电气化铁路牵引变电站谐波分析及治理措施.doc

电气技师论文范文下载：电气化铁路牵引变电站谐波分析及治理措施摘要:电力机车已逐渐成为电网主要的大型谐波源之一。结合包神铁路万水泉南牵引变电站的实际情况,对电气化铁路所产生的谐波进行了分析和计算,并在此基础上提出了相应的谐波治理措施。关键词:电气化铁路;谐波分析;电力机车 近年来,内蒙古自治区开始大范围建设电气化铁路,随着大量的电力机车负荷接入电网,势必对电网的供电质量造成影响。电力机车是单相大功率整流负荷,其用电会产生大量的谐波与负序电流,由于电力机车沿铁路移动用电,如不能在电铁牵引变电站得到及时治理,将注入电力系统,影响全网,波及用户,其产生的危害性远比其他任何谐波源设备更为严重,更为广泛。因此,对电气化铁路牵引变电站谐波的分析和治理越来越受到电力企业和铁路部门的重视。本文以包神铁路万水泉南牵引变电站为例,进行有关的谐波分析和治理措施研究。1包神铁路万水泉南牵引变电站概况包神铁路的牵引电网采用带回流线的直接供电方式。由于电力牵引为一级负荷,万水泉南牵引变电站由麻池117麻牵回、麻池118麻牵回两路电源供电,当任一路故障时,另一路仍应正常供电。牵引变压器单台容量为25 000 kVA,采用三相V/V接线,固定备用方式;高压侧电压为110kV,低压侧输出额定电压为27.5 kV,其高压侧接入电网,低压侧一个顶点接地,另外两个顶点引出两条供电臂,分别向处在不同位置的电力机车供电。一般一条供电臂长度在20 km左右,电力机车台数为13台。这种供电方式以大地和铁轨作为回流线,由牵引变压器、供电臂、电力机车、大地(铁轨)组成回路。当一个牵引站的供电臂与另一个牵引站的供电臂相汇时,设立一个分区亭。分区亭由开关组成,正常时开关断开,两个供电臂各由相应的牵引站供电,列车靠惯性通过分区亭。当一个牵引站失去电源时,分区亭开关闭合,临时向停电的供电臂供电。2电气化铁路牵引变电站的谐波分析及危害电力机车作为整流负荷是电气化铁路谐波产生的根源。电力机车的类型对谐波水平具有决定性影响。包神铁路机车采用交直型相控SS4型电力机车(即韶山-4型)。2.1电力机车的谐波特征1)当电力机车在牵引工作状态时,整流回路投入工作,就产生谐波;而电力机车在制动状态或靠惯性前进的隋行状态时,整流回路切除,就不产生谐波。2)电力机车的牵引力正比于取自电网、经整流的直流电流,该电流不因电网外界条件和运行方式而改变,而由电力机车的非线性特性产生的谐波电流成分与基波电流具有一定的比例关系。因此,电力机车为谐波电流源。3)电力机车采用点相全波不控或半控整流,交流侧的电流波形与横轴成镜对称。整流电路在整流规程中交流电压每一周期内直流侧整流电压的脉动数、即整流设备的脉动数p=2,故其产生的特征谐波次数h=2k1,k=1,2,3,。除h=1的基波外,特征谐波全部为奇次谐波。其中3次谐波电流含有率最高,且随着谐波次数的增加,幅值迅速减少,至15次几乎下降到1%。在谐波评估中,一般只计算3、5、7次谐波电流和相应的谐波电压畸变率和总谐波电压畸变率。4)由于电力机车支流回路平波电抗器的电感为有限值,整流电流脉动系数达25%30%,以及电力机车变压器存在漏感,其阻抗电压为10.5%左右,故其产生的特征谐波电流含有率HRIh1/h,一般需通过实际试验确定。5)比较各类型电力机车的整流、调压方式和整流电压波形。在相同的条件下,韶山-1型的电力机车电流较近于正弦波,产生的谐波相比较小;韶山-3型产生的谐波与韶山-1型相近但较大;韶山-4型产生的谐波较前两型大,在控制过程中各次谐波电流含有率的变化较大。2.2电气化铁路谐波造成的危害电气化铁路谐波造成的危害主要体现在以下几个方面。1)并联谐振:当谐波电流沿牵引站返送电网时,由于牵引电网对地分布电容和回路电感的影响,可能构成某次谐波的谐振回路,造成牵引负荷谐波电流的谐振放大。2)对牵引变压器的危害:谐波电流流过牵引变压器,会产生谐波电压降,高次谐波电流、电压会引起附加铁损和铜损,使变压器容量减小、效率降低。3)高次谐波的危害也体现在会对发电机、电气测量仪表以及继电保护装置和自动控制装置等产生负面影响。3电气化铁路牵引变电站的谐波计算3.1公共接入点谐波电流的计算利用PSAF谐波计算分析软件、根据基准短路电容的谐波电流允许值,得到注入公共接入点麻池变压器的各次谐波电流允许值及万水泉南牵引变电站的三相短路容量如表1所示。在正常工况下(即牵引变压器非满载情况),依据电力机车的频谱,可得到万水泉南牵引变电站注入电网公共接入点的各次谐波电流见表2当牵引变压器满载时,并且假设均接入A、B相,则万水泉南牵引变电站注入电网公共接入点的各次谐波电流如表3所示。从表2和表3可以看到,无论牵引变压器是否满载,万水泉南牵引变电站注入电网公共接入点的3次谐波电流均已超过允许值。因此,需要在此牵引变电站加装滤波装置,使滤波后注入电网内的3、5、7次谐波电流不超出电网公共接入点的允许值。3.2公共接入点谐波电压畸变率的计算利用PSAF谐波计算分析软件,牵引变压器满载时,万水泉南牵引变电站注入电网公共接入点的谐波电压畸变率计算结果如表4所示。由表4可以看到,包神线万水泉南牵引变电站的公共接入点的谐波电压畸变率为1.88%,电压畸变率已经超过限值1.6%。4治理措施在包神铁路万水泉南变电站中,利用静止无功补偿器(SVC)来治理谐波并进行无功补偿。SVC由晶闸管相控电抗器(TCR)、滤波器(FC)、远程监控系统,工程相关附件组成。其中TCR由晶闸管阀组、全数字控制及保护系统、275 kV相控电抗器、TCR故障自诊断系统组成;FC回路由电容器和滤波电抗器组成,向系统提供恒定容性无功功率,兼有滤除谐波的作用。晶闸管相控电抗器(TCR)型动态无功补偿技术是通过控制反并联晶闸管的导通角来无级调节与负荷并联的电抗器的电流,从而控制其感性无功的变化,它与固定电容补偿器相结合,达到实时自动补偿无功的目的。补偿效果的关键是准确控制晶闸管的触发角,得到所需的流过补偿电抗器的电流。在牵引供电系统中,电力机车为感性可变负荷,其有功功率为Pv,无功功率为Qv。TCR和FC并联到27.5 kV电网中,根据恒无功功率理论,FC部分产生恒定的电容无功功率为QC;TCR部分产生连续可变的感性无功功率为QTCR,则进线变压器提供的无功功率Qn=Qv-QC+QTCR。因此,调节QTCR就可以使Qn小于等于某一给出值(常数),甚至可使Qn=0,即从理论上使功率因数达到1。根据牵引供电单相供电特殊性,采用单相补偿,即A、B相母线各安装一套TCR型直挂式动态无功补偿装置,容量规格可相同或不同,分别对A、B两条母线进行实时动态无功补偿。通过计算,需要在包神铁路万水泉南牵引变电站加装串联12%电抗器的滤波支路,滤波装置的主要滤波范围为3、5、7次谐波电流,并兼顾滤除高次谐波。电容器补偿容量分别为4、4.4 Mvar。通过此装置可以实现无功动态连续自动补偿,并实现对3、5、7次等谐波的综合治理,还可抑制电压波动,改善电源质量,提高牵引供电能力。加装动态无功补偿装置后,谐波电流计算结果见表5。从表5可以看到,在万水泉南牵引变电站加装一定无功补偿容量后,谐波电流均在允许值范围内。加装滤波支路后的万水泉南牵引变电站,注入电网公共接入点谐波电压畸变率的具体计算结果见表6。从表6可以看到,在万水泉南牵引变电站加装一定补偿容量的滤波支路后,电网公共接入点110 kV侧的电压畸变率为1.12%,满足国家标准要求。另外,为降低电网公共接入点母线总谐波电压畸变率,建议选用产生谐波较小的电力机车,或增大滤波支路补偿容量。5结语1)电网谐波是目前受到广泛关注的电能质量问题,电气化铁路是主要谐波源之一,而且与电网谐波相比电气化铁路谐波更有自身的特点。对电气化铁路谐波进行充分的研究