鐵路客站諧波分析及其治理措施

李宏剛,趙 欣

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

1 概述

隨著鐵路客站的快速發展,鐵路用電負荷出現了一些新的變化：用電量迅速增長；體現以人為本的電子顧客服務系統增多；變頻器、電子鎮流器等節能設備廣泛運用；供電可靠性要求越來越多,UPS電源越來越多；電氣設備的新技術被廣泛運用。這些變化使鐵路客站的電力供電系統中諧波含量增高,給供電可靠性及設備安全運行帶來了一定的隱患。本文分析了鐵路客站的主要諧波源,并針對存在的問題,對中小型站房、大型及特大型站房提出了諧波綜合治理方案。

2 鐵路客站的主要諧波源及其特征

2.1 鐵路客站的主要諧波源

目前鐵路客站中的主要用電負荷有照明負荷、自動扶梯、垂直電梯、消防水泵、潛水泵、普通風機、排煙風機、通信系統設備、信號系統設備、FAS系統設備、BAS系統設備、空調、顯示屏、電加熱設備、安檢設備、冷凍機、UPS電源、計算機設備等。鐵路客站人員密集,負荷比較集中,設備安裝容量、性質差異較大,因此供電可靠性要求比較高。根據測試數據,產生諧波的主要負荷有照明負荷、LED顯示屏、安檢設備、UPS電源、冷水機組、變頻空調、變頻風機等。

2.2 鐵路客站主要諧波源特征

根據現場測量數據分析,鐵路客站主要諧波源的諧波特征見表1。

表1 諧波源的諧波特征

3 諧波的主要潛在危害

3.1 對變壓器的影響

諧波電流使變壓器的銅耗增加,引起局部過熱,振動,噪聲增大,繞組附加發熱等；諧波電壓引起的附加損耗使變壓器的磁滯及渦流損耗增加,當系統運行電壓偏高或三相不對稱時,勵磁電流中的諧波分量增加,絕緣材料承受的電氣應力增大,影響絕緣的局部放電和介質增大。對三角形連接的繞組,零序性諧波在繞組內形成換流,使繞組溫度升高。

3.2 對低壓電力電纜的影響

諧波使電纜的介質損耗、輸電損耗增大,泄漏電流上升,溫升增大及干式電纜的局部放電增加,引發單相接地故障的可能性增加。此外由于電力電纜的分布電容對諧波電流有放大作用,在系統負荷低谷時,系統電壓上升,諧波電壓升高,引起電纜介質不穩定,容易發生故障。

3.3 對電力電容器的影響

并聯電容器組投入時,一方面由于電容器組的諧波阻抗小,注入電容器組的諧波電流大,使電容器過負荷而嚴重影響其使用壽命,另一方面當電容器組的諧波容抗與系統等效諧波感相等而發生諧振時,引起電容器諧波電流嚴重放大使電容器過熱而導致損壞。因此電壓諧波和電流諧波超標使電容器的工作電流增大,造成電容器的損壞增加、發熱異常、絕緣加速老化而導致使用壽命降低,甚至造成損壞事故。此外,諧波使工頻正弦波形發生畸變,產生鋸齒狀尖頂波,易在絕緣介質中引發局部放電,長時間的局部放電也會加速絕緣介質的老化、自愈性能下降,而容易導致電容器損壞。

3.4 對繼電保護整定的影響

繼電保護正常運行中,當電源諧波分量較高時,可能會引起過電壓保護、過電流保護的誤動作。

4 鐵路客站諧波治理方案

根據測量數據及理論分析,結合鐵路客站的負荷特點,針對中小型站房、大型及特大型負荷,確定了合理的諧波治理方案。

4.1 中小型站房

4.1.1 站房的主要諧波源

中小型站房面積較小,室內的設備負荷較小,主要的用電負荷有照明、信息設備、水泵、消防泵、風機、空調、顯示屏、電加熱設備、安檢設備等。對于中小型車站,風機、空調、水泵、消防泵容量較小,基本上采用了直接啟動,以上負荷基本產生諧波量很少,產生諧波的主要用電負荷包括熒光燈、金鹵燈、安檢設備、信息設備的UPS電源、信息顯示屏等。

4.1.2 諧波治理方案

對于中小型鐵路客站,站房的10 kV電源基本上由地方公網的35 kV及以上等級的變配電所引來,站房的用電容量一般不會超過當地供電公司的短路容量的0.1%,此外中小型客站的諧波源,如熒光燈、金鹵燈、安檢設備、信息設備的UPS電源、信息顯示屏等安裝容量占變壓器總安裝容量小于10%。

參照IEC標準規定(第1級用電單位協議容量與公共連接點的短路容量之比不大于0.1%時,允許直接接入),鐵路客站的中小型站房的諧波量比較小,一般不會超過標準規定,可采用串聯調諧電抗器的電容組進行無源濾波,在提高功率因數的同時,防止串聯諧振。

4.2 大型及特大型站房

4.2.1 站房的主要諧波源

目前國內的大型及特大型鐵路站房的面積較大,用電負荷比較多,主要的用電負荷有照明、信息設備、水泵、消防泵、風機、空調、顯示屏、電加熱設備、安檢設備、扶梯、冷水機組等。對于大型及特大型鐵路客站,產生諧波的用電負荷主要有熒光燈、金鹵燈、安檢設備、信息設備的UPS電源、信息顯示屏、帶變頻器的用電設備(變頻空調、變頻風機、變頻電梯、大型變頻冷水機組、變頻水泵)等。

對于大型車站及特大型車站,諧波源比較復雜,如照明負荷、安檢設備、UPS電源、變頻空調、LED顯示屏分布于站房內的各個空間,負荷較小,用電點較多；如冷水機組、進站大型LED顯示屏單個設備的用電量比較大,有的安裝容量高達600 kW以上,供電點單一,產生的諧波較大。針對以上特點,結合天津站、北京南站的測試數據,大型及特大型鐵路客站的諧波治理采取綜合治理方案。

4.2.2 濾波綜合治理的具體方案

(1)合理選擇低壓電氣設備,使其符合GB17625和IEC6100規程允許的諧波電流發射限值。

(2)合理確定變壓器接線方式。

(3)對于諧波比較敏感的重要負荷單獨供電。

(4)變電所低壓母線側集中設置無源濾波器+有源濾波器作為的無功功率補償及諧波治理裝置。

(5)對于諧波含量較大的單個設備或設備組的安裝容量大于100 kW,采用專用回路供電,并就地設置有源波源器進行補償。

5 諧波電流計算

5.1 單臺非線性設備的諧波電流計算

基波電流為

諧波電流為

In=THDI×I1

式中,I1為基波電流；IR為計算電流；In為諧波電流；THDI為電流畸變率。

5.2 變電所低壓母線處的諧波計算

5.2.1 單臺諧波源的諧波電流計算

式中，In為諧波電流；IN為設備額定電流；SN為設備額定容量；UN為系統額定電壓；THDI為諧波電流畸變率(由設備制造商提供)。

5.2.2在同一配電線路同一相上兩個諧波源的同次諧波電流計算

式中，In1,In2分別為諧波源1、2的第n次諧波電流；θn為諧波源1、2的第n次諧波電流之間的相位角；Kn為系數，見表2。

表2 系數Kn值

同一配電線路有2個以上諧波電流迭加時,應首先將2個諧波電流迭加,然后再與第3個諧波電流相加,以此類推。

5.2.3 低壓母線側合成諧波電流

式中,In為n次諧波電流的合成諧波電流；In1,In2,In3,……分別為1、2、3……個諧波源的第n次諧波電流；常數a見表3。

表3 常數a值

5.2.4 諧波電壓

Un=In·Zn

式中，Un為諧波電壓力；In為公共連接點的系統諧波電流；Zn為公共連接點的系統諧波阻抗。

其中，n為諧波次數；X1HV為高壓系統的電抗；X1TV為變壓器的電抗；X1F為從連接點到母線間的饋線電抗。

6 濾波器的容量選擇

諧波治理目標值依電壓總諧波畸變率、注入公共連接點的諧波電流允許值滿足GB14549—1993的限值為準。

根據GB14549—1993規定,諧波電壓限值見表4。

表4 公共電網諧波電壓限值

根據GB14549—1993規定,注入公共連接點的諧波電流允許值見表5。

表5 注入公共連接點的諧波電流允許值 A

6.1 無源濾波器

無源濾波器是由調諧電抗器和補償電容器組。

6.1.1 電抗器的選擇

《并聯電容器裝置設計規范》(GB50227—95)中關于電抗值的規定“用于抑制諧波,當并聯電容器裝置接入電網處的背景諧波為5次以上時,宜取4.5%～6%；3次以上時,宜取12%,亦可取4.5%～6%與12%兩種電抗器。”

由表6可知,在電抗率在5%～6%間的濾波器,可吸收50%～60%的5次諧波；電抗率在7%的濾波器,可吸收15%～20%的5次諧波；電抗率在12.5%的濾波器,可吸收50%以上的3次諧波。

表6 電抗率與調諧頻率

6.1.2 補償容量的選擇

無源濾波器主要功能是補償功率因數,避免發生諧振,并吸收部分主要諧波,故容量選擇時參照無功功率補償容量計算,即

式中，Qc為補償容量；a為平均系數；pjs為計算有功功率；tanφ1為補償前功率因數角的正切值；tanφ2為補償后功率因數角的正切值。

6.2 有源濾波器

6.2.1 方案

有源濾波器采取2種方案。

方案一：無源濾波器處理配電系統中的主要諧波

電流,有源濾波器處理無源濾波器過濾后剩余的濾波電流及波動部分。

方案二：無源濾波器處理較高次諧波,并吸收電源側輸入的諧波電流,避免串聯諧振,有源濾波器處理較低次諧波。

結合鐵路客站負荷特點以及設備對諧波的敏感性要求,推薦采用方案二來實現諧波治理。

6.2.2 補償容量選擇

利用設備畸變率及上述公式計算出系統的各次諧波電流,扣除無源濾波器吸收部分,減去GB14549—1993規定的注入公共連接點的諧波電流允許值,即可計算出補償容量。

7 結語

目前,鐵路客站發展比較快,而且對于每個城市來說,鐵路客站均與城市發展方向密切相關,特別是大型及特大型站房一般位于省會城市或副省會城市,是一個城市的交通運輸樞紐,供電的可靠直接影響著公共秩序和社會穩定。近幾年來,由于諧波的影響,造成補償電容器組著火,低壓總進線跳閘,影響了正常的供電秩序,造成了一定的社會影響。因此根據現場的測量數據,參考了有關的電網諧波文獻,對鐵路客站的諧波危害及治理進行了初步的研究,有助于提高鐵路客站的供電可靠性,延長了配電電纜、變壓器、變頻器等設備的使用壽命；減少了注入電力系統的3、5、7次諧波；提高了微機保護裝置的可靠性、準確性；減少了電能損耗,節省了用電量。

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