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多线合用牵引变电所电能质量实测分析

更新时间:2023-09-22      点击次数:375

电气化铁路电能质量问题一直以来备受关,牵引变电所电能质量评估是新建铁路开通前的重要内,但是电能质量评估中采取的各类数据是理论计算,并不能真实反映电气化铁路实际运行情况。特别是当铁路开通,有其他线路接,牵引变电所的运行条件发生了重大改,这时需要对牵引变电所实际运行数据进行测,利用实测数据对牵引变电所电能质量进行分析和评估。

1、概况

合肥至蚌埠客运专线(以下简称合蚌客)由京沪高铁蚌埠南站引,终于合肥枢纽合肥,与水蚌线、淮南线、商合杭高铁、合福铁路等多条铁路或交叉或并,牵引供电系统采AT供电方,新建刘府、水家湖、邵3座牵引变电所。为了实现资源共,节省工程投,根据线位特,3座牵引变电所同时为多条铁路供:刘府牵引变电所为合蚌客专、水蚌线供;水家湖牵引变电所为合蚌客专、水蚌线、淮南线、商合杭高铁供;邵岗牵引变电所为合蚌客专、淮南线、商合杭高铁、合福铁路供电。合蚌客专线路及牵引变电所分布示意图如1所示。

img1 

1线路及牵引变电所分布示意图

合蚌客专线路情况复,电力机车类型,AT供电方式和直接供电方式并,给理论分析带来困,因此本文对合蚌客专牵引变电220kV侧三相电压、电流275kV母线电压和电流以及馈线电流等实时运行数据进行了采,并基于实测数据对牵引变电所功率因数、三相电压不平衡和谐波等电能质量问题进行了分析。

功率因数

2.1功率因数影响因素

牵引变电所功率因数主要受三个方面影响。

(1)交直型电力机车。交直型电力机(SS)功率因数08,交直交型电力机(如和谐号、复兴号HXD)功率因数097以上。目,交直型电力机车仅在部分普速电气化铁路中运,交直交型电力机车所占比例越来越,相关的文献分析结果表,在两种电力机车混跑的线路,交直型电力机车所占比例达229,牵引变电所的功率因数降09

(2)分布式容性电流。接触网为长距离输电线,会产生分布式容性电流。以一个双线电气化铁路牵引变电所为,若变电所4AT线,供电臂长度25km,架空接触网单位电容电流参35kV线路018A/km,则变电275kV侧电容电流018×25×418A,折算220kV45A,产生的无功功率1714kvar.

虽然架空线路产生的无功功率相对于机车功率,但是当线路上开行的列车对数,线路空载率过高,牵引变电所全天功率因数会降低。

(3)无功功率计量方式。牵引变电所全天功率因数可分返送反"返送不"返送正"三种计量方式。

返送反"计量方式的计算公式:

cosφimg2img3

返送不"计量方式的计算公式:

cosφimg4

返送正"计量方式的计算公式:

cosφimg5

,P为有功功;QL为感性无功功;功功率。

(1)

(2)

(3)

QC为容性无

(1)~(3)可以看,3种牵引变电所功率因数计算方式差异较,返送正"方式功率因*低。

2.2实测数据分析

合蚌客3座牵引变电所功率因数的实测值如2~4所示。由于牵引变电所供电线路的机车均为交直交型电力机,牵引变电所功率因数保持在较高的水,实测值也可以反映这一,其中功率因数为负值对应的时刻是机车在运行过程中的再生制动工况。

img6 

2刘府牵引变电所功率因数实测值

img7 

3水家湖牵引变电所功率因数实测值

img8 

4邵岗牵引变电所功率因数实测值

3座牵引变电所全天功率因数统计见1,返送反"返送不"方式,3座牵引变电所功率因数都达由2~4可以看,刘府牵引变电所存在较长时间的线路空载情,而水家湖和邵岗牵引变电所几乎不存在空载情,这是由于水蚌线还未开,刘府牵引变电所目前只为合蚌客专一条铁路供,而水家湖和邵岗牵引变电所则同时3条铁路供电。从1,受空载线路分布式容性电流影,刘府牵引变电所功率因数小于其2座变电所。

1牵引变电所全天功率因数

计量方式

刘府牵引变电所

水家湖牵引变电所

邵岗牵引变电所

返送反计

09914

09965

09927

返送不计

09141

09721

09746

返送正计

07002

08699

08648

.       三相电压不平衡

3.1牵引变电所负序影响分析

牵引变电所采V/X牵引变压,其原理如5,高压侧接入电力系220kV三相电,二次侧2台单相变压,分别为变电αβ两侧供电臂供,其中每个单相变压器设TF,二次TαTβ,FαFβ之间电压相位相60°

img9 

5VX接线变压器原理图

通过分析一次侧电流与二次侧负载电流关,并采用对称分量法对一次侧三相电流进行分,可得负序电流

为:

img10 

(4),k为变压器一次侧和二次侧绕组匝数,220/2×275kV变压,k8

GB/T155432008,电压不平衡度:3I2ULεU2Sk×100(5)(5),牵引变电所电压不平衡度受负序电I2和接入点的系统短路容Sk影响。根据(4),负序电I2与变电所两侧负荷电流有关。系统短路容Sk则由电力系统决定。

3.2实测数据分析

通过测量变电220kV侧三相电压的幅值和相,用对称分量法分别求出正序分量、负序分,然后计算出负序电压不平衡,将获得24h数据绘制成电压不平衡度曲线,6~8,95%概率较大值和较大值见2。根GB/T155432008«电能质量三相电压不平»,接于公共连接点的每个用户引起的该点负序电压不平衡度允许值一般13,短时不超26%。因此牵引变电所三相电压不平衡度满足规范要求。

img11 

6刘府牵引变电220kV侧电压不平衡度

img12 

7水家湖牵引变电220kV侧电压不平衡度

img13 

8邵岗牵引变电220kV侧电压不平衡度

2牵引变电220kV侧电压不平衡度

三相电压不平/

刘府牵引变电所

水家湖牵引变电所

邵岗牵引变电所

95%概率大值

05059

08562

05703

较大值

09991

16574

11995

4、谐波

4.1电力机车谐波特性

牵引供电系统中的主要谐波源是电力机车。由于交直型机车采用不可控二极管变,因此机车牵引电流含有丰富的奇次谐,但基本上集中357次等低次范围。交直交型机车由于采PWM,大大降低了谐波含,但谐波频谱较,含有低次和高次谐波。其,低次谐波主要由牵引电路的拓扑结构和控制算法引,主要分布3579;高次谐波主要PWM算法引,与开关频率有,由于不同车型的开关频率不,高次谐波特性也不尽相,CRH2CRH380AHXD3等车型的高次谐波主要分布50100次附,CRH3CHR380BHXD1等车型的高次谐波主要分布3570次附近。不同型号的列车在线路上同时运,会给系统带来含量丰富且频带分布多样的谐,也会较大谐波谐振动概率。

4.2谐波电压总畸变率

合蚌客3座牵引变电所各相谐波电压总畸变率实测值见3。根GB/T145491993,220kV公用电网谐波电压限值2,谐波测量的数据取测量时段内各相实测值95%概率值*大的一相值作为判断谐波是否超过允许值的依据。

3牵引变电220kV侧谐波电压总畸变率

谐波电压总畸变/

刘府牵引变电所水家湖牵引变电所

邵岗牵引变电所

A

B

C

A

B

C

A

B

C

95%概率

大值

较大值

08632

09361

08809

08797

09254

06810

10504

09150

1059

10190

10756

10216

16787

21958

23183

17602

14000

13149

3,合蚌客3座牵引变电所谐波电压总畸变率满足国家标准要,水家湖变电BC相谐波电压畸变率较大值超2,存在谐振的可能。

4.3谐波频谱特性

3可以看,刘府牵引变电B相、水家湖牵引变电B相、邵岗牵引变电A相谐波电压总畸变95%概率值是各相*,谐波畸变率实测曲线如91011,谐波电压总畸变95%概率大值附9个点对应的频谱如121314所示。

img14 

9刘府牵引变电B相电压总谐波畸变率

img15 

10水家湖牵引变电B相电压总谐波畸变率img16img17

img18 

11邵岗牵引变电A相电压总谐波畸变率

img19 

12刘府牵引变电B相电压谐波频谱

img20 

13水家湖牵引变电B相电压谐波频谱

img21 

14邵岗牵引变电A相电压谐波频谱

由谐波频谱可以看,刘府和邵岗牵引变电所电压谐波主要集中5713次低次谐;水家湖牵引变电所谐波主要35713次低次谐波4050之间高次谐,还有两个点出现2135次谐波。

4.4谐振

水家湖牵引变电C相电压总谐波畸变率实测曲线如15,可以看出水家湖牵引变电所发生了密集的谐,尤其16时左右21时左右发生了严重的谐,谐波含量超过2;其频谱如16,25次谐波发生谐振。

img22 

15水家湖牵引变电C相电压总谐波畸变率

img23 

16水家湖牵引变电所谐振谐波频谱

5、安科AcrelCloud-1000变电所运维云平台

5.1概述

基于互联网+、大数据、移动通讯等技术开发的云端管理平台,满足用户或运维公司监测众多变电所回路运行状态和参数、室内环境温湿度、电缆及母线运行温度、现场设备或环境视频场景等需求,实现数据一个中心,集中存储、统一管理,方便使用,支持具有权限的用户通过电脑、手机PAD等各类终端链接访问、接收警报,并完成有关设备日常和定期巡检和派单等管理工作。

5.2应用场所

适用于电信、金融、交通、能源、医用卫生、文体、教育科研、农林水利、商业服务、公用事业等行业变配电运行维护系统的新建、扩建和改建。

5.3系统结构

img24 

系统可分为四层:即感知层、传输层、应用层和展示层。

感知层:包含变电所安装的多功能仪表、温湿度监测装置、摄影头、开关量采集装置等。除摄影头外,其它设备通RS485总线接入现场智能网RS485端口。

传输层:包含现场智能网关和交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据,并可进行规约转换,数据存储,并通过交换机把数据上传至服务器端口,网络故障时数据可存储在本地,待网络恢复时从中断的位置继续上传数据,保证服务器端数据不丢失。

应用层:包含应用服务器和数据库服务器,若变电所数量小30个则应用服务器和数据库服务器可以合一配置。服务器需要具备固IP地址,以接收各智能网关主动传送过来的数据。

展示层:用户通过手机、平板、电脑等多终端的方式访问平台信息。

5.4系统功能

5.4.1用能月报

用能月报支持用户按总用电量、变电站名称、变电站编号等查询所管理站所的用电量,查询跨度可设置为月。

5.4.2站点监测

站点监测包括概况、运行状态、当日事件记录、当日逐时用电曲线、用电概况。

img25 

5.4.3变压器状态

变压器状态支持用户查询所有或某个站所的变压器功率、负荷率、等运行状态数据,支持按负荷率、功率等升、降序排名。

img26 

5.4.4运维

运维展示当前用户管理的有关变电所在地图上位置及总量信息。

 

5.4.5配电图

配电图展示被选中的变电所的配电信息,配电图显示各回路的开关状态、电流等运行状态及信息,支持电压、电流、功率等详细运行参数查询。

img27 

5.4.6视频监控

视频监控展示了当前实时画面(视频直播),选中某一个变配电站,即可查看该变配电站内视频信息。

img28 

5.4.7电力运行报表

电力运行报表显示选定站所选定设备各回路采集间隔运行参数和电能抄表的实时值及平均值行统计。

img29 

5.4.8警报信息

对平台所有警报信息进行分析。

img30 

5.4.9任务管理

任务管理页面可以发布巡检或消缺任务,查看巡检或消缺任务的状态和完成情况,可以点击查看任务查看具体的巡检信息。

img31 

5.4.10用户报告

用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据,对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、警报事件等进行统计分析,并列出在该周期内巡检时发现的各类缺失及处理情况。

img32 

5.4.11APP监测

电力运维手机支监控系"设备档"待办事"巡检记"缺失记"文档管"用户报"七大模块,支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件警报查询,设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询、用户报告、文档管理等。

img33img34img35 

5.5系统硬件配置

应用场合

型号

外观图

型号、规格

变电所运维云平台

AcrelCloud-1000

img36 

AcrelCloud-1000变电所运维云平台基于互联网+、大数据、移动通讯等技术开发的云端管理平台,满足用户或运维公司监测众多变电所回路运行状态和参数、室内环境温湿度、电缆及母线运行温度、现场设备或环境视频场景等需求,实现数据一个中心,集中存储、统一管理,方便使用,支持具有权限的用户通过电脑、手机PAD等各类终端链接访问、接收警报,并完成有关设备日常和定期巡检和派单等管理工作。

网关

ANet-2E4SM

img37 

4RS485串口,光耦隔离2路以太网接口,支ModbusRtuModbusTCPDL/T645-1997DL/T645-2007CJT188-2004OPCUAModbusTCP(主、从)104(主、从)、建筑能耗SNMPMQTT;(主模块)输入电源DC12V36V。支4G扩展模块485扩展模块。

扩展模ANet-485

M485模块4路光耦隔RS485

扩展模ANet-M4G

M4G模块:支4G全网通

中压进线

AM6-L

img38 

三段式过流保护(带方向、低压闭锁)、过负荷保护PT断线告警、逆功率保护、三相一次重合闸、低频减载、检同期、合环保护、断路器失灵保护

APM810

img39 

三相IUkWkvarkWhkvarhHzcosΦ),零序电In;四象限电能;实时及需量;电流、电压不平衡度;负载电流柱状图显示66种警报类型及外部事件SOE16条事件记录,支SD卡扩展记录2-63次谐波2DI+2DO

RS485/ModbusLCD显示;

中压进线

APView500

img40 

相电压电流+零序电压零序电流,电压电流不平衡度,有功无功功率及电能、事件告警及故障录波,谐波(电压/电63次谐波63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率K因子)、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断1024点波形采样、触发及定时录波,波形实时显示及故障波形查看PQDIF格式文件存储,内32G,16D0+22D1,通讯

2RS485+1RS232+1GPS,3以太网接口(1维护网口)1USB接口,支U盘读取数据,支61850协议。

中压馈线

AM6-L

img41 

三段式过流保护(带方向、低压闭锁)、过负荷保护PT断线告警、逆功率保护、三相一次重合闸、低频减载、检同期、合环保护、断路器失灵保护

APM810

img42 

三相IUkWkvarkWhkvarhHzcosΦ),零序电In;四象限电能;实时及需量;电流、电压不平衡度;负载电流柱状图显示66种警报类型及外部事件SOE16条事件记录,支SD卡扩展记录2-63次谐波2DI+2DO

RS485/ModbusLCD显示;

低压进线 

AEM96

img43 

三相电参UIPQSPFF测量,总正反向有功电能统计,正反向无功电能统计2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量(电压、电流、功率);电流规15(6)A,有功电能精05S,无功电能精2级;工作温度-10+55;相对湿度95不结露

低压出线

AEM72

img44 

三相电参U1PQSPFF测量,总正反向有功电能统计,正反向无功电能统计2-31次分次谐波及总谐波含量分析、低压出线分相谐波及基波电参量(电压、电流、功率);电流规3x15(6)A,有功电能精05S级,无功电能精2

ADW300

img45 

三相电参UIPQSPFF测量,有功电能计量(正、反向)、四象限无功电能、总谐波含量、分次谐波含量231次)ABCN四路测温1路剩余电流测量;支RS485/LoRa/2G/4G/NBLCD显示;有功电能精度05S

无线测温

ATE-400

img46 

合金片固定CT感应取电,启动电流大5A,测温范围50-125,测量精±1;传输距离空150

ATC-600

img47 

两种工作模式:终端、中继ATC600-Z做中继透传ATC600-ZATC600-C的传输距离空1000m,ATC600-C可接ATE系列传感器、

AHE等传输的数据1485,2路警报出口。

环境温湿度

WHD

img48 

WHD温湿度控制器产品主要用于中高压开关柜、端子箱、环网柜、箱变等设备内部温度和湿度调节控制。工作电源AC/DC85265V工作温度-400999工作湿度0RH99RH

水浸传感器

RS-SJ-*-2

img49 

接触式水浸传感器,监测变电所、电缆沟、控制室等场所积水情况,工作电源DC10-30V工作温度:20+60工作湿度0%RH~80%RH响应时间1s继电器输出:常开触点。

摄影机

CS-C5C-3B1WFR

img50 

720P高清图像*高支持分辨率可达130万像素1280*960)内置麦克风与扬声器具有语音双向对讲功能,支持萤石云互联网服务,通过手机PC等终端实现远程互动和视频观看。

烟雾传感器

BRJ-307

img51 

光电式烟雾传感:电源正极DC12V):+12V

继电器输出:常开触点

门禁

MC-58(常开型)

img52 

常开型;感应距离30-50mm材质:锌合金,银灰色电度,干接点输出。

配套附件

ARTU-K16

img53 

常开型;感应距离30-50mm材质:锌合金,银灰色电度干接点输出

KDYA-DG30-24K

img54 

DC24V;24V电源

6、结语

由合蚌客3座牵引变电所电能质量实测数据的分析可,采用交直交电力机车,牵引变电所功率因数得到了显著提,谐波含量也大为降,同时牵引变电所外部电源采220kV,系统容量的提升使牵引变电所负序问题得到了解,在电力部门和铁路部门的不断努力,电气化铁路电能质量问题已经得到了较大的改善由于牵引网分布容性电,对于一些列车对数不多的电气化铁,如新建线路在初期运行,有可能存在功率因数过低的情况。另,对于多条铁路共用牵引变电,尤其是枢纽牵引变电,由于车型,注入的谐波电流频带,发生谐振动的概率较,应注意谐振引起的谐波超标问,严重时应采取治理措施。

参考文献

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