電氣化鐵路對電能計量的影響研究

王運(yùn)全 ，楊衛(wèi)華 ，岳 巍 ，李琮琮 ，王平欣

（1.山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002；2.山東送變電工程公司，山東 濟(jì)南 250022）

0 引言

山東省自2006年1月開通電氣化鐵路，截至2009年底已運(yùn)行膠濟(jì)線和京滬線兩條電氣化鐵路，全省共有48個電氣化鐵路電能計量點(diǎn)，涉及32個變電站，其中膠濟(jì)線濟(jì)南到青島段有13個變電站，途徑4個市，均為雙電源供電，兩兩互為備用，12個牽引站；京滬線德州到棗莊段有19個變電站，途徑5個市，均為雙電源供電，兩兩互為備用，12個牽引站。由于電氣化鐵路覆蓋面大，其牽引動力由電力機(jī)車提供,電力機(jī)車功率大，客車和貨車的運(yùn)行速度、負(fù)載狀況變化頻繁。

上述已運(yùn)行的變電站電能計量的方式、計量點(diǎn)的位置以及測量用互感器和電能表的準(zhǔn)確性，是供用電雙方所共同關(guān)心的問題。

為此，通過一系列實驗研究，以確認(rèn)目前的電能計量方式、計量點(diǎn)的位置正確性以及計量用的電能表的準(zhǔn)確性，以保障電能計量公平、公正。

1 山東電氣化鐵路電能計量現(xiàn)狀

全省共有48個電氣化鐵路電能計量點(diǎn)所在變電站，計量點(diǎn)所在變電站變壓器主繞組的接線方式為YNyn0d11接線方式，采用三相四線為牽引站供電。其中膠濟(jì)線有7個變電站供電電壓為220 kV，其余25個變電站供電電壓為110 kV。牽引站采用三相V／v和單相I／i接線方式為電氣化鐵路供電。而計量點(diǎn)設(shè)在供電方變電站，并采用高供高計，計量所用表計為瑞士蘭吉爾公司的ZMQ202C8表，其可以在工頻20次諧波以內(nèi)正確計量電能量。

2 山東電氣化鐵路諧波現(xiàn)場測試及試驗室模擬試驗結(jié)果

2.1 現(xiàn)場測試結(jié)果

2009年9月，采用KC－3301A型電能質(zhì)量分析儀對山東省膠濟(jì)線電氣化鐵路王村站進(jìn)行了諧波測試。2009年11月，采用KC－3301A型電能質(zhì)量分析儀對京滬線電氣化鐵路黨家莊站進(jìn)行了諧波測試。經(jīng)現(xiàn)場測試可知，山東省膠濟(jì)線和京滬線電氣化鐵路諧波均較大。

對膠濟(jì)線王村站和黨家莊站所測數(shù)據(jù)分析后，得出在電力機(jī)車通過牽引站時的數(shù)據(jù)分別如表1、表 2、表 3、表 4所示。

表1 王村站基波電壓、電流及功率因數(shù)

表2 王村站各次諧波含有率 %

表3 黨家莊站基波電壓、電流及功率因數(shù)

2.2 試驗室模擬試驗結(jié)果

2.2.1 基波時電能表誤差

根據(jù)JJG 596－1999《電子式電能表》檢定規(guī)程，應(yīng)用于電氣化鐵路電能計量的ZMQ202C8型電能表各負(fù)載點(diǎn)誤差均符合規(guī)程要求。

表4 黨家莊站各次諧波含有率 %

表5 基波電壓、電流及功率因數(shù)

表6 諧波電壓、電流及相角

2.2.2 含有多次諧波時電能表誤差

利用美國FLUKE公司生產(chǎn)的6101A電能功率標(biāo)準(zhǔn)源產(chǎn)生如表5與表6所示的功率源，模擬電氣化列車運(yùn)行時的電壓、電流情況。

由表5可得基波總功率為95.2985 W，表6可得帶諧波的總功率為95.2892 W。采用功率時間方法，分別對數(shù)只ZMQ202C8型電能表進(jìn)行了模擬試驗，試驗結(jié)果如表7。

表7 ZMQ202C8型電能表誤差

表7可以看出，牽引變電站在電力機(jī)車通過時，若以基波電能為參考，主要諧波可以產(chǎn)生－0.01%左右的電量，造成電氣化鐵路產(chǎn)生的諧波功率返送回電網(wǎng)，記錄在電能表反向諧波寄存器中。

2.2.3 諧波條件下準(zhǔn)確度試驗

根據(jù) GB／T17215.322—2008／IEC 62053—22：2003《交流電測量設(shè)備 特殊要求第22部分：靜止式有功電能表（0.2S級和0.5S級）》準(zhǔn)確度要求，需要對電能表進(jìn)行如下情況下的準(zhǔn)確度試驗。

試驗條件：

基波電流：I1＝0.5 Imax

基波電壓：U1＝Un

基波功率因數(shù)：1.0

5次諧波電壓含量：U5＝10%Un

5次諧波電流含量：I5＝40%I1

諧波功率因數(shù)：1.0

基波和諧波電壓在原點(diǎn)是相同的。

由5次諧波產(chǎn)生的諧波功率為P5=0.1U1×0.4I1=0.04P1或總有功功率為1.04 P1（基波＋諧波）。

電氣化鐵路使用的安裝式電能表為瑞士蘭吉爾公司生產(chǎn)的ZMQ202C8表，其電壓：3×57.7/100 V，電流：3×5 A，在以上試驗條件下測得其5個誤差為－0.0173、－0.0160、－0.0165、－0.0163、－0.0173。 由此可知，此表滿足了有諧波情況下的準(zhǔn)確度試驗。

3 結(jié)語

通過對電氣化鐵路對電能計量的影響研究，確認(rèn)了山東省電氣化鐵路電能計量點(diǎn)設(shè)置在供電變電站的出線側(cè)和高壓三相四線計量方式是正確的；牽引變電站在電力機(jī)車通過時，若以基波電能為參考，主要諧波可以產(chǎn)生－0.01%左右的電量，造成電氣化鐵路產(chǎn)生的諧波功率返送回電網(wǎng)，記錄在電能表反向諧波寄存器中；在系統(tǒng)有諧波影響下，電能表的準(zhǔn)確性不能按照傳統(tǒng)的檢定規(guī)程規(guī)定的方法來判斷其是否正確計量，可以參照本研究的過程和方法，即在安裝現(xiàn)場首先測量和記錄諧波的實際數(shù)據(jù)，經(jīng)實驗室分析后，選擇合適的電能表，再經(jīng)模擬現(xiàn)場諧波數(shù)據(jù)試驗后，確認(rèn)電能表的計量正確性（包括測量誤差和電能量計量的準(zhǔn)確性），以保證電能計量的準(zhǔn)確可靠。

利用本研究的成果，推廣應(yīng)用到其它產(chǎn)生諧波的大用戶，可以為電網(wǎng)提供諧波影響的技術(shù)數(shù)據(jù)，提出對此類企業(yè)的諧波治理和考核指標(biāo)。該研究成果已獲得2010年度山東電力科學(xué)技術(shù)二等獎。

［1］蘇彥禹.JJG 596－1999《電子式電能表》檢定規(guī)程［M］.北京： 中國計量出版社，2001.

［2］GB／T 17215.322—2008／IEC 62053—22：2003 交流電測量設(shè)備 特殊要求第22部分：靜止式有功電能表（0.2S級和0.5S級）［S］.

［3］GB／T 14549－1993 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波［S］.