基于莫合泉变电站实测数据分析电气化铁路对电网电能质量的影响

2021-12-29马天娇张明江张琪瑞

黑龙江电力 2021年5期

马天娇，李青，张明江，张琪瑞

(1.新疆铁道职业技术学院，乌鲁木齐 830000; 2.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，乌鲁木齐 830000;3.国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，哈尔滨 150030；4.国网黑龙江省电力有限公司，哈尔滨 150090)

0 引言

近年来，新疆的电气化铁路发展迅猛，截至2020年末，格库铁路、阿富准铁路建成通车后，新疆的铁路运营总里程已达7 720.838 km，覆盖新疆80%以上的县级行政区，为新疆的经济发展、人民的生产生活做出了重要贡献。电气化铁路采用单相工频电力机车，牵引站采用YNd11接线方式，故每列电铁机车对电力系统构成两相制负荷。电铁负荷作为两相供电整流负荷，电流中含大量的负序和谐波电流，其中以三次谐波最为显著。同时，电铁负荷受线路条件、机车类型、牵引负荷等因素影响，波动性较大。另外，电铁机车在启动与过分区空载投入时，变压器还会因空投产生较大的励磁涌流。因此，电铁负荷具有非线性、三相不对称、波动性、冲击性等多重特征[1-4]。随着电铁机车运行速度的提高，其取用功率成倍增加，使得电气化铁路对电网的影响日益突出。此外，电铁机车沿铁路移动取电，产生的影响远比其他负荷更为广泛和严重。为掌握目前电网和用户负荷受电气化铁路影响的基本状况，确保电网安全稳定运行，满足电气化铁路快速发展的供电需求并为后续的理论研究提供依据，该文以220 kV莫合泉变电站为例，对受电铁干扰的变电站开展电能质量测试，并对测试的结果进行分析，给出相应的电能质量改善措施。

1 220 kV莫合泉变电站的电能质量测试

1.1 莫合泉变电站简介

图1为220 kV莫合泉变电站在新疆电网中的位置。220 kV莫合泉变电站的主变容量为180 MVA，无功补偿装置的容量为10 Mvar，其电气主接线如图2所示。蘑菇滩、乌兰达布斯两座牵引站通过口岸变110 kV岸滩牵一线和莫合泉变电站110 kV莫滩牵线供电，从图2可以看出，莫合泉变电站除铁路牵引负荷外没有其他干扰源，其电能质量测试结果能为电铁负荷对变电站电能质量的影响分析提供可靠的数据。

图1 220 kV莫合泉变电站接入电网示意图Fig.1 Schematic diagram of 220 kV Mohequan substation connected to power grid

图2 220 kV莫合泉变电站的电气主接线图Fig.2 Main electrical wiring diagram of 220 kV Mohequan substation

1.2 测试情况

2017年9月19日至23日,使用Nexus1500+便携式电能质量测试分析仪,在莫合泉变电站220 kV、110 kV母线并列运行且莫滩牵线分别处于主供和备用的状态下,对莫合泉变电站的1号主变高、中、低压侧及110 kV莫滩牵线进行了电能质量测试。测试内容包括供电电压偏差、电压闪变、电压三相不平衡度、频率偏差、谐波电压及谐波电流。测试期间站内2号电容器组始终投入运行。

1.3 测试结果

电能质量测试结果显示除110 kV莫滩牵线谐波电流和35 kV母线的3次谐波电压外，其余电能质量测试指标均合格。其中110 kV莫滩牵线谐波电流测试数据见表1，莫滩牵线主供和备用时35 kV、110 kV和220 kV母线谐波电压含有率见图3～5。

图3 35 kV母线谐波电压含有率Fig.3 Harmonic voltage content of 35 kV Bus

图4 110 kV母线谐波电压含有率Fig.4 Harmonic voltage content of 110 kV Bus

图5 220 kV母线谐波电压含有率Fig.5 Harmonic voltage content of 220 kV Bus

表1 110kV莫滩牵线谐波电流值(95%)Table 1 Harmonic current value of 110 kV Motan lead wire(95%) 单位：A

2 指标超标分析

2.1 110 kV莫滩牵线主供时谐波电流超标及高次谐波放大问题

由测试结果可知，莫滩牵线在主供牵引站时，1号主变高中低侧的奇次谐波电压都明显增大，但并未导致新增谐波电压的超标。但莫滩牵线的奇次谐波电流均增至超标，特别是3次谐波电流，增大近70倍。而以3次谐波电流为主的奇次谐波电流正是电铁机车谐波电流的主要特征，因此，可以初步判断，莫滩牵线在主供牵引站时的谐波电流超标问题与电铁负荷之间存在直接的因果关系。

电力牵引网是由若干导线组成的多导体传输线，具有分布电容，当电铁机车的电流频谱与牵引网的谐振频率重叠且电流达到一定幅值时，会激发高次谐波谐振[5]。在电能质量测试中，莫滩牵线也发现了高次谐波经牵引站线路放大的问题。110 kV莫滩牵线主供和备用时的高次谐波电流频谱如图6所示。由图6可以看出，莫滩牵线在主供牵引站时27～41次的谐波电流均偏大，其中以35次的谐波电流最大，A相的95%概率值达13.3 A；备用时各次谐波电流较主供时小很多，但35次谐波电流依然保持在一个较高的水平，其95%概率值为5.4 A，说明莫滩牵线会对特定频率的谐波产生一定程度的放大作用，存在谐波谐振的可能性。

图6 110 kV莫滩牵线主供和备用时的高次谐波电流频谱(95%)Fig.6 High order harmonic current spectrun (95%) daring main supply and standby of 110 kV Motan pull line

2.2 35 kV母线3次谐波电压超标分析

从图3～5可以看出，在莫滩牵线备用时莫合泉变电站1号主变的110 kV和220 kV母线3次谐波电压含有率分别为0.34%和0.24%，而35 kV母线3次谐波电压含有率为2.64%，超出国标的要求值2.4%。一般而言，变电站的谐波源为产生谐波电流的非线性设备和非线性负荷[6]。而1号主变低压侧的3次谐波电流为3.16 A，远低于限值的25.92 A，由此可推断该站的非线性负荷非其主要谐波源。

高压系统非线性负荷产生的谐波电流注入系统所形成的谐波电压，对低压系统来说是背景谐波，背景谐波由变压器高压向低压传递的规律可用下式进行工程估算。

式中：UH,h为变压器高压侧进线末端的h次背景谐波电压；UL,h为变压器高压侧进线末端的h次背景谐波电压引起的低压母线的h次背景谐波电压。

由此可以估算出：莫合泉变电站1号主变高压侧的3次谐波电压传导至低压侧的3次谐波电压总含量约为0.366%，故造成该站35 kV母线3次谐波电压超标的应为该站低压侧非线性设备。根据莫合泉变电站的电气主接线图，该站低压侧只有所用电和无功补偿设备，无其他潜在的谐波源，且测试期间电容器组处于投运状态，因此可以断定，35 kV母线3次谐波电压的超标是由电容器组引起的。

3 治理措施

3.1 查清谐波源头与治理

对于由电铁负荷引起的谐波电流超标，既可通过改进电铁机车的拓扑结构从源头来抑制谐波电流，亦可通过在变电站加装滤波器或综合补偿设备来滤除或抑制谐波电流。

针对莫滩牵线25次以上谐波电流偏高的问题，需协调铁路部门，在110 kV莫滩牵线的电网侧和用户侧同时进行测试，通过比较电网侧和用户侧同次谐波电流的比值，以确定谐波电流在经过牵引线路时是否发生了谐波放大效应，从而查清谐波来源。若确认高次谐波的放大是由牵引网自身参数引起的，可通过改变系统自身的参数以改变谐波谐振的频率，避开幅值较高的高次谐波，或加装高通滤波器滤除高次谐波进而改善电网的谐波水平。若确认谐波放大是用户侧的原因，则责成相关用户进行整改或在用户侧加装高通滤波器。