过电压及谐波问题分析.doc

资阳电力机车公司高压电网过压与谐波问题分析1 问题与现象2010年2月初，资阳电力机车有限公司在试验线进行和HXD1C型谐号电力机车试验时高压接触电网电压频率出现大幅度波动情况。发现机车主变流系统中间直流环节预充电至DC1800V时，网压出现上升波动（上升24kV）及频率波动（10Hz100多Hz），导致机车主变压器AC230V次边电压及频率波动，引起机车AC230V回路充电机模块不工作或烧损及卫生间DC24V电源模块烧损。资电公司内部高压接触网系统结构如图1所示: 图1 高压接触网系统结构2 初步分析如下现场观测，电压频率的波动是在机车上合上方向手柄之后引起的，及机车主变流器开始工作之后。并且变压器25kV侧（即高压接触网上）的电压出现波动，带有毛刺，变压器内部振动发出尖锐声响，分析声音频率在400Hz左右，初步判断，高压接触网的电压和频率波动是由于谐波过大，电能质量较差引起的，还可能是因为高压接触网供电系统参数与HXD1C车上的PWM四象限变流器系统的控制参数不匹配，使控制进入不稳定域。3第一次现场测试谐波情况资电公司4000kVA变压器采用V-V0连线方式（三相AC10000V线电压输入，两路单相AC25kV输出）。合上方向手柄之后测试25kV侧的电压谐波与电流谐波，现场测到的电压电流波形如图2所示。（a）电压波形（b）电流波形图2 方向手柄合上之后25kV测电压电流波形图根据各次谐波含有率（95%值），得到谐波电压统计如图3，谐波电流统计如图4所示：图3 第一次合方向手柄后25kV测谐波电压含有率分析2到25次谐波电压，各次谐波含有率都没超过国标值，而总谐波电压畸变率=6.32%高于国标值的3%（GB/T 1454993 电能质量公用电网谐波规定奇次谐波不超过2.4%，偶次谐波不超过1.2%、不超过3%），总谐波电压畸变率是评定谐波电压大小的主要参数。计算公式如式1所示。 （式1）第h次谐波电压（方均根值）基波电压（方均根值）图4 第一次合方向手柄后25kV测谐波电流与谐波电压类似，2到25次谐波电流大小也都没超过国标值，但是计算出来的总的谐波电流畸变率高达86.74%。根据电压等级与基准短路容量换算出来的注入公共连接电的谐波电流允许值参见表1所示，而国标对总的电流畸变率多少没有规定。表1 注入公共连接点的谐波电流允许值（电压等级25kV，基准短路容量250MVA）谐波次数234567891011谐波电流/A129.66.169.64.087.043.043.282.484.48谐波次数121314151617181920谐波电流/A2.083.761.7621.522.881.362.561.2由图3图4可以看出，出现3、5、7、9等奇次谐波比较严重。4第二次现场测量谐波为了抑制谐波，把变压器的V-V0连接改为单相变压器连接方式之后（即将两个绕组并联方式），减小了短路阻抗，额定电流为80A。重新测量25kV侧的谐波电流、电压与网压波动。改变接线之后对谐波进行测量。方向手柄合上之后第二次谐波电压与谐波电流波形如图5和图6所示。图5 改变连线之后合方向手柄25kV谐波电压波形图6 改变连线之后合方向手柄25kV侧的谐波电流波形由图5可以看出，接触网上的网压峰值为150V*250=37.5kV左右。比正常值高2.15kV（接触网电压峰值正常值应为25kV*1.414=35.35kV）。图5与图2（a）比较，可以看出谐波电压的畸变明显减轻。第二次测量的各次谐波电压电流和第一次测量结果、国标值进行比较，得到图6和图7。图7 改变变压器连线前后合方向手柄后谐波电压比较图8 连线前后合方向手柄后谐波电流比较第二次测量负载比第一次大，由图8中的基波大小可以看出来，因此各次谐波电流值第二次比第一次有所增加。分析：由图7看出，第二次各次谐波电压含有率都比第一次少，总的谐波畸变率由6.32%下降到4.165%。总的谐波电流畸变率由86.74%下降到75.56% 。是总谐波电流大小的评价标准，的计算公式式2如下所示：（式2）第h次谐波电流大小(均方根值)基波电流大小（均方根值）由式2可以看出消除了负载大小不同的影响（除以基波电流）可以客观的评价总谐波电流的水平，由前后两次总谐波电压与总谐波电流的比较中可以看出测量值与理论相符合，改变接线之后，短路阻抗减小，谐波减小。而车上采用的PWM四象限整流装置，产生的谐波频谱很宽，通常在1kHz10kHz范围内都存在可测到的谐波，而高频谐波比低频谐波还要严重。5 操作过电压测量5.1 给方向手柄引起的过电压分析从机车上的PT获取过电压信号，变比为（250：1），测量方法是使用高速示波器，测量操作瞬间电压波形变化，从而分析过电压大小。该示波器具有预触发功能，可以测量到触发位置（黄色的T位置）之前的波形。合方向手柄之后，主变流器开始工作，用高速示波器测量短时间内的电压波形，分析过压与电压振荡情况。示波器上测量到的波形如图9。触发位置有效值图9 示波器上的电压波形图中T处为示波器触发位置，也是测到的最高峰值电压202V，电压出现明显的振荡。示波器采样率10.00kSa，存储深度5k(5120个采样点)。根据波形数据做图10如下。图10 根据采样数据制作的电压波形图分析包络线频谱（电压峰值连线）做图11如下，该包络线实际上就是低频的振荡过电压，该原因主要可能是试验系统参数不匹配导致的低频谐振过压。图11 包络线的频谱分析由图11可以看出，电压波形出现低频振荡的频谱主要在2Hz和17.8Hz。按电压峰值计算，25kV侧出现的最大电压峰值达到202V*250=50.5kV。比正常值（25kV*1.414=35.35kV）高出15.15kV。按有效值计算，测到的25kV侧电压有效值为113V*250=28.25kV，比正常值25kV高出3.25kV。而变压器二次侧的绝缘标准是按35kV设计的，最大峰值是由于谐波引起的短暂电压闪变，所以变压器可以安全运行，但是谐波引起的过压与发热会加速变压器与电缆的绝缘老化，要密切观测变压器与电缆的绝缘状况，加强巡检。对图10波形做FFT变换，分析其频域特性，结果如图12所示。图12 合方向手柄后25kV侧电压波形的FFT变换上图是短时间测量数据，有25个工频电压周期，可作主变流器开始工作后各次谐波分布情况的参考，观察谐波分析仪分析不到的高次谐波情况。由图12可以看出，机车的整流逆变装置产生了大量的谐波，且高次谐波含有率很高。例如：90次谐波含有量达到4.87%，94次谐波4.89%，100次谐波7.75% 。而50Hz的基波电压为99.8V，乘以1：250的变比得高压接触网上的50Hz基波电压为24.95kV。过压很小5.2合主断、断主断引起的过压分析图13 第一台车合主断引起的过压过压大小图14 第一台车断主断引起的过压过压大小图15 第二台车合主断引起的过压图16 第二台车断主断引起的过压图17 第三台车合主断引起的过压现场测量第一台车合主断，断主断；第二台车合主断，断主断；第三台车合主断，断主断情况，合主断和断主断引起的瞬间电压升高都较小，图13-图17合主断、断主断的一些典型过压波形。过压幅度都在5kV（20V*250=5kV）以下。将图14的过电压时间刻度放大，如图18所示。图18 第一台车合主断引起的过压脉冲计算出来的电压上升沿陡度为3.5kV/ms。将图16过压部分放大得图19。图19 第二车断主断引起的过压脉冲计算出来的电压上升沿陡度为106.3kV/ms。该操作过电压导致的电压上升时间并不算陡，在变压器的绝缘耐受范围之内，而且没有微秒级的陡峭的脉冲波出现，可以安全关合闸主断。5.3 升弓、降弓引起的过电压过压很小图20 升弓电压波形由图20可见，升弓引起过电压很小。峰值和升弓后正常运行电压波形相当。图21 降弓电压波形降弓引起的过压也很小如图21所见，最大