引言

電氣化鐵路接入電網(wǎng)引起的牽引負荷屬于大功率單相整流負荷，電鐵通過時產(chǎn)生的負序和諧波電流經(jīng)線路進入電力系統(tǒng)，會影響到用電設(shè)備的正常工作[1-2]。本文以某新建鐵路接入電網(wǎng)工程為例，將牽引供電所中的變壓器作為影響電網(wǎng)穩(wěn)定運行的干擾點，從電網(wǎng)的諧波電流、諧波電壓、三相電壓不平衡以及電壓波動/偏差[3-5]等多角度分析電能質(zhì)量指標(biāo)，并對于不滿足要求的指標(biāo)，采取治理措施，為電氣化鐵路接入電網(wǎng)審查提供參考依據(jù)，對提升電網(wǎng)電能質(zhì)量、改善用電環(huán)境具有重要意義。

1工程概況

以某條鐵路的110 kV牽引供電所為例，所內(nèi)安裝2臺容量為32 MVA的牽引變壓器，主變壓器額定電壓110/27.5 kV，采用V/V型接線如圖1所示。短路阻抗百分比為8.4%。牽引變電站供電臂A方向，平均電流125 A，有效電流253 A，最大電流523 A；供電臂B方向平均電流169 A，有效電流364 A，最大電流722 A。遠期最大負荷為34.5 MW。

該牽引變電所接入某220 kV變電站110 kV母線側(cè)，該變電站主變額定電壓230/121/38.5 kV，在系統(tǒng)最小方式運行情況下，變電站110 kV側(cè)母線短路容量為574 MVA，供電容量為180 MVA，用戶的協(xié)議容量為32 MVA。

本項目的電能質(zhì)量指標(biāo)考核點為牽引供電所與電力系統(tǒng)的公共連接點（PCC）處。

本工程采用的機車類型為大功率HXD型交直交機車，機車功率為7 200 kW，功率因數(shù)0.98，諧波含量低，頻譜寬。根據(jù)相關(guān)資料函，供電臂諧波電流含量如表1所示。

2電能質(zhì)量評估

電氣化鐵路接入公共連接點（PCC）處的電能質(zhì)量指標(biāo)限值和計算方法[6-10]如下。

2.1諧波電流的評估

根據(jù)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中的規(guī)定，考核點處各次諧波電流允許值如表2所示。

三相V/V接牽引變壓器外接線（以C相位公共端說明）如圖2所示。

令兩供電臂輸入變壓器的各次諧波電流分別為Iah和Ibh，則輸入系統(tǒng)的各相線電流如下式所示：

注入PCC的諧波電流取三相諧波電流最大值，如表3所示。

對比表3和表2發(fā)現(xiàn)，考核點處3次諧波電流的允許值為1.53 A，注入考核點處的電流為2.44 A，3次諧波電流超標(biāo)，其余各次諧波電流合格。建議牽引供電所加裝動態(tài)無功補償裝置來濾除3次諧波，保證各次諧波電流全部滿足國標(biāo)要求。在配置諧波治理裝置時，應(yīng)使諧波治理裝置的基波無功容量與無功補償裝置的無功容量組合之后的無功容量輸出范圍滿足本項目接入系統(tǒng)設(shè)計的要求。

2.2諧波電壓的評估

根據(jù)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中的規(guī)定，考核點（PCC）諧波電壓（相電壓）限值要求如表4所示。

諧波電壓的計算可采用以下方法：

第h次諧波電壓含有率HRU_h與第h次諧波電流分

量Ih的關(guān)系如下式所示：

第h次諧波電壓含有率HRU_h：

諧波總電壓含量U_h如下式所示：

電壓總諧波畸變率THD_u如下式所示：

經(jīng)計算，公共連接點處各次諧波電壓含量如表5所示。

各次諧波電壓畸變率和總諧波電壓畸變率均合格，電壓總諧波畸變率THD_u為0.308%，符合國標(biāo)限值2%的規(guī)定。

2.3三相電壓不平衡的評估

根據(jù)GB!T 15543—2008《電能質(zhì)量三相電壓不平衡》中的規(guī)定，牽引供電所注入考核點處的負序電流引起的三相不平衡度應(yīng)小于1.3%，短時不超過2.6%。

V/V接線牽引變供電臂負荷電流和系統(tǒng)側(cè)正序電流I₁、負序電流I₂的關(guān)系如下式所示：

式中：I_a、Ib為供電臂的有效和最大電流；K為變壓器的變比。

工程上為了簡便，三相電壓不平衡度的計算如下式所示：

式中：ε為三相電壓不平衡度；UL為公共連接點的線電壓均方根值；S_d為最小運行方式下公共連接點的三相短路容量。

由背景資料可知，牽引變壓器變比K=4，供電臂的有效電流和最大電流分別為253 A和722 A，最小運行方式下公共連接點的短路容量為574 MVA，代入公式（7）和（8），可求得三相電壓不平衡度為3.04%，超過國標(biāo)限值2.6%的要求，建議額外加裝不平衡治理裝置。如果不平衡治理也是采用無功補償?shù)姆椒?，則需要綜合考慮，使濾波治理裝置、不平衡治理裝置和無功補償裝置輸出的無功容量范圍滿足本項目接入系統(tǒng)設(shè)計的要求。

2.4電壓波動的評估

根據(jù)GB 12326—2008《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》中的規(guī)定，牽引供電所注入考核點處引起的電壓波動限值應(yīng)為2.5%。

電壓波動d的定義如下式所示：

3結(jié)束語

電氣化鐵路接入電網(wǎng)，電鐵通過時產(chǎn)生的負序和諧波電流經(jīng)線路流入電網(wǎng)，會引起電網(wǎng)較為顯著的電能質(zhì)量問題。

本文以實際工程為例，介紹了電能質(zhì)量分析方法，從多角度分析電能質(zhì)量指標(biāo)，并對不合格指標(biāo)提出了治理措施，為電氣化電路接入電網(wǎng)的審查提供了重要的參考依據(jù)，具有較高的應(yīng)用價值。后續(xù)應(yīng)采取在線設(shè)備檢測方式，提高電能質(zhì)量預(yù)警監(jiān)測水平，保障電力系統(tǒng)和鐵路的安全穩(wěn)定運行。