摘要：多线合用牵引变电所运行条件复杂,实测数据更能反映牵引变电所真实的运行状况。首先分析了牵引变所功率因数、三相电压不平衡、谐波等电能质量问题,然后基于实测数据对合蚌客专3座牵引变电所电能质量进行了分析。通过分析得出,牵引变电所电能质量符合国家标准要求,但是个别变电所存在高次谐波谐振问题。

关键词：电气化铁路;电能质量;实测数据

0、引言

电气化铁路电能质量问题一直以来备受关注,牵引变电所电能质量评估是新建铁路开通前的重要内容,但是电能质量评估中采取的各类数据是理论计算值,并不能真实反映电气化铁路实际运行情况。特别是当铁路开通后,有其他线路接入,牵引变电所的运行条件发生了重大改变,这时需要对牵引变电所实际运行数据进行测量,利用实测数据对牵引变电所电能质量进行分析和评估。

1、概况

合肥至蚌埠客运专线(以下简称合蚌客专)由京沪高铁蚌埠南站引出,终于合肥枢纽合肥站,与水蚌线、淮南线、商合杭高铁、合福铁路等多条铁路或交叉或并行,牵引供电系统采用AT供电方式,新建刘府、水家湖、邵岗3座牵引变电所。为了实现资源共享,节省工程投资,根据线位特点,3座牵引变电所同时为多条铁路供电:刘府牵引变电所为合蚌客专、水蚌线供电;水家湖牵引变电所为合蚌客专、水蚌线、淮南线、商合杭高铁供电;邵岗牵引变电所为合蚌客专、淮南线、商合杭高铁、合福铁路供电。合蚌客专线路及牵引变电所分布示意图如图1所示。

图1线路及牵引变电所分布示意图

合蚌客专线路情况复杂,电力机车类型多,AT供电方式和直接供电方式并存,给理论分析带来困难,因此本文对合蚌客专牵引变电所220kV侧三相电压、电流和27．5kV母线电压和电流以及馈线电流等实时运行数据进行了采集,并基于实测数据对牵引变电所功率因数、三相电压不平衡和谐波等电能质量问题进行了分析。

1. 功率因数

2.1功率因数影响因素

牵引变电所功率因数主要受三个方面影响。

(1)交直型电力机车。交直型电力机车(如SS系列)功率因数在0．8左右,交直交型电力机车(如和谐号、复兴号、HXD等)功率因数在0．97以上。目前,交直型电力机车仅在部分普速电气化铁路中运行,交直交型电力机车所占比例越来越高,相关的文献分析结果表明,在两种电力机车混跑的线路中,交直型电力机车所占比例达到22．9％时,牵引变电所的功率因数降到0．9。

(2)分布式容性电流。接触网为长距离输电线路,会产生分布式容性电流。以一个双线电气化铁路牵引变电所为例,若变电所有4回AT馈线,供电臂长度为25km,架空接触网单位电容电流参照35kV线路为0．18A/km,则变电所27．5kV侧电容电流为0．18×25×4＝18A,折算到220kV侧为4．,产生的无功功率为1714kvar.

虽然架空线路产生的无功功率相对于机车功率小,但是当线路上开行的列车对数少,线路空载率过高时,牵引变电所全天功率因数会降低。

(3)无功功率计量方式。牵引变电所全天功率因数可分为“返送反计”“返送不计”“返送正计”三种计量方式。

“返送反计”计量方式的计算公式为: cosφ＝ “返送不计”计量方式的计算公式为: cosφ＝ “返送正计”计量方式的计算公式为: cosφ＝ 式中,P为有功功率;QL为感性无功功率;功功率。

(1) (2) (3) QC为容性无

由式(1)~(3)可以看出,3种牵引变电所功率因数计算方式差异较大,“返送正计”方式功率因数*低。

2.2实测数据分析

合蚌客专3座牵引变电所功率因数的实测值如图2~4所示。由于牵引变电所供电线路的机车均为交直交型电力机车,牵引变电所功率因数保持在较高的水平,实测值也可以反映这一点,其中功率因数为负值对应的时刻是机车在运行过程中的再生制动工况。

图2刘府牵引变电所功率因数实测值

图3水家湖牵引变电所功率因数实测值

图4邵岗牵引变电所功率因数实测值

3座牵引变电所全天功率因数统计见表1,在“返送反计”“返送不计”方式下,3座牵引变电所功率因数都达

由图2~4可以看出,刘府牵引变电所存在较长时间的线路空载情况,而水家湖和邵岗牵引变电所几乎不存在空载情况,这是由于水蚌线还未开通,刘府牵引变电所目前只为合蚌客专一条铁路供电,而水家湖和邵岗牵引变电所则同时为3条铁路供电。从表1可知,受空载线路分布式容性电流影响,刘府牵引变电所功率因数小于其他2座变电所。

表1牵引变电所全天功率因数

计量方式	刘府牵引变电所	水家湖牵引变电所	邵岗牵引变电所
返送反计	0．9914	0．9965	0．9927
返送不计	0．9141	0．9721	0．9746
返送正计	0．7002	0．8699	0．8648

1. 三相电压不平衡

3.1牵引变电所负序影响分析

牵引变电所采用V/X牵引变压器,其原理如图5所示,高压侧接入电力系统220kV三相电源,二次侧设2台单相变压器,分别为变电所α和β两侧供电臂供电,其中每个单相变压器设有T和F绕组,二次侧Tα、Tβ之间,Fα、Fβ之间电压相位相差60°。

图5VX接线变压器原理图

通过分析一次侧电流与二次侧负载电流关系,并采用对称分量法对一次侧三相电流进行分解,可得负序电流

为：

(4)式中,k为变压器一次侧和二次侧绕组匝数比,对于220/2×27．5kV变压器,k＝8。

根据GB/T15543－2008,电压不平衡度为:3。I2。ULεU2＝Sk×100％(5)由式(5)可知,牵引变电所电压不平衡度受负序电流I2和接入点的系统短路容量Sk影响。根据式(4),负序电流I2与变电所两侧负荷电流有关。系统短路容量Sk则由电力系统决定。

3.2实测数据分析

通过测量变电所220kV侧三相电压的幅值和相位,用对称分量法分别求出正序分量、负序分量,然后计算出负序电压不平衡度,将获得的24h数据绘制成电压不平衡度曲线,如图6~8所示,其95％概率较大值和较大值见表2。根据GB/T15543－2008«电能质量三相电压不平衡»规定,接于公共连接点的每个用户引起的该点负序电压不平衡度允许值一般为1．3％,短时不超过2．6％。因此牵引变电所三相电压不平衡度满足规范要求。

图6刘府牵引变电所220kV侧电压不平衡度

图7水家湖牵引变电所220kV侧电压不平衡度

图8邵岗牵引变电所220kV侧电压不平衡度

表2牵引变电所220kV侧电压不平衡度

三相电压不平衡/％	刘府牵引变电所	水家湖牵引变电所	邵岗牵引变电所
95％概率大值	0．5059	0．8562	0．5703
较大值	0．9991	1．6574	1．1995

4、谐波

4.1电力机车谐波特性

牵引供电系统中的主要谐波源是电力机车。由于交直型机车采用不可控二极管变流,因此机车牵引电流含有丰富的奇次谐波,但基本上集中在3、5、7次等低次范围。交直交型机车由于采用PWM技术,大大降低了谐波含量,但谐波频谱较宽,含有低次和高次谐波。其中,低次谐波主要由牵引电路的拓扑结构和控制算法引起,主要分布在3、5、7、9次;高次谐波主要由PWM算法引起,与开关频率有关,由于不同车型的开关频率不同,高次谐波特性也不尽相同,如CRH2、CRH380A、HXD3等车型的高次谐波主要分布在50、100次附近,CRH3、CHR380B、HXD1等车型的高次谐波主要分布在35、70次附近。不同型号的列车在线路上同时运行,会给系统带来含量丰富且频带分布多样的谐波,也会较大谐波谐振动概率。

4.2谐波电压总畸变率

合蚌客专3座牵引变电所各相谐波电压总畸变率实测值见表3。根据GB/T14549－1993,220kV公用电网谐波电压限值为2％,谐波测量的数据取测量时段内各相实测值的95％概率值中*大的一相值作为判断谐波是否超过允许值的依据。

表3牵引变电所220kV侧谐波电压总畸变率

谐波电压总畸变率/％	刘府牵引变电所水家湖牵引变电所						邵岗牵引变电所
	A相	B相	C相	A相	B相	C相	A相	B相	C相
95％概率 大值 较大值	0．8632	0．9361	0．8809	0．8797	0．9254	0．6810	1．0504	0．9150	1．059
	1．0190	1．0756	1．0216	1．6787	2．1958	2．3183	1．7602	1．4000	1．3149