鐵路牽引系統(tǒng)三相不平衡對(duì)功率因數(shù)的影響研究

摘 要：電能涉及發(fā)電、供電、用電三方面的經(jīng)濟(jì)利益，隨著電氣化鐵路的大量投入使用，使電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題日益嚴(yán)重。由于電力機(jī)車(chē)負(fù)荷的隨機(jī)性，同時(shí)為整流驅(qū)動(dòng)，會(huì)給電力系統(tǒng)帶來(lái)三相不平衡、諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題，嚴(yán)重影響牽引供電網(wǎng)及上級(jí)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。文章通過(guò)對(duì)電力機(jī)車(chē)工作方式進(jìn)行理論分析，并通過(guò)電能質(zhì)量測(cè)試儀器FLUKE435對(duì)某牽引變電站110kV側(cè)進(jìn)行電能質(zhì)量檢測(cè)，建立仿真模型得出電力機(jī)車(chē)的三相不平衡對(duì)等效功率因數(shù)的影響，最后給出了電力機(jī)車(chē)110kV側(cè)電能治理的措施。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；電能質(zhì)量；功率因數(shù)

引言

目前，我國(guó)電氣化鐵路中的電能質(zhì)量問(wèn)題主要為：三相不平衡、功率因數(shù)和諧波問(wèn)題[1-4]。電力機(jī)車(chē)產(chǎn)生大量的諧波、負(fù)序電流注入到牽引供電系統(tǒng)中，引起牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的下降，增加線(xiàn)路的損耗[5]、減少變壓器的使用壽命、降低電氣鐵路供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的可靠性、增加線(xiàn)路跳閘次數(shù)、降低開(kāi)關(guān)設(shè)備使用壽命、使電氣鐵路供電系統(tǒng)補(bǔ)償電容器發(fā)生過(guò)壓，威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行以及其他用戶(hù)設(shè)備的安全和正常工作。

三相不平衡度、諧波和功率因數(shù)是評(píng)價(jià)電力機(jī)車(chē)性能的重要指標(biāo)，其大小表明了機(jī)車(chē)的電能利用效果及其對(duì)供電電網(wǎng)的污染情況。文章通過(guò)分析電力機(jī)車(chē)的工作方式，測(cè)試得出其110kV側(cè)三相電流的不平衡問(wèn)題，并通過(guò)MALATB進(jìn)行仿真，得出其三相不平衡對(duì)等效功率因數(shù)[6]的影響。

1 三相不平衡定義

三相不平衡是指在電力系統(tǒng)中三相電壓或電流幅值或相位差不一致，且差值超過(guò)規(guī)定范圍。三相不平衡度[7]是描述電力系統(tǒng)中三相不平衡的程度。在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下，指由于負(fù)序分量而引起的PCC連接點(diǎn)的電壓不平衡。發(fā)生三相不平衡既與用戶(hù)負(fù)荷特性有關(guān)，同時(shí)與電力系統(tǒng)的規(guī)劃、負(fù)荷分配也有關(guān)。為了考核電網(wǎng)三相平衡情況，制定了相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，即《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》（GB/T15543-1995）標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)電壓不平衡度限值為正常運(yùn)行情況下負(fù)序電壓不平衡度不超過(guò)2%，短時(shí)間不得超過(guò)4%。電網(wǎng)電壓不平衡主要由于三相系統(tǒng)參數(shù)、負(fù)荷情況等引起三相電流不平衡，從而造成三相電壓的不平衡。

2 鐵路牽引系統(tǒng)三相不平衡產(chǎn)生原因分析

我國(guó)交流鐵路是由電力系統(tǒng)110kV（或220kV）經(jīng)牽引變變壓器降為27.5kV（或55kV）后向牽引網(wǎng)及電力機(jī)車(chē)單相供電，由于是單相供電方式，造成了供電電網(wǎng)的三相不平衡。牽引變壓器[8]的不同接線(xiàn)方式及牽引負(fù)荷的負(fù)荷水平對(duì)牽引負(fù)荷負(fù)序特性起到?jīng)Q定性的作用。不同的接線(xiàn)方式，對(duì)牽引負(fù)荷注入電力系統(tǒng)的負(fù)序電流抑制能力大為不同。三相YNd11接線(xiàn)牽引變壓器中最常見(jiàn)的接線(xiàn)形式，下面主要分析AT供電方式下YNd11接線(xiàn)牽引變壓器產(chǎn)生的負(fù)序電流和三相不平衡情況。

普通的電力機(jī)車(chē)供電大多采用AT供電方式，其原理如圖1所示。

AT供電方式下YNd11牽引變壓器接線(xiàn)如圖2所示，變壓器一次側(cè)繞組為Y型連接，二次側(cè)繞組為△連接，二次側(cè)兩個(gè)單相繞組分別作為牽引電源給電力機(jī)車(chē)供電。

圖2中，牽引變壓器二次側(cè)右邊為a相供電臂，左邊為b相供電臂。為了方便分析負(fù)序電流，假設(shè)系統(tǒng)電流只含有基波成分，不考慮諧波情況。圖中兩供電臂源電流分別為Ia和Ib，變壓器一次側(cè)電流分別為IA、IB和IC，YNd11變壓器原副邊變壓比為K，可以得出：

假設(shè)兩供電臂功率因數(shù)角相同，即？漬a=？漬b=？漬，兩供電臂電流有效值之比定義為Ib/Ia=k。

三相電流不平衡度KI隨著兩臂電流有效值之比k向1靠近而降低。在k=0，即只有一臂有機(jī)車(chē)負(fù)載時(shí)，負(fù)序電流最大，三相電流不平衡度達(dá)到100%；在k=1，即兩供電臂電流同幅值同功率因數(shù)角時(shí)，一次側(cè)三相電流平衡。在同一k值下，？漬取0？燮？漬？燮90°之間的任意值，三相電流不平衡保持不變。

3 鐵路牽引系統(tǒng)電能質(zhì)量測(cè)試分析

通過(guò)對(duì)鐵路牽引系統(tǒng)110kV側(cè)有火車(chē)通過(guò)時(shí)刻進(jìn)行電能質(zhì)量的測(cè)試，可以得出鐵路牽引系統(tǒng)110kV側(cè)瞬時(shí)功率因數(shù)如表1，其系統(tǒng)110kV側(cè)三相電流波形如圖3和圖4所示。其中圖3是電力機(jī)車(chē)在上行和下行都有通過(guò)時(shí)，測(cè)得的波形圖；圖4是電力機(jī)車(chē)上行通過(guò)時(shí)刻，測(cè)得的波形圖。

由測(cè)試結(jié)果可以得出，鐵路牽引系統(tǒng)110kV側(cè)的功率因數(shù)瞬時(shí)值不滿(mǎn)足功率因數(shù)的限制要求，而且系統(tǒng)還出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償。由圖3和圖4可以看出，在電力機(jī)車(chē)只有單行通過(guò)時(shí)刻，其110kV側(cè)三相流嚴(yán)重不平衡，其三相電流的不平衡隨著不同電力機(jī)車(chē)的通行時(shí)刻而變化。

4 鐵路牽引系統(tǒng)三相不平衡仿真分析

根據(jù)上述測(cè)試分析可以得到，在電力機(jī)車(chē)只有上行或下行的時(shí)刻，其電流三相不平衡是最嚴(yán)重的，因此下面主要分析電力機(jī)車(chē)在上行情況下對(duì)等效功率因數(shù)的因數(shù)的影響。

建立圖5的仿真模型，可以看出在電力機(jī)車(chē)只有上行負(fù)載時(shí)，110kV系統(tǒng)的功率因數(shù)不為1，而是0.7133，顯然不滿(mǎn)足系統(tǒng)功率因數(shù)的要求。由圖6可以看出鐵路牽引110kV側(cè)三相電流嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)很接近，然而電力機(jī)車(chē)在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，還會(huì)有無(wú)功補(bǔ)償裝置，在電力機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，會(huì)導(dǎo)致無(wú)功過(guò)補(bǔ)償，而使瞬時(shí)功率因數(shù)為負(fù)值，增加了電能的線(xiàn)路損耗。

5 鐵路牽引系統(tǒng)三相不平衡治理措施

電力機(jī)車(chē)供電系統(tǒng)主要存在電流三相不平衡、功率因數(shù)低和含諧波電流的電能質(zhì)量問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，提出如下措施建議：

（1）針對(duì)鐵路牽引，在各種負(fù)荷條件不變的情況下，可以通過(guò)管理火車(chē)的通行時(shí)刻表來(lái)合理分布三相負(fù)荷，只要合理安排負(fù)荷所在的端口順序，就能最大程度地使構(gòu)成負(fù)序電流的各分量互相抵消，從而減少總的負(fù)序電流，使三相不平衡對(duì)電網(wǎng)的影響降至最低。

（2）對(duì)于新建的鐵路線(xiàn)路，可以要求鐵路方面采用特殊接線(xiàn)的平衡變壓器。

（3）對(duì)于鐵路牽引變電站，可以要求牽引變電站安裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。

（4）由于鐵路牽引裝有無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，可能向電網(wǎng)倒送無(wú)功電量，在計(jì)費(fèi)計(jì)量點(diǎn)安裝有防止無(wú)功倒送裝置的反向無(wú)功電度表[8]，按倒送無(wú)功電量與實(shí)用無(wú)功電量的絕對(duì)值之和計(jì)算月平均功率因數(shù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)電力機(jī)車(chē)的工作方式進(jìn)行了理論分析，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出了其電能質(zhì)量測(cè)試結(jié)果，最后文章通過(guò)建立仿真模型，分析了電力機(jī)車(chē)對(duì)等效功率因數(shù)的影響，為電力機(jī)車(chē)的無(wú)功補(bǔ)償和電能計(jì)量提供了理論依據(jù)。

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