京哈線鐵路自閉貫通電能質(zhì)量分析及治理方案

張 誠，張紀(jì)元，周惠斌，王 靜

0 引言

2013 年暑運(yùn)以來，京哈線唐山北、富莊子、玉田、螺山、別山、薊縣南等6 個(gè)電務(wù)信號(hào)樓電源屏不同程度地出現(xiàn)了不正常運(yùn)行狀態(tài)且發(fā)生的頻率成增加趨勢(shì)，特別是由玉田10 kV 鐵路配電所供電的唐山北站電務(wù)信號(hào)樓出現(xiàn)的概率最大，問題也最為嚴(yán)重，直接影響了設(shè)備的正常運(yùn)行，因此必須盡快找出原因，排除故障。

具體故障現(xiàn)象：電源屏?xí)r常發(fā)出嘯叫聲，自動(dòng)調(diào)壓控制模塊對(duì)調(diào)壓器誤發(fā)調(diào)壓指令，曾經(jīng)發(fā)生過有載調(diào)壓器電壓調(diào)節(jié)方向與需要調(diào)節(jié)的方向相反的情況，致使鐵路信號(hào)系統(tǒng)失控不能正常運(yùn)行乃至不能使用。用于保護(hù)轉(zhuǎn)轍機(jī)的相序繼電器，在引入的三相電源基波相序正確且無斷相的情況下，吸合、釋放無序反復(fù)抖動(dòng)，動(dòng)作指示燈也隨之點(diǎn)亮和熄滅，誤發(fā)出電源相序異常信號(hào)，同時(shí)閉鎖道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)電源輸出回路，致使道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)不能操作，給鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)帶來了極大的安全隱患。

針對(duì)上述問題，北京鐵路局迅速制定了應(yīng)急方案：改變?cè)泄╇娺\(yùn)行方式，由原來的玉田10 kV所主供，對(duì)側(cè)所備供改為對(duì)側(cè)所主供，玉田10 kV所備供方式；保持應(yīng)急發(fā)電機(jī)隨時(shí)待命，有特殊任務(wù)時(shí)發(fā)電機(jī)處于啟動(dòng)狀態(tài)等具體措施。與此同時(shí)協(xié)同有關(guān)部門對(duì)供用電設(shè)備進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間大量測(cè)試,通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析判斷，地方供電局供給玉田鐵路10 kV 配電所的電源電能質(zhì)量問題，引起了技術(shù)人員的注意。

1 電能質(zhì)量測(cè)試和故障原因分析

1.1 關(guān)鍵點(diǎn)測(cè)試

玉田鐵路10 kV 配電所201 電源一自閉側(cè)、202電源二貫通側(cè)進(jìn)行測(cè)試：電壓量采集分別從各側(cè)的所用變壓器、母線電壓互感器、自閉母線電壓互感器、貫通母線電壓互感器二次端子取電壓量；電流量采集分別從所用變壓器電流互感器二次、電源柜電流互感器二次、自閉饋出柜電流互感器二次、貫通饋出柜電流互感器二次采集相應(yīng)的負(fù)荷電流量。

唐山北電務(wù)信號(hào)樓分別從供電分界點(diǎn)處測(cè)試：從一路380 V 自閉電源引入和二路380 V 貫通電源引入取電壓量；電流量采樣從電務(wù)電源屏內(nèi)負(fù)荷側(cè)取電流量。

測(cè)試時(shí)設(shè)備帶負(fù)荷情況：設(shè)備不帶負(fù)荷，空載情況下測(cè)試背景電壓質(zhì)量，以盡可能反映電源本身的電能質(zhì)量；帶負(fù)荷情況下，測(cè)試電壓、電流諧波含量，以盡可能反映負(fù)荷對(duì)電源電能質(zhì)量的影響。

測(cè)試儀器選擇：分別選用Fluke345、電能質(zhì)量在線測(cè)量?jī)x、電能質(zhì)量測(cè)試儀（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院）等儀器。

1.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果以95%概率大值作為判斷合格與否的依據(jù)（95%概率大值指將測(cè)試值由大到小次序排列，舍去前5%的大值，取剩余實(shí)測(cè)值中的最大值），測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 總諧波畸變率THD 測(cè)試數(shù)據(jù)表

抽取測(cè)試中典型的幾組諧波測(cè)試數(shù)據(jù)列舉如下（僅以自閉側(cè)測(cè)試數(shù)據(jù)為例加以說明）。

在玉田鐵路配電所10 kV 電源引入PPC 處各次諧波參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示：各通道中，5 次、7 次諧波含量最大，列為表2（其他各次諧波數(shù)據(jù)略）。表2 中通道0、1、2 分別對(duì)應(yīng)一路10 kV 201 電源A、B、C 相電壓的5 次、7 次諧波含量。表中數(shù)據(jù)為任取的一組數(shù)據(jù)并非諧波最嚴(yán)重情況下的數(shù)據(jù)。

表2 玉田鐵路配電所10 kV 電源引入處的諧波測(cè)試數(shù)據(jù)表

測(cè)試數(shù)據(jù)表明地方電力公司（地方供電局）的電源進(jìn)線，背景諧波遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的，5次、7 次諧波含量相對(duì)其他次背景諧波含量最大，而且數(shù)據(jù)顯示5 次諧波相序是負(fù)序性質(zhì)的，7 次諧波相序是正序性質(zhì)的。

電務(wù)信號(hào)樓使用的相序繼電器，主要用于道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的相序檢測(cè)和斷相保護(hù)中，工作原理是：當(dāng)相序正確時(shí)，繼電器動(dòng)作，獲得輸出；當(dāng)相序不正確時(shí)或交流回路任一相斷線時(shí)，繼電器閉鎖。從相序繼電器設(shè)計(jì)電路的動(dòng)作原理上分析，5 次和7 次諧波對(duì)BXX-2 相序繼電器影響最大。5 次諧波是負(fù)序性質(zhì)的諧波，即使供電電源三相基波相序正確，當(dāng)5 次諧波含量大于一定程度后，相序繼電器也會(huì)動(dòng)作，7 次諧波對(duì)繼電器動(dòng)作起助推作用。故諧波含量越大，相序繼電器誤動(dòng)作的幾率也進(jìn)一步增大。

唐山北電務(wù)信號(hào)樓380 V 電源一路自閉引入處（即供電分界點(diǎn)處）測(cè)量的波形數(shù)據(jù)：

（1）由空載時(shí)電壓波形圖（圖略）及空載時(shí)各次諧波電壓含量柱形圖（圖略），可見5 次、7次諧波含量較高。

（2）由正常負(fù)載時(shí)的各次諧波電壓含量柱形圖，可見帶上電務(wù)負(fù)載后電源背景諧波中5 次、7次諧波相對(duì)空載時(shí)有所降低，但3 次諧波卻放大很多（圖略）。

（3）電務(wù)使用自閉一路電源運(yùn)行時(shí)其中某相線相電流各次諧波含量中3 次諧波比例最大（圖略）。

另外電務(wù)在使用自閉一路運(yùn)行時(shí)中性線電流各次諧波含量可見3 次諧波比例很大（圖略）。

1.3 故障原因分析

經(jīng)對(duì)大量測(cè)量數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論：玉田配電所電源側(cè)（地方電源）供電質(zhì)量不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549-93）對(duì)諧波的標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)電務(wù)設(shè)備本身產(chǎn)生的諧波對(duì)其自身設(shè)備及供電電源造成的影響也不能忽視，電務(wù)設(shè)備本身產(chǎn)生的諧波也會(huì)影響10 kV 電源側(cè)電源諧波總畸變系數(shù)。另外電務(wù)設(shè)備三相負(fù)荷電流不平衡，中性線電流過大也應(yīng)引起足夠的重視。

2 諧波治理方案

從目前的測(cè)試結(jié)果分析，由于玉田鐵路10 kV配電所電源進(jìn)線是從電力公司“T”接而來，該公司電力用戶復(fù)雜，該地區(qū)小鋼廠多，諧波污染很嚴(yán)重，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，鐵路10 kV 設(shè)備對(duì)電力公司電網(wǎng)諧波造成的影響不大，但電力公司（地方供電局）的背景諧波對(duì)鐵路電網(wǎng)影響相對(duì)較大。

按照諧波治理的位置（圖1），不同的治理位置會(huì)有不同的治理效果。

2.1 高壓母線治理方案

在10 kV 高壓母線上治理（圖1 中位置1 高壓母線治理），采用無源濾波器、有源濾波器SVC、SVG 等。由于電力公司背景諧波源容量不確定，會(huì)造成治理設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至燒毀，無源濾波器往往會(huì)發(fā)出額外的容性無功，可能造成某次諧波減少，其他次諧波增大，可靠性極低，不確定因素極大，治理效果存在較大的不確定性，不可行。另外，如果一次性在母線上安裝了固定的諧波治理設(shè)備，當(dāng)負(fù)載的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，需要重新設(shè)計(jì)安裝諧波治理設(shè)備，不經(jīng)濟(jì)。

2.2 低壓母線治理方案

在供電線路變壓器的低壓380 V 出線端治理諧波或在電務(wù)設(shè)備的電源入口處治理諧波（圖1 中位置2 低壓母線治理），采用無源濾波器、有源濾波器等。能有效治理電務(wù)設(shè)備本身產(chǎn)生的諧波，但消除背景諧波的影響比較困難，因?yàn)橥瑯哟嬖诒尘爸C波容量不確定，位置不確定的問題。但在該低壓母線位置治理，比10 kV 高壓側(cè)治理的效果要相對(duì)好些，只是成本較高，不確定因素較大。

2.3 就地治理方案

對(duì)原有電務(wù)信號(hào)電源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，為電務(wù)信號(hào)系統(tǒng)提供高安全、高可靠的綠色節(jié)能電源系統(tǒng)（圖1 中位置3 就地治理）。

圖1 一路自閉高低壓供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

電源系統(tǒng)優(yōu)化方案架構(gòu)圖如圖2 所示，系統(tǒng)分析如下：

（1）高可靠性智能化電池管理系統(tǒng)。

（2）采用2 臺(tái)UPS，構(gòu)成“1+1”冗余并機(jī)，輸入的2 路自閉電源、貫通電源經(jīng)ATS 自動(dòng)切換后給UPS 輸入。2 臺(tái)UPS 并聯(lián)，每臺(tái)主機(jī)配置一組獨(dú)立電池組，其中一組獨(dú)立電池組出現(xiàn)問題，不斷電。

（3）UPS 標(biāo)配雙回路輸入功能可提高系統(tǒng)可靠性；內(nèi)置旁路維護(hù)開關(guān)設(shè)計(jì)便于系統(tǒng)檢修及維護(hù)。雙回路輸入設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)主供電回路與旁路隔離，分別采用2 路不同電源，大幅提供系統(tǒng)可靠性。治理效果好，但改造及日后維護(hù)檢修成本較高。

（4）如果從成本問題上考慮，也可以不使用UPS 系統(tǒng)，不用電池組，只在供電段與電務(wù)信號(hào)樓的電源引入分界點(diǎn)處自閉一路和貫通二路分別加裝“交直交”變頻裝置，采用高頻開關(guān)電源技術(shù)、逆變技術(shù)、SPWM 變換技術(shù)、電子鎖相技術(shù)使電源完成交流-直流-交流的變換過程。由于其有交流-直流的變換過程，采用特殊采樣、變換技術(shù)，所以其輸出電源可針對(duì)特定的諧波做到基本不受輸入電網(wǎng)的波動(dòng)、突變、特定諧波等的影響，其輸出穩(wěn)定可靠?？梢杂行V除特定的背景諧波，消除電源背景諧波影響，也是比較可行的方法。相對(duì)UPS系統(tǒng)成本低，見效快。目前從市場(chǎng)調(diào)研情況看，該種裝置原理上是可行的，功率應(yīng)預(yù)留一定的裕度，一套電壓380 V，容量100 kV·A 的該類設(shè)備大約需12 萬元。

圖2 電務(wù)信號(hào)電源優(yōu)化示意圖

2.4 加裝采樣濾波器治理

在受諧波影響最靈敏的設(shè)備上隔離諧波，加裝采樣濾波器或陷波器，在不影響其他固有功能的前提下，排除諧波對(duì)其干擾，是處理當(dāng)前誤動(dòng)作見效最快的方案，但不能從根本上解決背景諧波對(duì)電務(wù)其他設(shè)備造成的潛在影響，只能解決目前受諧波影響，某些設(shè)備的誤動(dòng)作問題。而且涉及到電務(wù)設(shè)備準(zhǔn)入批準(zhǔn)等一系列問題。

2.5 專盤專線治理

從根本上解決目前供電系統(tǒng)諧波問題的方案是：鐵路10 kV 配電所電源引入采用“專盤專線”，采用專盤專線方案后還要同時(shí)考慮電務(wù)設(shè)備本身產(chǎn)生的諧波對(duì)鐵路10 kV 電網(wǎng)的影響。

從唐山北電務(wù)用電設(shè)備處測(cè)試諧波的結(jié)果顯示，電務(wù)設(shè)備本身產(chǎn)生的諧波也不能忽視，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，電務(wù)設(shè)備自身發(fā)出的諧波也相對(duì)較高，反過來也會(huì)干擾并影響自身受諧波影響相對(duì)較大的設(shè)備。而且電務(wù)的負(fù)荷三相不平衡也很嚴(yán)重，中線電流可達(dá)到相電流的一半以上，也需要引起足夠的重視，應(yīng)力求使三相負(fù)荷平均分配。

治理諧波最理想的位置是在諧波源處。也就是將諧波電流封殺在起源處，不允許流入電網(wǎng)。由于一般的諧波治理方法僅能夠保證治理點(diǎn)的上游具有良好的電能質(zhì)量，因此，治理諧波的位置越靠近下游，通過諧波治理獲得效益越好。

3 結(jié)語

通過反復(fù)論證比較，結(jié)合北京鐵路局的實(shí)際情況決定采用專盤專線治理方案，問題會(huì)得到很好的解決。

針對(duì)電務(wù)信號(hào)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的運(yùn)行異常問題，特別是京哈線北京鐵路局管內(nèi)技術(shù)相對(duì)落后的電源屏，需要注意的是：有的故障現(xiàn)象是由于供電電源背景諧波或電務(wù)設(shè)備本身產(chǎn)生的諧波含量過高引起的，有的故障不是由諧波引起的，而是某些附屬設(shè)備或老舊設(shè)備原設(shè)計(jì)本身問題造成的異常，要注意區(qū)別對(duì)待，避免發(fā)生誤判斷，從而影響故障處理時(shí)間。