鐵路牽引系統(tǒng)三相不平衡對功率因數(shù)的影響研究

2016-12-31 00:00:00孫波

科技創(chuàng)新與應用 2016年30期

摘要：電能涉及發(fā)電、供電、用電三方面的經濟利益，隨著電氣化鐵路的大量投入使用，使電力系統(tǒng)的電能質量問題日益嚴重。由于電力機車負荷的隨機性，同時為整流驅動，會給電力系統(tǒng)帶來三相不平衡、諧波等電能質量問題，嚴重影響牽引供電網及上級電力系統(tǒng)的電能質量。文章通過對電力機車工作方式進行理論分析，并通過電能質量測試儀器FLUKE435對某牽引變電站110kV側進行電能質量檢測，建立仿真模型得出電力機車的三相不平衡對等效功率因數(shù)的影響，最后給出了電力機車110kV側電能治理的措施。

關鍵詞：電氣化鐵路；電能質量；功率因數(shù)

引言

目前，我國電氣化鐵路中的電能質量問題主要為：三相不平衡、功率因數(shù)和諧波問題[1-4]。電力機車產生大量的諧波、負序電流注入到牽引供電系統(tǒng)中，引起牽引供電系統(tǒng)電能質量的下降，增加線路的損耗[5]、減少變壓器的使用壽命、降低電氣鐵路供電系統(tǒng)繼電保護裝置的可靠性、增加線路跳閘次數(shù)、降低開關設備使用壽命、使電氣鐵路供電系統(tǒng)補償電容器發(fā)生過壓，威脅電網的安全運行以及其他用戶設備的安全和正常工作。

三相不平衡度、諧波和功率因數(shù)是評價電力機車性能的重要指標，其大小表明了機車的電能利用效果及其對供電電網的污染情況。文章通過分析電力機車的工作方式，測試得出其110kV側三相電流的不平衡問題，并通過MALATB進行仿真，得出其三相不平衡對等效功率因數(shù)[6]的影響。

1 三相不平衡定義

三相不平衡是指在電力系統(tǒng)中三相電壓或電流幅值或相位差不一致，且差值超過規(guī)定范圍。三相不平衡度[7]是描述電力系統(tǒng)中三相不平衡的程度。在電力系統(tǒng)正常運行方式下，指由于負序分量而引起的PCC連接點的電壓不平衡。發(fā)生三相不平衡既與用戶負荷特性有關，同時與電力系統(tǒng)的規(guī)劃、負荷分配也有關。為了考核電網三相平衡情況，制定了相應的國家標準，即《電能質量三相電壓允許不平衡度》（GB/T15543-1995）標準。該標準規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點電壓不平衡度限值為正常運行情況下負序電壓不平衡度不超過2%，短時間不得超過4%。電網電壓不平衡主要由于三相系統(tǒng)參數(shù)、負荷情況等引起三相電流不平衡，從而造成三相電壓的不平衡。

2 鐵路牽引系統(tǒng)三相不平衡產生原因分析

我國交流鐵路是由電力系統(tǒng)110kV（或220kV）經牽引變變壓器降為27.5kV（或55kV）后向牽引網及電力機車單相供電，由于是單相供電方式，造成了供電電網的三相不平衡。牽引變壓器[8]的不同接線方式及牽引負荷的負荷水平對牽引負荷負序特性起到決定性的作用。不同的接線方式，對牽引負荷注入電力系統(tǒng)的負序電流抑制能力大為不同。三相YNd11接線牽引變壓器中最常見的接線形式，下面主要分析AT供電方式下YNd11接線牽引變壓器產生的負序電流和三相不平衡情況。

普通的電力機車供電大多采用AT供電方式，其原理如圖1所示。

AT供電方式下YNd11牽引變壓器接線如圖2所示，變壓器一次側繞組為Y型連接，二次側繞組為△連接，二次側兩個單相繞組分別作為牽引電源給電力機車供電。

圖2中，牽引變壓器二次側右邊為a相供電臂，左邊為b相供電臂。為了方便分析負序電流，假設系統(tǒng)電流只含有基波成分，不考慮諧波情況。圖中兩供電臂源電流分別為Ia和Ib，變壓器一次側電流分別為IA、IB和IC，YNd11變壓器原副邊變壓比為K，可以得出：

假設兩供電臂功率因數(shù)角相同，即？漬a=？漬b=？漬，兩供電臂電流有效值之比定義為Ib/Ia=k。

三相電流不平衡度KI隨著兩臂電流有效值之比k向1靠近而降低。在k=0，即只有一臂有機車負載時，負序電流最大，三相電流不平衡度達到100%；在k=1，即兩供電臂電流同幅值同功率因數(shù)角時，一次側三相電流平衡。在同一k值下，？漬取0？燮？漬？燮90°之間的任意值，三相電流不平衡保持不變。

3 鐵路牽引系統(tǒng)電能質量測試分析

通過對鐵路牽引系統(tǒng)110kV側有火車通過時刻進行電能質量的測試，可以得出鐵路牽引系統(tǒng)110kV側瞬時功率因數(shù)如表1，其系統(tǒng)110kV側三相電流波形如圖3和圖4所示。其中圖3是電力機車在上行和下行都有通過時，測得的波形圖；圖4是電力機車上行通過時刻，測得的波形圖。

由測試結果可以得出，鐵路牽引系統(tǒng)110kV側的功率因數(shù)瞬時值不滿足功率因數(shù)的限制要求，而且系統(tǒng)還出現(xiàn)過補償。由圖3和圖4可以看出，在電力機車只有單行通過時刻，其110kV側三相流嚴重不平衡，其三相電流的不平衡隨著不同電力機車的通行時刻而變化。

4 鐵路牽引系統(tǒng)三相不平衡仿真分析

根據(jù)上述測試分析可以得到，在電力機車只有上行或下行的時刻，其電流三相不平衡是最嚴重的，因此下面主要分析電力機車在上行情況下對等效功率因數(shù)的因數(shù)的影響。

建立圖5的仿真模型，可以看出在電力機車只有上行負載時，110kV系統(tǒng)的功率因數(shù)不為1，而是0.7133，顯然不滿足系統(tǒng)功率因數(shù)的要求。由圖6可以看出鐵路牽引110kV側三相電流嚴重不對稱，與實測數(shù)據(jù)很接近，然而電力機車在實際運行當中，還會有無功補償裝置，在電力機車運行過程當中，會導致無功過補償，而使瞬時功率因數(shù)為負值，增加了電能的線路損耗。

5 鐵路牽引系統(tǒng)三相不平衡治理措施

電力機車供電系統(tǒng)主要存在電流三相不平衡、功率因數(shù)低和含諧波電流的電能質量問題。針對這些問題，提出如下措施建議：

（1）針對鐵路牽引，在各種負荷條件不變的情況下，可以通過管理火車的通行時刻表來合理分布三相負荷，只要合理安排負荷所在的端口順序，就能最大程度地使構成負序電流的各分量互相抵消，從而減少總的負序電流，使三相不平衡對電網的影響降至最低。

（2）對于新建的鐵路線路，可以要求鐵路方面采用特殊接線的平衡變壓器。

（3）對于鐵路牽引變電站，可以要求牽引變電站安裝動態(tài)無功補償裝置。

（4）由于鐵路牽引裝有無功補償設備，可能向電網倒送無功電量，在計費計量點安裝有防止無功倒送裝置的反向無功電度表[8]，按倒送無功電量與實用無功電量的絕對值之和計算月平均功率因數(shù)。

6 結束語

文章對電力機車的工作方式進行了理論分析，并進行了現(xiàn)場實測，得出了其電能質量測試結果，最后文章通過建立仿真模型，分析了電力機車對等效功率因數(shù)的影響，為電力機車的無功補償和電能計量提供了理論依據(jù)。

參考文獻

[1]唐敏，李群湛，賀建閩.牽引變電所無功諧波綜合補償方案研究[J].電網技術，2004，28（2）：47-52.

[2]王果，田銘興，任恩恩.降低電氣化鐵路混合有源補償裝置有源支路容量的分析[J].電力自動化設備，2010，30（9）：18-23.

[3]焦明明，楊仁，牛煥娜.配電網高低壓綜合電壓/無功優(yōu)化方法[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（24）：137-142.