亞吉鐵路K141牽引變電所電能質(zhì)量評(píng)估及治理

林光華

（中鐵二局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，四川 成都 610031）

1 K141牽引變電所概述

K141牽引變電所位于埃塞俄比亞至吉布提標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路（以下簡(jiǎn)稱“亞吉鐵路”）。亞吉鐵路是非洲首條電氣化鐵路，是連接埃塞俄比亞和吉布提兩國(guó)首都以貨運(yùn)為主的鐵路，由中國(guó)企業(yè)建設(shè)，項(xiàng)目全線采用中國(guó)二級(jí)電氣化鐵路標(biāo)準(zhǔn)，鐵路全長(zhǎng)約760 km，設(shè)計(jì)客車最大時(shí)速120 km/h，貨車最大時(shí)速80 km/h，電力機(jī)車采用中車株洲電力機(jī)車廠有限公司生產(chǎn)的HXD1B型交-直-交傳動(dòng)電力機(jī)車。與交-直機(jī)車相比，交-直-交機(jī)車20次以上的更高次諧波含量有所增加[1-2]。

實(shí)際運(yùn)行中，存在變壓器燒損、充電機(jī)燒損、空調(diào)機(jī)損壞、所內(nèi)工作電腦、保護(hù)綜自等屏柜信號(hào)指示器易損、所內(nèi)生活用電設(shè)備損壞等現(xiàn)象。

2 380 V側(cè)電能質(zhì)量評(píng)估

2.1 電壓過(guò)程及典型波形

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到380 V側(cè)電壓過(guò)程及電壓典型波形如圖1～圖4所示。其中380 V側(cè)A、B、C三相電壓有效值曲線如圖1所示（黑框?yàn)樨涇嚱?jīng)過(guò)時(shí)間段）。

由圖1～圖4可知，在貨車通過(guò)的時(shí)間段，所內(nèi)380 V三相電壓波動(dòng)明顯（重載貨車波動(dòng)更大），最大有效值接近260 V（額定為220 V）?？梢?jiàn)牽引網(wǎng)電壓的劇烈波動(dòng)，通過(guò)所內(nèi)的逆YNd11變壓器影響到了低壓側(cè)三相電壓[3]。

圖1 380 V側(cè)A、B、C相電壓有效值曲線

圖4 無(wú)車時(shí)380 V側(cè)A、B、C相典型電壓波形

2.2 諧波電壓總畸變率

380 V側(cè)電壓THD趨勢(shì)如圖5所示，全過(guò)程三相電壓THD典型統(tǒng)計(jì)值如表1所示。

表1 K141變電所全過(guò)程內(nèi)380 V側(cè)三相電壓THD

圖5 380 V側(cè)A、B、C相電壓THD趨勢(shì)圖

圖2 貨車過(guò)α相380 V側(cè)典型電壓波形

圖3 貨車重載過(guò)β相380 V側(cè)典型電壓波形

由圖5和表1可以看出，在測(cè)試的全過(guò)程中，K141變電所380 V側(cè)A、B、C三相電壓THD的95%概率最大值分別為11.67%、58.44%、5.95%，不滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549—93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》中對(duì)380 V電壓等級(jí)5%的規(guī)定，同時(shí)A、B相不滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)IEC TR-61000-3-6—2008對(duì)諧波8%的要求。

2.3 諧波電壓含有率

貨車通過(guò)α相時(shí)380 V側(cè)B相各次諧波電壓含有率95%概率值直方圖如圖6所示。

圖6 貨車過(guò)α相時(shí)380 V側(cè)B相諧波電壓含有率95%概率值直方圖

由圖6可知，貨車通過(guò)α相時(shí)，380 V側(cè)B相電壓畸變非常嚴(yán)重，各次諧波均不符合IEC的要求；在貨車經(jīng)過(guò)時(shí)，高次主要分布在31、33、35、37、39、41、45次諧波，遠(yuǎn)高于IEC對(duì)單次諧波的要求[4]。

3 治理方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，該牽引變電所的典型電能質(zhì)量問(wèn)題為高次諧波導(dǎo)致的所用變?cè)O(shè)備損壞。通過(guò)分析可知，在機(jī)車剛進(jìn)入供電臂一直到駛出供電區(qū)間，網(wǎng)壓持續(xù)畸變嚴(yán)重，電壓畸變率最大值達(dá)到20%以上，這是造成牽引變電所內(nèi)充電模塊損壞，空調(diào)、電磁爐、手機(jī)充電器等用電設(shè)備不能正常工作的原因。

3.1 變電所380 V側(cè)電壓畸變機(jī)理

圖7為變電所用的兩相-三相變壓器的結(jié)構(gòu)，由此可得原次邊電壓的電氣變換關(guān)系為：

圖7 所用變逆YNd11變壓器

式（1）中：k為原次邊變比。

可見(jiàn)，牽引網(wǎng)中的諧波電壓可通過(guò)逆YNd11變壓器滲透到低壓三相系統(tǒng)中，如果牽引網(wǎng)諧波電壓含量較高，則會(huì)造成低壓三相系統(tǒng)電壓諧波含量激增，威脅低壓三相系統(tǒng)中用電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。這也就是變電所三相電壓在機(jī)車通過(guò)時(shí)畸變嚴(yán)重的原因。

3.2 380 V電壓畸變治理方案

由于現(xiàn)階段造成牽引供電系統(tǒng)電壓畸變的主要因素為高次諧波分量，因此針對(duì)諧波的治理應(yīng)重點(diǎn)放在高次諧波上。針對(duì)牽引變電所低壓配電系統(tǒng)中的高次諧波，本文提出適用于牽引變電所低壓配電系統(tǒng)的Y型高通濾波器濾波方案，消除高次諧波的危害，如圖8所示[5]。

圖8 諧波濾波裝置裝備及其接線示意圖

4 治理方案達(dá)到的效果

根據(jù)高通濾波器的諧波治理實(shí)施方案，驗(yàn)證了治理方案的實(shí)施效果。結(jié)果表明，采用阻波高通濾波器能夠顯著改善諧波，達(dá)到諧波治理的效果。K141+900變電所投入后380 V側(cè)三相電壓THD如表2所示。

表2 K141+900變電所投入后380 V側(cè)三相電壓THD

由表2中可以看出，在投入阻波高通濾波裝置之后，K141+900變電所380 V側(cè)A、B、C三相電壓THD在95%概率最大值分別為4.97%、4.26%、2.20%，均滿足國(guó)標(biāo)和IEC的要求。

5 結(jié)論

K141牽引變電所的380 V側(cè)電壓畸變情況明顯，主要由牽引網(wǎng)中的高次諧波分量引起。針對(duì)高次諧波，治理方案為使用Y型高通濾波器，以消除高次諧波的危害。

比較方案實(shí)施前后的電壓THD及各次諧波分量情況，充分證明了該方案的有效性。