諧波對電梯相序繼電器的影響與治理

葉蘭蘭，鄒 凱，廖 宏

諧波對電梯相序繼電器的影響與治理

葉蘭蘭，鄒 凱，廖 宏

以武漢地鐵二七路主變電所供電范圍內(nèi)電梯的不正常運(yùn)行情況為例，根據(jù)對電力系統(tǒng)各級電壓電流的檢測及電梯相序繼電保護(hù)器動作條件的分析，確定諧波為導(dǎo)致相序繼電保護(hù)器動作的原因，分析諧波源并提出了采用電容補(bǔ)償器以抑制諧波的短期措施，取得了一定效果。二七路主變電所改造后，驗(yàn)證了電壓畸變的程度取決于整流裝置容量與電網(wǎng)容量的相對比值，改造后容量擴(kuò)增大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

相序繼電器；諧波；電容補(bǔ)償器

0 引言

城市軌道交通中存在非線性負(fù)荷，除牽引整流機(jī)組外，還存在大量熒光燈、UPS電源、變頻器及軟啟動裝置等，這些設(shè)備產(chǎn)生大量的諧波，使電力系統(tǒng)的正弦波形畸變，電能質(zhì)量降低。諧波對電力系統(tǒng)的污染日益嚴(yán)重，諧波源的注入使電網(wǎng)諧波電流、諧波電壓增加，其危害波及全網(wǎng)，對各種電氣設(shè)備有不同程度的影響和危害。其主要影響有：對供電線路產(chǎn)生附加損耗；影響各種電氣設(shè)備的正常工作；使電網(wǎng)中的電容器產(chǎn)生諧振；對附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；造成繼電保護(hù)裝置的誤動作。

1 故障概況

武漢地鐵輕軌一號線東線二七路主變電所（下文簡稱主所）是一座10 MV·A容量等級、含2臺110/10 kV電壓等級變壓器的變電所，該所110 kV進(jìn)線從供電局灘軌線引進(jìn)，10 kV母線運(yùn)行方式為單母線分段，其出線共8回，給堤角牽引降壓所、新榮降壓所、丹水池牽引降壓所、徐州新村牽引降壓所、二七路降壓所、頭道街牽引降壓所供電。各所經(jīng)過10 kV/0.4 kV降壓變壓器給堤角站、新榮站、丹水池站、徐州新村站、二七路站、頭道街站的電梯供電。

自2013年8月起，輕軌一號線東線由二七路主所供電范圍內(nèi)（堤角站、新榮站、丹水池站、徐州新村站、二七路站、頭道街站）的電梯相序繼電器在地鐵運(yùn)營時(shí)間段內(nèi)頻繁動作，動作時(shí)間間隔為幾分鐘。當(dāng)電梯相序繼電器動作后，開關(guān)接觸點(diǎn)斷開，電梯與電源斷開而停運(yùn)。

2 初步原因分析

2.1 電梯相序繼電器功能及動作條件

相序繼電器是安裝于電梯電源進(jìn)線端，它是由運(yùn)放器組成的相序比較器，比較電壓復(fù)制、頻率高低和相位。電梯相序繼電器的功能如下：

（1）相序保護(hù)。該保護(hù)可防止電梯提升時(shí)，電機(jī)運(yùn)行方向與預(yù)期相反，例如：預(yù)期為梯箱下行，相序錯誤的情況下實(shí)際為上行，在沒有加裝其他保護(hù)措施的情況下，會導(dǎo)致發(fā)生沖頂事故。

（2）斷相保護(hù)。該保護(hù)可防止電梯的電機(jī)在運(yùn)行過程中遭遇電源斷相故障，導(dǎo)致電機(jī)損壞或引發(fā)其他事故。

（3）過壓、欠壓保護(hù)。該保護(hù)防止電壓過高、過低損壞電梯提升電機(jī)而引發(fā)其他事故。

相序保護(hù)器動作條件：當(dāng)發(fā)生三相電源斷相、錯相及電壓波動超過±15%、頻率和溫度超過其范圍值，相序保護(hù)器均會動作，控制電路的電源將被切斷從而電動機(jī)電源被切斷，致使電梯失電而停運(yùn)。

2.2 故障原因分析

二七路主所供電范圍內(nèi)的電梯停運(yùn)是由電梯相序繼電器頻繁動作所致，而導(dǎo)致相序保護(hù)器動作的條件為三相電源斷相、錯相、電壓波動及頻率、溫度超過給定范圍值。下面對相序繼電器動作原因進(jìn)行逐一排查。

經(jīng)過監(jiān)測，頻率、溫度均在給定范圍內(nèi)，可排除因頻率、溫度的影響導(dǎo)致相序繼電器動作。相序繼電器的三相電源的相序正確，未出現(xiàn)斷相、錯相、反接的現(xiàn)象，因此可排除因三相電源斷相、錯相、反接造成的繼電器工作。分別對二七路主所的10 kV母線、低壓400 V母線、400 V電梯抽屜柜的電壓電流進(jìn)行檢測。二七路主所10 kV母線諧波電壓畸變率統(tǒng)計(jì)報(bào)表如表1所示，從表1可看出電壓諧波含量較高，但是總諧波電壓及各次諧波電壓畸變率均未超出國家標(biāo)準(zhǔn)。諧波含量以23次、25次最明顯，5次、19次亦較高。二七路主所低壓400 V母線，其電壓、電流波形如圖1所示，電壓水平良好，電流受諧波影響波形失真較大，電流諧波值如圖2所示，其3次、5次、7次、11次諧波電流較高。對二七路主所400 V電梯抽屜柜檢測，電壓水平在正常范圍內(nèi)，電流受諧波影響大，波形畸變嚴(yán)重，其中5次、7次、11次諧波電流較高（圖3）。

表1 二七路主所10 kV母線諧波電壓畸變率統(tǒng)計(jì)報(bào)表

由表1測試結(jié)果數(shù)據(jù)可知，供電系統(tǒng)中存在較多的諧波電流，且諧波電流較高的為5次，7次，11次，23次，25次諧波，可以推斷相序繼電器誤動作的原因是存在的諧波所致。

圖1 二七路主所低壓400 V母線電壓、電流波形圖

圖2 二七路主所低壓400 V母線電流諧波數(shù)據(jù)圖

圖3 二七路主所低壓400 V電梯抽屜柜電壓電流波形圖

3 故障原因確認(rèn)及分析

3.1 諧波對相序繼電器的影響

相序繼電器是由運(yùn)放器組成的相序比較器，比較電壓復(fù)制、頻率高低和相位。由于相序繼電器的構(gòu)成是一個比較器，它為靜態(tài)型繼電器。靜態(tài)繼電器一般是按相位比較原理構(gòu)成，由微分式比相器構(gòu)成的靜態(tài)繼電器，它把2個交流電量都變成方波，再將其中一個方波通過微分電路產(chǎn)生脈沖去與另外一個交流量的方波進(jìn)行比較，而因諧波的存在會出現(xiàn)多個不應(yīng)有的微分脈沖，引起交流量過零點(diǎn)的機(jī)會增多，造成保護(hù)裝置誤動作。

以上已排除頻率、溫度、三相電源斷相、錯相或反接、電壓波動會引起的相序繼電器動作，由相序繼電器的特性可知，諧波的存在使繼電器誤判斷誤動作，而二七路主所供電范圍內(nèi)各變電所400 V系統(tǒng)中存在較多的諧波電流，以23次、25次諧波突出，5次、7次、11次諧波電流較高。

3.2 追查諧波源

造成系統(tǒng)中出現(xiàn)諧波的因素和設(shè)備較多。電梯是由變頻器控制調(diào)速，其本身就為諧波源，列車車載逆變器也會產(chǎn)生諧波，線路中含有較多的非線性元件，其中牽引所中的整流器是由大量的電力電子設(shè)備組成，牽引所中采用的24脈波整流器會產(chǎn)生23次、25次以上的特征諧波，當(dāng)各種非理想因素（電網(wǎng)電壓不對稱、牽引變壓器三相阻抗不對稱等）存在時(shí)，不可避免地產(chǎn)生非特征諧波，24相脈波整流也將產(chǎn)生5次、7次、11次諧波。

3.3 分析

造成系統(tǒng)中出現(xiàn)諧波的因素很多，而二七路主所與江漢路主所供電系統(tǒng)構(gòu)架類似，江漢路主所中也含有造成諧波分量的24脈波整流器、電梯、非線性元件，而江漢路供電范圍內(nèi)的電梯卻能正常運(yùn)行。據(jù)報(bào)，供電局江灘變電站8月曾遭遇雷擊，而江灘變電站是供給二七路主所110 kV進(jìn)線的灘軌線。故而推斷因江灘變電站遭雷擊，導(dǎo)致二七路主所110 kV進(jìn)線的灘軌線電能質(zhì)量下降、諧波電流注入，加之牽引供電所內(nèi)及電梯自身也產(chǎn)生諧波，這2方面的原因?qū)Χ呗分魉?00 V低壓配電系統(tǒng)中諧波影響增大，使得電梯相序繼電器誤動，致使電梯停運(yùn)。

4 整改措施

4.1 短期措施

限制電網(wǎng)諧波的主要措施有：增加整流裝置的脈波數(shù)、加裝交流濾波器、有源電力濾波器等。為使電梯盡快恢復(fù)正常運(yùn)行，在現(xiàn)有設(shè)備條件下治理諧波，采取應(yīng)急措施將二七路主所400 V開關(guān)柜投3組電容補(bǔ)償器，新榮所400 V開關(guān)柜投3組電容補(bǔ)償器，堤角所400 V開關(guān)柜投2組電容補(bǔ)償器。經(jīng)過觀察，電容補(bǔ)償器投入后，相序繼電器未動作，電梯正常運(yùn)行，但檢測發(fā)現(xiàn)投入電容補(bǔ)償器的變電所400 V配電和10 kV配電網(wǎng)功率因素很低。

電容補(bǔ)償器使得電容兩端的電壓不能突變和電容本身存在一定的濾波功能對諧波畸變進(jìn)行抑制，使得相序繼電器不動作。電容補(bǔ)償器的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)壓、濾波，使得電梯正常運(yùn)行。其缺點(diǎn)如下：

（1）造成過補(bǔ)償。400 V系統(tǒng)中功率因數(shù)過低（表2），堤角站的功率因數(shù)0.3遠(yuǎn)低于正常情況下的功率因數(shù)0.9，使得電能利用率不高、增加線路損耗。

表2 降壓所400 V系統(tǒng)開關(guān)母線功率因數(shù)表

（2）與電路中的感性元件易形成諧振回路，將對系統(tǒng)穩(wěn)定性有較大的沖擊。

（3）若諧波電流過大，使得電容補(bǔ)償器的實(shí)際電流值高于其額定電流值的1.3倍，造成電容使用壽命不長或者爆炸，經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證該次投入的電容補(bǔ)償器的電容電流在規(guī)定范圍內(nèi)。

4.2 整改措施

由于1號線漢口北延長線工程的投入，原有的二七路主所供電容量已不能滿足對現(xiàn)有新增站用電負(fù)荷的要求，故從供電局引入一路110 kV進(jìn)線福軌線，增設(shè)容量20 MV·A的主變壓器，與原有灘軌線一同為二七路主所供電。

11月完成對二七路主所的改造，由原有的灘軌線單電源供電方式改造為由灘軌線和福軌線的雙電源供電方式，對改造后的二七路主所進(jìn)行電能質(zhì)量檢測與評估。

實(shí)驗(yàn)1：由福軌線單獨(dú)給二七路主所供電，切除二七路降壓所、新榮站降壓所、堤角站降壓所補(bǔ)償電容器。檢測對象為徐州新村400 V系統(tǒng)402#開關(guān)母線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，電壓波形平滑（圖4），功率因數(shù)為0.97，相序繼電器未發(fā)現(xiàn)有動作，電梯可正常運(yùn)行。

圖4 徐州新村400 V母線電壓波形圖

實(shí)驗(yàn)2：由灘軌線和福軌線共同為二七路主所供電，切除二七路降壓所、新榮站降壓所、堤角站降壓所補(bǔ)償電容器。檢測對象為堤角站400 V系統(tǒng)401#開關(guān)母線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，電壓波形平滑，功率因數(shù)良好，相序繼電器未發(fā)現(xiàn)有動作，電梯可正常運(yùn)行。

通過2組檢測實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電壓畸變的程度取決于整流裝置容量與電網(wǎng)容量的相對比值，改造后的雙電源供電大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。福軌線主變?nèi)萘?0 MV·A是灘軌線主變?nèi)萘?0 MV·A的2倍，系統(tǒng)抗干擾能力增強(qiáng)，使得諧波對低壓配電網(wǎng)的影響減小，電梯相序繼電器正常工作，電梯可靠運(yùn)行。

5 結(jié)語

一般影響電能質(zhì)量的因素有功率因數(shù)問題、諧波問題及電壓瞬變問題等，高壓、中壓、低壓母線上的電能質(zhì)量問題是相互影響的。該次電梯的不正常運(yùn)行是諧波問題導(dǎo)致，隨著非線性負(fù)荷用電設(shè)備的數(shù)量、種類的增多，諧波問題不僅是地鐵供電、鐵路供電系統(tǒng)，也是整個大電網(wǎng)系統(tǒng)中存在較為普遍、頻繁、且棘手的問題，對于諧波的預(yù)防與治理問題，在地鐵供電、鐵路供電系統(tǒng)中是需長期研究與探討的課題。

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Based on the abnormal operation of elevator in Wuhan Metro, the causes of abnormal operation is analyzed. According to the measurement of the voltage and current in power system and the condition of phase sequence relay protection, the harmonic is determined as the cause of relay action. The harmonic source is analyzed, with modest success capacitance compensator as short-term scheme for harmonic suppression is proposed. After capacity transformation of primary substation in Er-Qi road, the voltage distortion is determined by the ratio of rectifier capacity and power grid capacity which is verified, and the reliability and stability of system is greatly improved.

phase sequence relay; harmonic waves; capacitance compensator

U223.6+3

B

1007-936X(2014)05-0021-04

2014-01-24

葉蘭蘭.武漢地鐵運(yùn)營有限公司，助理工程師，電話：13545169565；

鄒 凱，廖 宏.武漢地鐵運(yùn)營有限公司，工程師。