路牽引變電站的諧波分析及危害電力機(jī)車作為整流負(fù)荷是電氣化鐵路諧波產(chǎn)生的根源。電力機(jī)車的類型對諧波水平具有決定性影響。包神鐵路機(jī)車采用交直型相控SS4型電力機(jī)車(即韶山-4型)。2.1電力機(jī)車的諧波特征1)當(dāng)電力機(jī)車在牽引工作狀態(tài)時

4、,整流回路投入工作,就產(chǎn)生諧波;而電力機(jī)車在制動狀態(tài)或靠慣性前進(jìn)的隋行狀態(tài)時,整流回路切除,就不產(chǎn)生諧波。2)電力機(jī)車的牽引力正比于取自電網(wǎng)、經(jīng)整流的直流電流,該電流不因電網(wǎng)外界條件和運(yùn)行方式而改變,而由電力機(jī)車的非線性特性產(chǎn)生的諧波電流成分與基波電流具有一定的比例關(guān)系。因此,電力機(jī)車為諧波電流源。3)電力機(jī)車采用點(diǎn)相全波不控或半控整流,交流側(cè)的電流波形與橫軸成鏡對稱。整流電路在整流規(guī)程中交流電壓每一周期內(nèi)直流側(cè)整流電壓的脈動數(shù)、即整流設(shè)備的脈動數(shù)p=2,故其產(chǎn)生的特征諧波次數(shù)h=2k±1,k=1,2,3,。除h=1的基波外,特征諧波全部為奇次諧波。其中3次諧波電流含有率最高,且隨著

5、諧波次數(shù)的增加,幅值迅速減少,至15次幾乎下降到1%。在諧波評估中,一般只計算3、5、7次諧波電流和相應(yīng)的諧波電壓畸變率和總諧波電壓畸變率。4)由于電力機(jī)車支流回路平波電抗器的電感為有限值,整流電流脈動系數(shù)達(dá)25%30%,以及電力機(jī)車變壓器存在漏感,其阻抗電壓為10.5%左右,故其產(chǎn)生的特征諧波電流含有率HRIh<1/h,一般需通過實際試驗確定。5)比較各類型電力機(jī)車的整流、調(diào)壓方式和整流電壓波形。在相同的條件下,韶山-1型的電力機(jī)車電流較近于正弦波,產(chǎn)生的諧波相比較小;韶山-3型產(chǎn)生的諧波與韶山-1型相近但較大;韶山-4型產(chǎn)生的諧波較前兩型大,在控制過程中各次諧波電流含有率的變化較大。

6、2.2電氣化鐵路諧波造成的危害電氣化鐵路諧波造成的危害主要體現(xiàn)在以下幾個方面。1)并聯(lián)諧振:當(dāng)諧波電流沿牽引站返送電網(wǎng)時,由于牽引電網(wǎng)對地分布電容和回路電感的影響,可能構(gòu)成某次諧波的諧振回路,造成牽引負(fù)荷諧波電流的諧振放大。2)對牽引變壓器的危害:諧波電流流過牽引變壓器,會產(chǎn)生諧波電壓降,高次諧波電流、電壓會引起附加鐵損和銅損,使變壓器容量減小、效率降低。3)高次諧波的危害也體現(xiàn)在會對發(fā)電機(jī)、電氣測量儀表以及繼電保護(hù)裝置和自動控制裝置等產(chǎn)生負(fù)面影響。3電氣化鐵路牽引變電站的諧波計算3.1公共接入點(diǎn)諧波電流的計算利用PSAF諧波計算分析軟件、根據(jù)基準(zhǔn)短路電容的諧波電流允許值,得到注入公共接入點(diǎn)麻

7、池變壓器的各次諧波電流允許值及萬水泉南牽引變電站的三相短路容量如表1所示。在正常工況下(即牽引變壓器非滿載情況),依據(jù)電力機(jī)車的頻譜,可得到萬水泉南牽引變電站注入電網(wǎng)公共接入點(diǎn)的各次諧波電流見表2當(dāng)牽引變壓器滿載時,并且假設(shè)均接入A、B相,則萬水泉南牽引變電站注入電網(wǎng)公共接入點(diǎn)的各次諧波電流如表3所示。從表2和表3可以看到,無論牽引變壓器是否滿載,萬水泉南牽引變電站注入電網(wǎng)公共接入點(diǎn)的3次諧波電流均已超過允許值。因此,需要在此牽引變電站加裝濾波裝置,使濾波后注入電網(wǎng)內(nèi)的3、5、7次諧波電流不超出電網(wǎng)公共接入點(diǎn)的允許值。3.2公共接入點(diǎn)諧波電壓畸變率的計算利用PSAF諧波計算分析軟件,牽引變壓器

8、滿載時,萬水泉南牽引變電站注入電網(wǎng)公共接入點(diǎn)的諧波電壓畸變率計算結(jié)果如表4所示。由表4可以看到,包神線萬水泉南牽引變電站的公共接入點(diǎn)的諧波電壓畸變率為1.88%,電壓畸變率已經(jīng)超過限值1.6%。4治理措施在包神鐵路萬水泉南變電站中,利用靜止無功補(bǔ)償器(SVC)來治理諧波并進(jìn)行無功補(bǔ)償。SVC由晶閘管相控電抗器(TCR)、濾波器(FC)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),工程相關(guān)附件組成。其中TCR由晶閘管閥組、全數(shù)字控制及保護(hù)系統(tǒng)、27·5 kV相控電抗器、TCR故障自診斷系統(tǒng)組成;FC回路由電容器和濾波電抗器組成,向系統(tǒng)提供恒定容性無功功率,兼有濾除諧波的作用。晶閘管相控電抗器(TCR)型動態(tài)無功補(bǔ)償

9、技術(shù)是通過控制反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角來無級調(diào)節(jié)與負(fù)荷并聯(lián)的電抗器的電流,從而控制其感性無功的變化,它與固定電容補(bǔ)償器相結(jié)合,達(dá)到實時自動補(bǔ)償無功的目的。補(bǔ)償效果的關(guān)鍵是準(zhǔn)確控制晶閘管的觸發(fā)角,得到所需的流過補(bǔ)償電抗器的電流。在牽引供電系統(tǒng)中,電力機(jī)車為感性可變負(fù)荷,其有功功率為Pv,無功功率為Qv。TCR和FC并聯(lián)到27.5 kV電網(wǎng)中,根據(jù)恒無功功率理論,FC部分產(chǎn)生恒定的電容無功功率為QC;TCR部分產(chǎn)生連續(xù)可變的感性無功功率為QTCR,則進(jìn)線變壓器提供的無功功率Qn=Qv-QC+QTCR。因此,調(diào)節(jié)QTCR就可以使Qn小于等于某一給出值(常數(shù)),甚至可使Qn=0,即從理論上使功率因數(shù)達(dá)到1

10、。根據(jù)牽引供電單相供電特殊性,采用單相補(bǔ)償,即A、B相母線各安裝一套TCR型直掛式動態(tài)無功補(bǔ)償裝置,容量規(guī)格可相同或不同,分別對A、B兩條母線進(jìn)行實時動態(tài)無功補(bǔ)償。通過計算,需要在包神鐵路萬水泉南牽引變電站加裝串聯(lián)12%電抗器的濾波支路,濾波裝置的主要濾波范圍為3、5、7次諧波電流,并兼顧濾除高次諧波。電容器補(bǔ)償容量分別為4、4.4 Mvar。通過此裝置可以實現(xiàn)無功動態(tài)連續(xù)自動補(bǔ)償,并實現(xiàn)對3、5、7次等諧波的綜合治理,還可抑制電壓波動,改善電源質(zhì)量,提高牽引供電能力。加裝動態(tài)無功補(bǔ)償裝置后,諧波電流計算結(jié)果見表5。從表5可以看到,在萬水泉南牽引變電站加裝一定無功補(bǔ)償容量后,諧波電流均在允許值范圍內(nèi)。加裝濾波支路后的萬水泉南牽引變電站,注入電網(wǎng)公共接入點(diǎn)諧波電壓畸變率的具體計算結(jié)果見表6。從表6可以看到,在萬水泉南牽引變電站加裝一定補(bǔ)償容量的濾波支路后,電網(wǎng)公共接入點(diǎn)110 kV側(cè)的電壓畸變率為1.12%,滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。另外,為降低電網(wǎng)公共接入點(diǎn)母線總諧波電壓畸變率,建議選用產(chǎn)生諧波較小的電力機(jī)車,或增大濾波支路補(bǔ)償容量。5結(jié)語1)電網(wǎng)諧波是目前受到廣泛關(guān)注的電能質(zhì)量問題,電氣化鐵路是主要諧波源之一,而且與電網(wǎng)諧波相比電氣化鐵路諧波更有自身的特點(diǎn)。對電氣化鐵路諧波進(jìn)行充分的研究