基于莫合泉變電站實測數(shù)據(jù)分析電氣化鐵路對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

馬天嬌，李 青，張明江，張琪瑞

(1.新疆鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，烏魯木齊 830000; 2.國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830000;3.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030；4.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150090)

0 引 言

近年來，新疆的電氣化鐵路發(fā)展迅猛，截至2020年末，格庫鐵路、阿富準(zhǔn)鐵路建成通車后，新疆的鐵路運營總里程已達7 720.838 km，覆蓋新疆80%以上的縣級行政區(qū)，為新疆的經(jīng)濟發(fā)展、人民的生產(chǎn)生活做出了重要貢獻。電氣化鐵路采用單相工頻電力機車，牽引站采用YNd11接線方式，故每列電鐵機車對電力系統(tǒng)構(gòu)成兩相制負荷。電鐵負荷作為兩相供電整流負荷，電流中含大量的負序和諧波電流，其中以三次諧波最為顯著。同時，電鐵負荷受線路條件、機車類型、牽引負荷等因素影響，波動性較大。另外，電鐵機車在啟動與過分區(qū)空載投入時，變壓器還會因空投產(chǎn)生較大的勵磁涌流。因此，電鐵負荷具有非線性、三相不對稱、波動性、沖擊性等多重特征[1-4]。隨著電鐵機車運行速度的提高，其取用功率成倍增加，使得電氣化鐵路對電網(wǎng)的影響日益突出。此外，電鐵機車沿鐵路移動取電，產(chǎn)生的影響遠比其他負荷更為廣泛和嚴(yán)重。為掌握目前電網(wǎng)和用戶負荷受電氣化鐵路影響的基本狀況，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，滿足電氣化鐵路快速發(fā)展的供電需求并為后續(xù)的理論研究提供依據(jù)，該文以220 kV莫合泉變電站為例，對受電鐵干擾的變電站開展電能質(zhì)量測試，并對測試的結(jié)果進行分析，給出相應(yīng)的電能質(zhì)量改善措施。

1 220 kV莫合泉變電站的電能質(zhì)量測試

1.1 莫合泉變電站簡介

圖1為220 kV莫合泉變電站在新疆電網(wǎng)中的位置。220 kV莫合泉變電站的主變?nèi)萘繛?80 MVA，無功補償裝置的容量為10 Mvar，其電氣主接線如圖2所示。蘑菇灘、烏蘭達布斯兩座牽引站通過口岸變110 kV岸灘牽一線和莫合泉變電站110 kV莫灘牽線供電，從圖2可以看出，莫合泉變電站除鐵路牽引負荷外沒有其他干擾源，其電能質(zhì)量測試結(jié)果能為電鐵負荷對變電站電能質(zhì)量的影響分析提供可靠的數(shù)據(jù)。

圖1 220 kV莫合泉變電站接入電網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of 220 kV Mohequan substation connected to power grid

圖2 220 kV莫合泉變電站的電氣主接線圖Fig.2 Main electrical wiring diagram of 220 kV Mohequan substation

1.2 測試情況

2017年9月19日至23日,使用Nexus1500+便攜式電能質(zhì)量測試分析儀,在莫合泉變電站220 kV、110 kV母線并列運行且莫灘牽線分別處于主供和備用的狀態(tài)下,對莫合泉變電站的1號主變高、中、低壓側(cè)及110 kV莫灘牽線進行了電能質(zhì)量測試。測試內(nèi)容包括供電電壓偏差、電壓閃變、電壓三相不平衡度、頻率偏差、諧波電壓及諧波電流。測試期間站內(nèi)2號電容器組始終投入運行。

1.3 測試結(jié)果

電能質(zhì)量測試結(jié)果顯示除110 kV莫灘牽線諧波電流和35 kV母線的3次諧波電壓外，其余電能質(zhì)量測試指標(biāo)均合格。其中110 kV莫灘牽線諧波電流測試數(shù)據(jù)見表1，莫灘牽線主供和備用時35 kV、110 kV和220 kV母線諧波電壓含有率見圖3～5。

圖3 35 kV母線諧波電壓含有率Fig.3 Harmonic voltage content of 35 kV Bus

圖4 110 kV母線諧波電壓含有率Fig.4 Harmonic voltage content of 110 kV Bus

圖5 220 kV母線諧波電壓含有率Fig.5 Harmonic voltage content of 220 kV Bus

表1 110kV莫灘牽線諧波電流值(95%)Table 1 Harmonic current value of 110 kV Motan lead wire(95%) 單位：A

2 指標(biāo)超標(biāo)分析

2.1 110 kV莫灘牽線主供時諧波電流超標(biāo)及高次諧波放大問題

由測試結(jié)果可知，莫灘牽線在主供牽引站時，1號主變高中低側(cè)的奇次諧波電壓都明顯增大，但并未導(dǎo)致新增諧波電壓的超標(biāo)。但莫灘牽線的奇次諧波電流均增至超標(biāo)，特別是3次諧波電流，增大近70倍。而以3次諧波電流為主的奇次諧波電流正是電鐵機車諧波電流的主要特征，因此，可以初步判斷，莫灘牽線在主供牽引站時的諧波電流超標(biāo)問題與電鐵負荷之間存在直接的因果關(guān)系。

電力牽引網(wǎng)是由若干導(dǎo)線組成的多導(dǎo)體傳輸線，具有分布電容，當(dāng)電鐵機車的電流頻譜與牽引網(wǎng)的諧振頻率重疊且電流達到一定幅值時，會激發(fā)高次諧波諧振[5]。在電能質(zhì)量測試中，莫灘牽線也發(fā)現(xiàn)了高次諧波經(jīng)牽引站線路放大的問題。110 kV莫灘牽線主供和備用時的高次諧波電流頻譜如圖6所示。由圖6可以看出，莫灘牽線在主供牽引站時27～41次的諧波電流均偏大，其中以35次的諧波電流最大，A相的95%概率值達13.3 A；備用時各次諧波電流較主供時小很多，但35次諧波電流依然保持在一個較高的水平，其95%概率值為5.4 A，說明莫灘牽線會對特定頻率的諧波產(chǎn)生一定程度的放大作用，存在諧波諧振的可能性。

圖6 110 kV莫灘牽線主供和備用時的高次諧波電流頻譜(95%)Fig.6 High order harmonic current spectrun (95%) daring main supply and standby of 110 kV Motan pull line

2.2 35 kV母線3次諧波電壓超標(biāo)分析

從圖3～5可以看出，在莫灘牽線備用時莫合泉變電站1號主變的110 kV和220 kV母線3次諧波電壓含有率分別為0.34%和0.24%，而35 kV母線3次諧波電壓含有率為2.64%，超出國標(biāo)的要求值2.4%。一般而言，變電站的諧波源為產(chǎn)生諧波電流的非線性設(shè)備和非線性負荷[6]。而1號主變低壓側(cè)的3次諧波電流為3.16 A，遠低于限值的25.92 A，由此可推斷該站的非線性負荷非其主要諧波源。

高壓系統(tǒng)非線性負荷產(chǎn)生的諧波電流注入系統(tǒng)所形成的諧波電壓，對低壓系統(tǒng)來說是背景諧波，背景諧波由變壓器高壓向低壓傳遞的規(guī)律可用下式進行工程估算。

式中：UH,h為變壓器高壓側(cè)進線末端的h次背景諧波電壓；UL,h為變壓器高壓側(cè)進線末端的h次背景諧波電壓引起的低壓母線的h次背景諧波電壓。

由此可以估算出：莫合泉變電站1號主變高壓側(cè)的3次諧波電壓傳導(dǎo)至低壓側(cè)的3次諧波電壓總含量約為0.366%，故造成該站35 kV母線3次諧波電壓超標(biāo)的應(yīng)為該站低壓側(cè)非線性設(shè)備。根據(jù)莫合泉變電站的電氣主接線圖，該站低壓側(cè)只有所用電和無功補償設(shè)備，無其他潛在的諧波源，且測試期間電容器組處于投運狀態(tài)，因此可以斷定，35 kV母線3次諧波電壓的超標(biāo)是由電容器組引起的。

3 治理措施

3.1 查清諧波源頭與治理

對于由電鐵負荷引起的諧波電流超標(biāo)，既可通過改進電鐵機車的拓撲結(jié)構(gòu)從源頭來抑制諧波電流，亦可通過在變電站加裝濾波器或綜合補償設(shè)備來濾除或抑制諧波電流。

針對莫灘牽線25次以上諧波電流偏高的問題，需協(xié)調(diào)鐵路部門，在110 kV莫灘牽線的電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)同時進行測試，通過比較電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)同次諧波電流的比值，以確定諧波電流在經(jīng)過牽引線路時是否發(fā)生了諧波放大效應(yīng)，從而查清諧波來源。若確認高次諧波的放大是由牽引網(wǎng)自身參數(shù)引起的，可通過改變系統(tǒng)自身的參數(shù)以改變諧波諧振的頻率，避開幅值較高的高次諧波，或加裝高通濾波器濾除高次諧波進而改善電網(wǎng)的諧波水平。若確認諧波放大是用戶側(cè)的原因，則責(zé)成相關(guān)用戶進行整改或在用戶側(cè)加裝高通濾波器。

3.2 35 kV母線3次諧波電壓超標(biāo)的治理措施

為限制電容器合閘涌流和對高次諧波的放大，變電站的電容器補償裝置一般都需串接一定電抗率的電抗器，但若其串抗率選擇不當(dāng)，則會造成對某些低次諧波的放大效果[7-8]。

針對35 kV母線3次諧波電壓的超標(biāo)問題，需對電容器組的3次諧波電流進行測試。若確認電容器組為3次諧波電壓超標(biāo)的根本原因，可根據(jù)實際情況，通過調(diào)整電容器組的串抗率、容量、加設(shè)3次諧波濾波裝置或并補濾波成套裝置等方案改善。

4 結(jié) 語

通過對典型電鐵機車牽引站——220 kV莫合泉變電站進行電能質(zhì)量測試及分析，發(fā)現(xiàn)電氣化鐵路對電網(wǎng)的諧波電流影響嚴(yán)重，需要予以高度的重視，并加強治理。在此次測試中，還發(fā)現(xiàn)莫合泉變電站存在低壓側(cè)3次諧波電壓超標(biāo)的問題。針對這些問題，結(jié)合該站的網(wǎng)絡(luò)拓撲進行了初步分析，給出了相應(yīng)的改善建議和措施。