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(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300142)

1 概述

隨著鐵路客站的快速發(fā)展,鐵路用電負(fù)荷出現(xiàn)了一些新的變化：用電量迅速增長；體現(xiàn)以人為本的電子顧客服務(wù)系統(tǒng)增多；變頻器、電子鎮(zhèn)流器等節(jié)能設(shè)備廣泛運(yùn)用；供電可靠性要求越來越多,UPS電源越來越多；電氣設(shè)備的新技術(shù)被廣泛運(yùn)用。這些變化使鐵路客站的電力供電系統(tǒng)中諧波含量增高,給供電可靠性及設(shè)備安全運(yùn)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(fù)荷有照明負(fù)荷、自動(dòng)扶梯、垂直電梯、消防水泵、潛水泵、普通風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、通信系統(tǒng)設(shè)備、信號系統(tǒng)設(shè)備、FAS系統(tǒng)設(shè)備、BAS系統(tǒng)設(shè)備、空調(diào)、顯示屏、電加熱設(shè)備、安檢設(shè)備、冷凍機(jī)、UPS電源、計(jì)算機(jī)設(shè)備等。鐵路客站人員密集,負(fù)荷比較集中,設(shè)備安裝容量、性質(zhì)差異較大,因此供電可靠性要求比較高。根據(jù)測試數(shù)據(jù),產(chǎn)生諧波的主要負(fù)荷有照明負(fù)荷、LED顯示屏、安檢設(shè)備、UPS電源、冷水機(jī)組、變頻空調(diào)、變頻風(fēng)機(jī)等。

2.2 鐵路客站主要諧波源特征

根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)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(dòng),噪聲增大,繞組附加發(fā)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(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行電壓偏高或三相不對稱時(shí),勵(lì)磁電流中的諧波分量增加,絕緣材料承受的電氣應(yīng)力增大,影響絕緣的局部放電和介質(zhì)增大。對三角形連接的繞組,零序性諧波在繞組內(nèi)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(zhì)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(fā)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(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí),系統(tǒng)電壓上升,諧波電壓升高,引起電纜介質(zhì)不穩(wěn)定,容易發(fā)生故障。

3.3 對電力電容器的影響

并聯(lián)電容器組投入時(shí),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(fù)荷而嚴(yán)重影響其使用壽命,另一方面當(dāng)電容器組的諧波容抗與系統(tǒng)等效諧波感相等而發(fā)生諧振時(shí),引起電容器諧波電流嚴(yán)重放大使電容器過熱而導(dǎo)致?lián)p壞。因此電壓諧波和電流諧波超標(biāo)使電容器的工作電流增大,造成電容器的損壞增加、發(fā)熱異常、絕緣加速老化而導(dǎo)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(fā)生畸變,產(chǎn)生鋸齒狀尖頂波,易在絕緣介質(zhì)中引發(fā)局部放電,長時(shí)間的局部放電也會(huì)加速絕緣介質(zhì)的老化、自愈性能下降,而容易導(dǎo)致電容器損壞。

3.4 對繼電保護(hù)整定的影響

繼電保護(hù)正常運(yùn)行中,當(dāng)電源諧波分量較高時(shí),可能會(huì)引起過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)的誤動(dòng)作。

4 鐵路客站諧波治理方案

根據(jù)測量數(shù)據(jù)及理論分析,結(jié)合鐵路客站的負(fù)荷特點(diǎn),針對中小型站房、大型及特大型負(fù)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(nèi)的設(shè)備負(fù)荷較小,主要的用電負(fù)荷有照明、信息設(shè)備、水泵、消防泵、風(fēng)機(jī)、空調(diào)、顯示屏、電加熱設(shè)備、安檢設(shè)備等。對于中小型車站,風(fēng)機(jī)、空調(diào)、水泵、消防泵容量較小,基本上采用了直接啟動(dòng),以上負(fù)荷基本產(chǎn)生諧波量很少,產(chǎn)生諧波的主要用電負(fù)荷包括熒光燈、金鹵燈、安檢設(shè)備、信息設(shè)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(wǎng)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(huì)超過當(dāng)?shù)毓╇姽镜亩搪啡萘康?.1%,此外中小型客站的諧波源,如熒光燈、金鹵燈、安檢設(shè)備、信息設(shè)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(第1級用電單位協(xié)議容量與公共連接點(diǎn)的短路容量之比不大于0.1%時(shí),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(huì)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,可采用串聯(lián)調(diào)諧電抗器的電容組進(jìn)行無源濾波,在提高功率因數(shù)的同時(shí),防止串聯(lián)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(nèi)的大型及特大型鐵路站房的面積較大,用電負(fù)荷比較多,主要的用電負(fù)荷有照明、信息設(shè)備、水泵、消防泵、風(fēng)機(jī)、空調(diào)、顯示屏、電加熱設(shè)備、安檢設(shè)備、扶梯、冷水機(jī)組等。對于大型及特大型鐵路客站,產(chǎn)生諧波的用電負(fù)荷主要有熒光燈、金鹵燈、安檢設(shè)備、信息設(shè)備的UPS電源、信息顯示屏、帶變頻器的用電設(shè)備(變頻空調(diào)、變頻風(fēng)機(jī)、變頻電梯、大型變頻冷水機(jī)組、變頻水泵)等。

對于大型車站及特大型車站,諧波源比較復(fù)雜,如照明負(fù)荷、安檢設(shè)備、UPS電源、變頻空調(diào)、LED顯示屏分布于站房內(nèi)的各個(gè)空間,負(fù)荷較小,用電點(diǎn)較多；如冷水機(jī)組、進(jìn)站大型LED顯示屏單個(gè)設(shè)備的用電量比較大,有的安裝容量高達(dá)600 kW以上,供電點(diǎn)單一,產(chǎn)生的諧波較大。針對以上特點(diǎn),結(jié)合天津站、北京南站的測試數(shù)據(jù),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(shè)備,使其符合GB17625和IEC6100規(guī)程允許的諧波電流發(fā)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(fù)荷單獨(dú)供電。

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

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

5 諧波電流計(jì)算

5.1 單臺(tái)非線性設(shè)備的諧波電流計(jì)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(jì)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(jì)算

5.2.1 單臺(tái)諧波源的諧波電流計(jì)算

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

5.2.2在同一配電線路同一相上兩個(gè)諧波源的同次諧波電流計(jì)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(shù)，見表2。

表2 系數(shù)Kn值

同一配電線路有2個(gè)以上諧波電流迭加時(shí),應(yīng)首先將2個(gè)諧波電流迭加,然后再與第3個(gè)諧波電流相加,以此類推。

5.2.3 低壓母線側(cè)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(gè)諧波源的第n次諧波電流；常數(shù)a見表3。

表3 常數(shù)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(diǎn)的系統(tǒng)諧波電流；Zn為公共連接點(diǎn)的系統(tǒng)諧波阻抗。

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

6 濾波器的容量選擇

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

根據(jù)GB14549—1993規(guī)定,諧波電壓限值見表4。

表4 公共電網(wǎng)諧波電壓限值

根據(jù)GB14549—1993規(guī)定,注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值見表5。

表5 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值 A

6.1 無源濾波器

無源濾波器是由調(diào)諧電抗器和補(bǔ)償電容器組。

6.1.1 電抗器的選擇

《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50227—95)中關(guān)于電抗值的規(guī)定“用于抑制諧波,當(dāng)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為5次以上時(shí),宜取4.5%～6%；3次以上時(shí),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(diào)諧頻率

6.1.2 補(bǔ)償容量的選擇

無源濾波器主要功能是補(bǔ)償功率因數(shù),避免發(fā)生諧振,并吸收部分主要諧波,故容量選擇時(shí)參照無功功率補(bǔ)償容量計(jì)算,即

式中，Qc為補(bǔ)償容量；a為平均系數(shù)；pjs為計(jì)算有功功率；tanφ1為補(bǔ)償前功率因數(shù)角的正切值；tanφ2為補(bǔ)償后功率因數(shù)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(tǒng)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(dòng)部分。

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

結(jié)合鐵路客站負(fù)荷特點(diǎn)以及設(shè)備對諧波的敏感性要求,推薦采用方案二來實(shí)現(xiàn)諧波治理。

6.2.2 補(bǔ)償容量選擇

利用設(shè)備畸變率及上述公式計(jì)算出系統(tǒng)的各次諧波電流,扣除無源濾波器吸收部分,減去GB14549—1993規(guī)定的注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值,即可計(jì)算出補(bǔ)償容量。

7 結(jié)語

目前,鐵路客站發(fā)展比較快,而且對于每個(gè)城市來說,鐵路客站均與城市發(fā)展方向密切相關(guān),特別是大型及特大型站房一般位于省會(huì)城市或副省會(huì)城市,是一個(gè)城市的交通運(yùn)輸樞紐,供電的可靠直接影響著公共秩序和社會(huì)穩(wěn)定。近幾年來,由于諧波的影響,造成補(bǔ)償電容器組著火,低壓總進(jìn)線跳閘,影響了正常的供電秩序,造成了一定的社會(huì)影響。因此根據(jù)現(xiàn)場的測量數(shù)據(jù),參考了有關(guān)的電網(wǎng)諧波文獻(xiàn),對鐵路客站的諧波危害及治理進(jìn)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(shè)備的使用壽命；減少了注入電力系統(tǒng)的3、5、7次諧波；提高了微機(jī)保護(hù)裝置的可靠性、準(zhǔn)確性；減少了電能損耗,節(jié)省了用電量。

[1] 李治.電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用指南[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[2] 北京華建標(biāo)建筑標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)開發(fā)中心.建筑物供配電系統(tǒng)諧波抑制設(shè)計(jì)規(guī)程[S].北京:北京市建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化辦公室,2010.

[3] 吳競昌.供電系統(tǒng)諧波[M].北京：中國電力出版社,1998.

[4] 姚勇,朱桂萍,劉秀成.諧波對低壓微電網(wǎng)運(yùn)行的影響[J].中國電力,2010(10):11-14.

[5] 包國榮.論電力諧波的產(chǎn)生機(jī)理、危害及治理措施[J].咸寧師專學(xué)報(bào),1998(3):32-36.

[6] 高昌濤,劉劍.低壓電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生、危害及其防護(hù)[J].低壓電器,2005(12):11-14.

[7] 鄒德增.配電網(wǎng)中補(bǔ)償電容器諧波放大的抑制[J].電氣技術(shù),2007(6):63-66

[8] 薛小兵.淺談?wù){(diào)諧電抗電容器組的選擇[J].電器技術(shù),2006(7):53-54.

[9] 趙小皓,馮曉云,王利軍.電力電子系統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償與諧波抑制研究[J].鐵道機(jī)車車輛,2007(12):59-61.

[10] 唐杰,羅安,范瑞祥,等.無功補(bǔ)償和混合濾波綜合補(bǔ)償系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007(1):89-92.