电气化铁路的谐波

论文 电气化铁路的谐波标准问题论文 电气化铁路的谐波标准问题 摘要摘要 介绍了国内电气化铁路 的概况以及对电网谐波干扰造成的危害 指出谐波国标 GB T14549 93 用于电 气化铁路存在的问题 并以实例用不同算法求出谐波电流限值作对比说明 对 如何解决电气化铁路谐波标准提出建议 关键词关键词 电气化铁路 谐波 标准 ProblemsProblems onon HarmonicsHarmonics StandardStandard forfor ElectrifiedElectrified RailwayRailway AbstractAbstract The paper introduces the general situation of elect rified railway in China and the harmful effects of harmonics disturbance on sys tem operations The paper points out problems of the national harmonics standard on electrified railway compares harmonics current limits derived by different agorithm The paper also presents proposals on harmonics standard KeyKey wordswords electrified railway harmonics standard 1 1 问题的由来问题的由来 改革开放以来我国电气化铁路 以下简称电铁 获得迅速发展 目前全国电 铁通车里程已逾万里 遍及 18 个省 自治区 直辖市 电网 电力机车整流负荷中含有较大的谐波 由于滤波措施不得力 电铁大量谐 波注入公用电网 据不完全统计 自电铁投运 30 多年来 其谐波和负序已引发 200MW 发电机跳闸 山西 河南和贵州等省电网大面积停电或系统解列 电网 产生局部谐振 网损明显加大 发电机转子损坏 继电保护和自动装置非正常 频繁启动 用户电动机和电容器大量烧坏或不能正常运行 小火电厂不能就近 并网等一系列危害 使国民经济蒙受了巨大的损失 随着电铁运量增加和向东 部发达地区扩展 如电铁谐波仍不能得到及时治理 其产生的危害将会更加严 重 对此应有足够的估计 关于电铁的谐波标准 一直是电力和铁道 2 大部门争论的焦点 电铁谐波 实际上长期处于失控状态 几乎每个电铁工程均引发了谐波标准的争议 为此 国家计委委托中国国际工程咨询公司协调此事 1997 年 5 月成立了专家工作组 由电力 铁道 2 部及一些高等院校的专家 教授组成 在中咨公司的领导下 开展工作已达 1 年多 尚未得出结果 本文试图结合对国外有关标准的介绍 指出谐波国标用于电铁的问题 并以电铁南昆线和京广线上 6 个牵引站作为计 算实例 提出确定电铁谐波限值计算方法 希望能为解决此问题起抛砖引玉的 作用 2 2 国外的有关情况国外的有关情况 从收集到的英国 加拿大 新西兰 澳大利亚 美国 南非等国家和地区 的有关标准 1 8 可以看出 1 目前电气化铁路的谐波问题已经普遍受到各国的关注 在电铁规划设计 阶段 均应作为一个必须认真对待的技术问题 2 电铁的谐波限值一般服从各国电力部门制定的谐波标准 铁路部门努力 采取措施 力求达到要求 3 针对电铁的特点 各国在贯彻标准上有不同的做法 例如 英国制定了 专门工程导则 P 24 对电铁负荷的取法及波形作出规定 有些国家对电铁谐 波标准作些弹性处理 对于 110kV 及以上系统 电压总畸变率不超过 3 单次 谐波不超过 1 这里是否包括背景谐波似乎不太一致 有的国家按本国谐波国 标执行 3 3 谐波国标用于电铁的问题谐波国标用于电铁的问题 GB T14549 93 电能质量 公用电网谐波 是在总结执行原水电部 电力 系统谐波管理暂行规定 SD126 84 的经验 系统地研究了标准的有关问题 结合国情 吸收国外谐波标准研究成果的基础上提出的 作为推荐性国家标准 于 1994 年 3 月实施 实际上 此标准为国内唯一的公用电网谐波标准 经 电 力法 规定为保证电能质量的依据 当然只限于谐波指标 之后 就带有权威性 因此应当严肃执行 但是必须指出 1 从总体上讲 电网谐波水平是由各级谐波电压来表征的 即各次谐波电 压含有率和电压总谐波畸变率 尽管国际上对此尚未统一 但在 谐波国标 制定中已作过大量调研和论证 不应任意变动 如果要变动 也应立修订计划 电铁作为公用电网的一个用户 必须以此规定为出发点来分配应得的谐波指标 2 谐波国标 中其它规定的内容 例如有关电流分配的计算 谐波合成 计算 测量仪器和测量方法等 在国外有的标准中干脆不写 有的标准中为了执 行方便起见也写上 但很原则 难以概括在实际执行中遇到的种种问题 国标 就是采用了后一种写法 实际上也遗留很多问题 通过近几年的执行 也发现 不少问题 因此应配套制定 技术导则 之类的文件加以详细补充明确 国标 中这些规定 不应等同于 1 中的内容 对这方面作合理的修订 补充 不应视 为违反国标或 电力法 事实上标准的权威性是以其科学性为前提的 强行 坚持标准中不合理的 或过时的 规定或做法最终会使标准失去权威性和严肃性 不利于标准的贯彻 谐波国标 制定中 在处理电铁等负荷的 3 次谐波电流限值方面考虑欠 妥 国标是参照英国 G 5 3 规定 结合我国电力系统的实情 一律放宽到以奇 次电压谐波含有率限制值的 60 来计算谐波电流允许值 显然 这里存在以下 2 个问题 1 对那些本来就不产生 3 次特征谐波的用户 例如 6 相 12 相整流负荷 也放宽到 60 是不合理的 而系统中一般大多数谐波源以 5 7 次等为主 将这 些负荷 3 次谐波电流控制在 50 甚至更低水平是完全可能的 一律放宽的做法 不妥 2 电气化铁路 工业 交流 电弧炉等负荷 3 次谐波是其最大的特征谐波 只分到比非特征 谐波略多一点的指标是显得偏严的 而且这样给指标违背 公平对待一切用户 的原则 因为标准中之所以将偶次谐波电压定为奇次谐 波电压的一半 就是因为一般电网中偶次谐波是其非特征分量 可以控制得严 一些 奇次谐波 5 7 11 13 等次 是特征分量 应当放宽 否则标准就过严 了 这个原则也应适用电铁 电弧炉等负荷的 3 次谐波限值确定上 此外 英国 G 5 3 规定中没有按供电容量分配谐波指标问题 参照 G 5 3 规定来确定给予用户的 3 次谐波电压的比例未必合适 基于以上考虑 笔者认为根据电铁负荷特点 应按特征谐波份额给予 3 次 谐波电流限值 具体做法上 只需按国标计算 除以 0 6 系数即可 即相当于 放宽到 1 67 倍 此外 按 谐波国标 在谐波电流允许值计算中还有一个供电设备容量和 用户协议容量的取法问题 国标里订的是 用电协议容量 电铁牵引站虽然 装有 2 台变压器 但只允许轮换使用 因此取 1 台计算较合理 但目前普遍按 2 台容量计算 至于供电设备容量 考虑到总谐波电流允许值是按最小运行方 式下短路容量换算出来的 因此供电设备容量也宜对应此方式下的容量 一般 向电铁牵引站供电的变电站中至少有 2 台主变压器 在最小方式下大多数应是 1 台供电 此时供电设备容量取 1 台较为合理 不过也有一些人主张按全部供 电设备容量计算允许电流 根据以上情况 对电铁南昆线和京广线上 6 个牵引站的谐波电流限值作了 6 种算法的比较 列于表 1 其中 河南省李家寨站的谐波注入电流 110kV 是 实测 95 概率大值 缺 11 次谐波 9 6 种算法分别为 1 第 1 种算法 电铁用电协议容量按 2 台牵引变压器考虑 公共连接点的 供电设备容量按 2 台变压器考虑 2 第 2 种算法 电铁用电协议容量按 2 台牵引变压器考虑 公共连接点的 供电设备容量按 1 台变压器 如果 2 台变压器容量不相等则取容量大的计算 下 同 考虑 3 第 3 种算法 电铁用电协议容量按 2 台牵引变压器考虑 公共连接点的 供电设备容量按 1 台变压器考虑 另外 将 谐波国标 表 1 中的 3 次谐波电 流允许值除以 0 6 即放大 1 67 倍 4 第 4 种算法 电铁协议容量按 1 台 供电设备容量也按 1 台计算 另外 将 谐波国标 表 1 中的 3 次谐波电流允许值除以 0 6 5 第 5 种算法 电铁协议容量按 1 台计算 供电设备容量按 2 台计算 另 外 将 谐波国标 表 1 中的 3 次谐波电流允许值除以 0 6 6 第 6 种算法 参照国外 公共联接点各次谐波电压含有率均按 1 考虑 表 1 数据是根据铁道部门提供的牵引站供电臂谐波电流和电力部门提供的 牵引站供电基础资料计算所得 计算中 27 5kV 侧谐波源电流一臂取供电臂 95 概率最大电流 另一臂取供电臂的日平均有效电流 牵引变压器 110kV 侧的三 相谐波电流 即注入公共联接点的谐波电流 YN d11 接线变压器采用公式 1 平衡变压器采用公式 2 表 1 6 个牵引站按不同算法求出的谐波电流限值 算法 1算法 2算法 3算法 4算法 5算法 6站名 h 次 Ih A Ihi AGIhi AGIhi AGIhi AGIhi AGIhi AG 310 51 0 89 11 76 1 68 6 26 2 80 3 76 1 49 7 06 0 79 13 25 13 80 0 76 511 66 1 09 10 66 1 95 5 98 1 95 5 98 1 09 10 7 0 61 18 99 8 28 1 41 78 39 1 06 7 881 75 4 80 1 75 4 80 1 06 7 88 0 65 12 93 5 92 1 42 93 27 0 89 3 691 25 2 61 1 25 2 61 0 89 3 69 0 63 5 214 60 0 71 永 丰 营 114 59 1 03 4 471 51 3 04 1 51 3 04 1 03 4 47 0 71 6 563 76 1 22 38 50 0 76 11 16 1 27 6 71 2 11 4 03 1 12 7 56 0 60 14 19 7 21 1 18 59 46 0 90 10 57 1 43 6 63 1 43 6 63 0 80 11 8 0 45 21 05 4 32 2 19 76 81 0 82 8 341 22 5 59 1 22 5 59 0 74 9 17 0 45 15 05 3 09 2 20 92 65 0 61 4 370 80 3 30 0 80 3 30 0 57 4 67 0 40 6 612 40 1 10 百 色 113 73 0 72 5 150 99 3 77 0 99 3 77 0 67 5 55 0 46 8 151 97 1 90 39 21 1 38 6 652 60 3 54 4 33 2 13 2 31 3 99 1 23 7 506 58 1 40 510 17 1 54 6 622 74 3 72 2 74 3 72 1 54 6 62 0 86 11 80 3 95 2 58 77 32 1 28 5 722 10 3 48 2 10 3 48 1 28 5 72 0 78 9 382 82 2 60 92 85 0 81 3 531 14 2 49 1 14 2 49 0 81 3 53 0 57 4 992 19 1 30 威 舍 114 01 1 01 3 981 48 2 71 1 48 2 71 1 01 3 98 0 68 5 851 79 2 24 331 32 4 81 6 519 03 3 47 15 06 2 08 8 02 3 91 4 27 7 34 14 57 2 15 515 18 5 14 2 959 16 1 66 9 16 1 66 5 14 2 95 2 89 5 268 74 1 74 710 92 4 04 2 706 63 1 65 6 63 1 65 4 04 2 70 2 46 4 436 25 1 75 94 04 2 29 1 763 24 1 25 3 24 1 25 2 29 1 76 1 62 2 494 86 0 83 柳 辛 庄 115 68 2 94 1 934 32 1 32 4 32 1 32 2 94 1 93 2 00 2 843 97 1 43 330 61 3 01 10 16 5 66 5 41 9 43 3 25 5 02 6 10 2 67 11 45 11 18 2 74 514 83 3 27 4 535 83 2 54 5 83 2 54 3 27 4 53 1 84 8 076 71 2 21 710 67 2 64 4 044 34 2 46 4 34 2 46 2 46 4 04 1 61 6 624 79 2 23 93 95 1 57 2 512 23 1 77 2 23 1 77 1 57 2 51 1 11 3 553 73 1 06 汤 阴 115 55 1 99 2 792 92 1 90 2 92 1 90 1 99 2 79 1 35 4 103 05 1 82 325 5 8 45 3 02 15 86 1 61 26 43 0 96 14 1 1 81 7 50 3 40 17 70 1 44 511 9 8 75 1 36 15 59 0 76 15 59 0 76 8 75 1 36 4 91 2 42 10 62 1 12 75 39 6 56 0 82 10 76 0 50 10 76 0 50 6 56 0 82 4 00 1 357 58 0 71 李 家 寨 93 23 3 41 0 954 83 0 67 4 83 0 67 3 41 0 95 2 41 1 345 90 0 55 注 表中 h 表示谐波次数 Ih表示注入 110kV 侧公共连接点的最大谐波电流 Ihi表示谐波 电流允许值 G 表示超过允许电流倍数 1 2 式中 K 牵引变压器变比 Ihsa Ihsb 注入牵引变压器两供电臂谐波电流 A IAh IBh ICh 牵引变压器 110kV 侧 A B C 三相谐波电流 A 从表 1 中可以看出 1 按第 1 种算法 在南昆线上 3 个牵引站 永丰营 百色和威舍 其牵引 变压器均为 YN d11 接线 当不采取滤波措施时 3 次谐波电流超标达 7 12 倍 5 次为 7 11 倍 7 次为 6 8 倍 在计算牵引站 3 次谐波电流时 已考虑 到南昆线的韶 7 机车上已带 3 次滤波器 滤去约 50 的 3 次谐波电流 在京广 线上 2 个牵引站 柳辛庄和汤阴 其牵引变压器分别为 YN d11 接线和阻抗匹配 平衡变压器 3 次谐波电流超标达 7 10 倍 5 次为 3 5 倍 7 次为 3 4 倍 一般采用 LC 型滤波器 滤波效益大约只可达 85 左右 超标 10 倍以上难以滤 至合格 更何况对于电铁这种动态负荷 补偿装置必须考虑功率因数 滤波和 电压调整的综合效果 投资也不能太大 多种制约条件使我们有理由认为 按 第 1 种算法供电容量和协议容量取得均不合理 得出谐波限值目前实际上不可 行 2 第 2 种算法是将供电容量和最小短路容量方式作对应 导致各次谐波允 许值增大 但电铁的协议用电容量取得不合理 而且从表 1 看 永丰营和百色 2 站的 3 次谐波限值仍过严 在已滤除 50 前提下超标 6 7 倍 3 按第 3 种算法对于南昆线上 3 个牵引站 3 5 7 次谐波电流超标分别 达到 2 4 倍 4 7 倍和 3 6 倍 对于京广线上 2 个牵引站则 3 5 7 次谐波 电流超标 2 3 倍 唯有李家寨站全部不超标 上列超标谐波用 LC 滤波器是能 够滤至标准值以内的 需要指出 从计算结果看 即使用这种算法 9 11 次 谐波电流也是超标的 1 2 4 倍 对于电铁负荷 主要解决 3 5 7 次就可以 了 从国外电铁牵引站的滤波器设置来看 最多也是 3 5 7 次 个别将 7 次设 为高通滤波器 但这种算法协议容量取得不合理 4 第 4 种算法 合理的算法 实际计算结果只比第 1 种算法在 3 次谐波上放 大 1 67 倍 对于象南昆线上永丰营和百色站 3 5 次超标仍难以治理合格 3 次谐波是在机车上已滤去 50 谐波前提下还超标到 7 倍左右 其它 5 个站基本上 还可以 对于上列情况 建议仿照 IEC 标准中规定的用 第 3 级处理 原则 即根据电网和负荷特点作专门研究 在确保电网公共联接点上不超标 或超标影 响不大 的前提下 适当放宽谐波限值 同时在电铁牵引站采取适当的消除谐波 措施 实际上 这类情况在规划设计阶段处理容易得多 例如 避免多个牵引站 从 1 个公共联接点上供电 牵引站加大消谐投资 在供电方式上尽量避免大谐 波源叠加方式等等 总之 出现 第 3 级处理 的场合 应由电力和铁道两部 门协同解决问题 在谐波影响未搞清前 不要盲目确定供电方式 国家质量技 术监督局已决定 等同采用 IEC61000 系列标准 这些标准将陆续作为国家标 准发布 因此 目前对于 谐波国标 中明显的缺点或者未作明确规定之处 参考 IEC 相应标准去处理是较好的选择办法 5 第 5 种算法是考虑到某些情况下系统最小运行方式对应的是 2 台供电变 压器 本文中的柳辛庄和李家寨即属于此种情况 但对于其它牵引站 供电容 量取得不合理 导致对用户谐波限值过严 6 第 6 种算法是国外有些电铁上用的标准 是所列的 6 种算法中放得最宽 的一种 这种方法的主要缺点是未按容量分配谐波指标 如果一个公共联接点 上接多个 2 个及以上 牵引站 再考虑到系统背景谐波的存在 则可能导致谐 波电压严重超标 因此不宜采用 4 4 结束语结束语 目前一些电网 特别是电铁负荷较大的电网 中谐波 实际上兼有负序 问题 较严重 其主要原因是没有按 谐波国标 规定采取有效的滤波措施 同时对 并联电容器组可能造成谐波放大问题注意不够所致 对于国标既应强调其权威 性 同时在具体处理超标问题上应实事求是 电铁谐波是面临的一个重要问题 应当承认电铁负荷有其特殊性 但作为公用电网的一个用户 应以国标规定为 基础 参照 IEC 相关标准的规定 结合其特点来解决 本文建议 对电铁牵引 站的 3 次谐波电流按特征谐波分配指标 为此按国标计算结果乘 1 67 系数 谐 波限值计算中 电铁的供电设备容量应采用最小方式下的容量 以和谐波电流 允许值换算结果相对应 电铁的协议容量应按其实际用电容量取 电铁谐波的 测量和取值等问题 宜