电气化铁路接入电网电能质量评估分析

冯宏恩

（国网冀北电力有限公司承德供电公司，河北 承德 067000）

0 引言

电气化铁路接入电网引起的牵引负荷属于大功率单相整流负荷，电铁通过时产生的负序和谐波电流经线路进入电力系统，会影响到用电设备的正常工作[1-2]。本文以某新建铁路接入电网工程为例，将牵引供电所中的变压器作为影响电网稳定运行的干扰点，从电网的谐波电流、谐波电压、三相电压不平衡以及电压波动/偏差[3-5]等多角度分析电能质量指标，并对于不满足要求的指标，采取治理措施，为电气化铁路接入电网审查提供参考依据，对提升电网电能质量、改善用电环境具有重要意义。

1 工程概况

以某条铁路的110 kV牵引供电所为例，所内安装2台容量为32 MVA的牵引变压器，主变压器额定电压110/27.5 kV，采用V/V型接线如图1所示。短路阻抗百分比为8.4%。牵引变电站供电臂A方向，平均电流125 A，有效电流253 A，最大电流523 A；供电臂B方向平均电流169 A，有效电流364 A，最大电流722 A。远期最大负荷为34.5 MW。

图1 V/V型牵引变压器绕组接线示意图

该牵引变电所接入某220 kV变电站110 kV母线侧，该变电站主变额定电压230/121/38.5 kV，在系统最小方式运行情况下，变电站110 kV侧母线短路容量为574 MVA，供电容量为180 MVA，用户的协议容量为32 MVA。

本项目的电能质量指标考核点为牵引供电所与电力系统的公共连接点（PCC）处。

本工程采用的机车类型为大功率HXD型交直交机车，机车功率为7 200 kW，功率因数0.98，谐波含量低，频谱宽。根据相关资料函，供电臂谐波电流含量如表1所示。

表1 某牵引供电所供电臂谐波电流含量 单位：A

2 电能质量评估

电气化铁路接入公共连接点（PCC）处的电能质量指标限值和计算方法[6-10]如下。

2.1 谐波电流的评估

根据GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》中的规定，考核点处各次谐波电流允许值如表2所示。

表2 考核点处各次谐波电流允许值

三相V/V接牵引变压器外接线（以C相位公共端说明）如图2所示。

图2 V/V接线的三相牵引变压器供电原理图

令两供电臂输入变压器的各次谐波电流分别为Iah和Ibh，则输入系统的各相线电流如下式所示：

式中：IAh、IBh、ICh为高压侧谐波电流；Iah、Ibh为a、b供电臂的谐波电流；K为变压器的变比；h为谐波次数。

注入PCC的谐波电流取三相谐波电流最大值，如表3所示。

表3 注入PCC谐波电流值

对比表3和表2发现，考核点处3次谐波电流的允许值为1.53 A，注入考核点处的电流为2.44 A，3次谐波电流超标，其余各次谐波电流合格。建议牵引供电所加装动态无功补偿装置来滤除3次谐波，保证各次谐波电流全部满足国标要求。在配置谐波治理装置时，应使谐波治理装置的基波无功容量与无功补偿装置的无功容量组合之后的无功容量输出范围满足本项目接入系统设计的要求。

2.2 谐波电压的评估

根据GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》中的规定，考核点（PCC）谐波电压（相电压）限值要求如表4所示。

表4 考核点处各次谐波电压允许值

谐波电压的计算可采用以下方法：

第h次谐波电压含有率HRUh与第h次谐波电流分量Ih的关系如下式所示：

式中：UN为电网的标称电压；Ih为第h次谐波电流；Sd为最小运行方式下公共连接点的三相短路容量。

第h次谐波电压含有率HRUh：

式中：Uh为第h次谐波电压（均方根值）；U1为基波电压（均方根值）。

谐波总电压含量UH如下式所示：

电压总谐波畸变率THDU如下式所示：

经计算，公共连接点处各次谐波电压含量如表5所示。

表5 PCC各次谐波电压含量

各次谐波电压畸变率和总谐波电压畸变率均合格，电压总谐波畸变率THDU为0.308%，符合国标限值2%的规定。

2.3 三相电压不平衡的评估

根据GB/T 15543—2008《电能质量三相电压不平衡》中的规定，牵引供电所注入考核点处的负序电流引起的三相不平衡度应小于1.3%，短时不超过2.6%。

V/V接线牵引变供电臂负荷电流和系统侧正序电流I1、负序电流I2的关系如下式所示：

式中：Ia、Ib为供电臂的有效和最大电流；K为变压器的变比。

工程上为了简便，三相电压不平衡度的计算如下式所示：

式中：ε为三相电压不平衡度；UL为公共连接点的线电压均方根值；Sd为最小运行方式下公共连接点的三相短路容量。

由背景资料可知，牵引变压器变比K=4，供电臂的有效电流和最大电流分别为253 A和722 A，最小运行方式下公共连接点的短路容量为574 MVA，代入公式（7）和（8），可求得三相电压不平衡度为3.04%，超过国标限值2.6%的要求，建议额外加装不平衡治理装置。如果不平衡治理也是采用无功补偿的方法，则需要综合考虑，使滤波治理装置、不平衡治理装置和无功补偿装置输出的无功容量范围满足本项目接入系统设计的要求。

2.4 电压波动的评估

根据GB 12326—2008《电能质量电压波动和闪变》中的规定，牵引供电所注入考核点处引起的电压波动限值应为2.5%。

电压波动d的定义如下式所示：

式中：UN为电网标称电压；ΔU为电压均方根曲线上相邻两个极值电压之差。

电铁通过时形成的单次电压波动可通过电网参数和负荷量进行估算。电压波动如下式所示：

式中：RL、XL分别为电网阻抗的电阻、电抗分量；ΔPi、ΔQi分别为负荷有功功率和无功功率的变化量。

在电网中，一般XL≫RL，则电压波动如下式所示：

式中：Sd为最小运行方式下公共连接点的三相短路容量。

单台HXD型电力机车最大功率7.2 MW，功率因数0.98，对应最大无功冲击为1.46 Mvar，短路容量574 MWA，根据式（11）估算电压波动为0.44%，满足国标限值2.5%的要求。

2.5 电压偏差的评估

根据GB/T 12325—2008《电能质量供电电压偏差》中的规定，35 kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过额定电压的10%。

对公共连接点电压偏差的计算如下式所示：

式中：δU为电压偏差；Qmax为负荷最大无功容量；Sd为最小运行方式下公共连接点的三相短路容量。

最小运行方式下公共接入点最小短路容量574 MVA，功率因数0.98，有功功率34.5 MW，无功功率10.56 Mvar，根据式（12）估算电压偏差为3.19%，满足国标限值10%的要求。

3 结束语

电气化铁路接入电网，电铁通过时产生的负序和谐波电流经线路流入电网，会引起电网较为显著的电能质量问题。

本文以实际工程为例，介绍了电能质量分析方法，从多角度分析电能质量指标，并对不合格指标提出了治理措施，为电气化电路接入电网的审查提供了重要的参考依据，具有较高的应用价值。后续应采取在线设备检测方式，提高电能质量预警监测水平，保障电力系统和铁路的安全稳定运行。