煤炭專用線牽引供電系統(tǒng)諧波分析及治理研究

雷麗充

中鐵十七局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)院 山西 太原 030032

引言

隨著大秦線的建設(shè),電氣化重載鐵路得到快速發(fā)展,牽引供電系統(tǒng)也相應(yīng)的得到發(fā)展。新設(shè)備,新技術(shù)也被不斷的運(yùn)用到重載鐵路牽引供電系統(tǒng)中,但新的問題也隨之而產(chǎn)生。

電氣化重載鐵路負(fù)荷為電力系統(tǒng)一個(gè)特殊用戶,具有不對稱性,非線性,波動性和功率大分布廣的特點(diǎn)。其諧波、負(fù)序等電力危害不僅危及共用電網(wǎng)其他用戶的安全使用,還會危及電鐵系統(tǒng)自身的安全與可靠運(yùn)行。

1 大同高家窯鐵路專用線諧波、諧振現(xiàn)象的產(chǎn)生

高家窯鐵路專用線的區(qū)域朔州和大同是國家能源的重要產(chǎn)地,是大秦線重要的煤炭供給地區(qū),接軌起點(diǎn)為DK0+000(鐵豐K44+800)終點(diǎn)為DK9+000(裝車站終點(diǎn)),線路全長9.00km,全線設(shè)2座車站,分別為樹兒里車站和高家窯裝車站。樹兒里車站是鐵豐鐵路專用線上的新設(shè)車站,是本線與鐵豐鐵路專用線的接軌站,車站性質(zhì)為會讓站；高家窯裝車站為煤炭裝車站,是本線的設(shè)計(jì)終點(diǎn)。

本專用線利用新建樹兒里開閉所供電,利用既有同煤朔電鐵豐鐵路專用線DK26+084左云牽引變電所為本線供電,新建一進(jìn)二出(預(yù)留一進(jìn))樹兒里開閉所1座,位于K45+250處。開閉所內(nèi)設(shè)置(2400+2400)k VA串補(bǔ)一套。牽引網(wǎng)供電分段示意圖如圖1

圖1 牽引網(wǎng)供電分段示意圖

樹兒里開閉所于2020年10月10日投入使用,在使用期間出現(xiàn)樹兒里開閉所母線電壓超過29k V電壓的情況,如表1：

表1

在開閉所投入使用之后,出現(xiàn)所用變二次設(shè)備出現(xiàn)燒壞現(xiàn)象,2020年10月13日21：10左右27.5±5%/0.23kv所用變二次側(cè)電壓表和溫控設(shè)備燒壞。

2 原因分析

2.1 負(fù)荷波動大 不同的環(huán)境條件,線路狀況,列車在運(yùn)行中加速、惰性、制動等因素都會對負(fù)荷產(chǎn)生影響,導(dǎo)致負(fù)荷波動大。從負(fù)荷功率曲線上就可以看出來如圖2所示。

圖2 有功功率曲線

2.2 電力機(jī)車的影響 現(xiàn)在重載鐵路通常采用交-直型電力機(jī)車或者交-直-交型電力機(jī)車,或者兩者混合。交-直型電力機(jī)車,牽引單元采用半控橋式整流設(shè)備,通過對晶閘管的控制實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的調(diào)速目的,工作過程中,電力機(jī)車向供電系統(tǒng)注入大量諧波電流。交-直-交型電力機(jī)車使用了PWM整流器,該型電力機(jī)車輸出的低頻諧波分量明顯降低,但其在開關(guān)頻率附近的高次諧波分量顯著增多。在牽引供電系統(tǒng)中各種電氣元器件組合構(gòu)成一系列不同的諧振頻率回路,當(dāng)頻譜廣泛的諧波出現(xiàn)于牽引供電系統(tǒng)特殊工況時(shí),某些諧振回路就有可能與相應(yīng)次數(shù)的諧波產(chǎn)生諧波諧振。諧波諧振產(chǎn)生的過電壓與過電流往往會造成避雷器失效炸裂、變壓器絕緣擊穿故障、機(jī)車主逆封鎖等嚴(yán)重后果。

2.3 數(shù)據(jù)分析 為了掌握電能質(zhì)量,采集開閉所母線24小時(shí)電流數(shù)據(jù),短時(shí)閃變記錄時(shí)間間隔為10min/次,長時(shí)閃變記錄時(shí)間間隔為2h/次,其余參數(shù)記錄時(shí)間間隔為3s/次。數(shù)據(jù)如圖3所示,數(shù)據(jù)顯示,電流波形畸變嚴(yán)重,3次、5次、7次、11次諧波電流含量較高。

圖3 諧波電流頻譜圖

對所用變27.5±5%/0.23kv低壓側(cè)進(jìn)行測試,如圖4所示：

圖4 27.5 k V所用電源各相電壓諧波頻譜柱狀圖

各次諧波電壓及電壓總諧波畸變率如表2所示：

表2

3 諧波治理

3.1 技術(shù)方案 針對本專用線情況,采用動態(tài)無功補(bǔ)償與有源濾波相結(jié)合的技術(shù),在左云牽引變電所27.5k V母線側(cè)分別裝設(shè)一套靜止無功發(fā)生器,在樹兒里開閉所所用變0.4k V母線側(cè)均裝設(shè)有源濾波器,以400V側(cè)的諧波電流為控制目標(biāo)。

靜止無功發(fā)生器通過電抗器(變壓器)并聯(lián)在系統(tǒng)母線上,與系統(tǒng)電壓形成可調(diào)基波電壓差,從而控制注入系統(tǒng)的無功電流,實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康摹２粫糯笾C波,可以濾除50%以上的諧波。

有源濾波器兩個(gè)主要部分是指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。指令電流運(yùn)算電路實(shí)時(shí)監(jiān)視,將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,送入DSP對信號進(jìn)行處理,將諧波與基波分離,并以脈寬調(diào)制(PWM)信號形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動脈沖,驅(qū)動IGBT或IPM功率模塊,生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng),通過閉環(huán)自動控制技術(shù)糾正偏差,對諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消,主動消除電力諧波。有源濾波器原理如下圖5。

圖5 有源濾波器原理圖

3.2 治理效果 投入靜止無功發(fā)生器和有源濾波器之后,電流測試數(shù)據(jù)如表3所示。對比表2和表3可知,各次電流總諧波畸變率從17.8%降低至6.1%,原超標(biāo)的3次、5次、7次、11次諧波電流均未超標(biāo)。

投入 投入 投入3 0.86 0.93 0.95 5 3.71 3.78 3.66 7 2.34 2.31 2.38 9 0.22 0.21 0.08 11 0.41 0.38 0.37 13 0.76 0.72 0.57 15 0.08 0.09 0.05 21 0.03 0.03 0.02

3 結(jié)語

本文主要對大同左云高家窯煤炭鐵路專用線進(jìn)行分析,采用的靜止無功發(fā)生器和有源濾波器相結(jié)合的方式進(jìn)行無功平衡和諧波治理,通過F協(xié)調(diào)配置,實(shí)時(shí)跟蹤牽引負(fù)荷的波動,進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償,具有響應(yīng)速度快、補(bǔ)償性能好、諧波濾除效果優(yōu)良、功率因數(shù)提升等明顯優(yōu)勢。