雷丽充

中铁十七局集团有限公司勘察设计院 山西 太原 030032

引言

随着大秦线的建设,电气化重载铁路得到快速发展,牵引供电系统也相应的得到发展。新设备,新技术也被不断的运用到重载铁路牵引供电系统中,但新的问题也随之而产生。

电气化重载铁路负荷为电力系统一个特殊用户,具有不对称性,非线性,波动性和功率大分布广的特点。其谐波、负序等电力危害不仅危及共用电网其他用户的安全使用,还会危及电铁系统自身的安全与可靠运行。

1 大同高家窑铁路专用线谐波、谐振现象的产生

高家窑铁路专用线的区域朔州和大同是国家能源的重要产地,是大秦线重要的煤炭供给地区,接轨起点为DK0+000(铁丰K44+800)终点为DK9+000(装车站终点),线路全长9.00km,全线设2座车站,分别为树儿里车站和高家窑装车站。树儿里车站是铁丰铁路专用线上的新设车站,是本线与铁丰铁路专用线的接轨站,车站性质为会让站；高家窑装车站为煤炭装车站,是本线的设计终点。

本专用线利用新建树儿里开闭所供电,利用既有同煤朔电铁丰铁路专用线DK26+084左云牵引变电所为本线供电,新建一进二出(预留一进)树儿里开闭所1座,位于K45+250处。开闭所内设置(2400+2400)k VA串补一套。牵引网供电分段示意图如图1

图1 牵引网供电分段示意图

树儿里开闭所于2020年10月10日投入使用,在使用期间出现树儿里开闭所母线电压超过29k V电压的情况,如表1：

表1

在开闭所投入使用之后,出现所用变二次设备出现烧坏现象,2020年10月13日21：10左右27.5±5%/0.23kv所用变二次侧电压表和温控设备烧坏。

2 原因分析

2.1 负荷波动大 不同的环境条件,线路状况,列车在运行中加速、惰性、制动等因素都会对负荷产生影响,导致负荷波动大。从负荷功率曲线上就可以看出来如图2所示。

图2 有功功率曲线

2.2 电力机车的影响 现在重载铁路通常采用交-直型电力机车或者交-直-交型电力机车,或者两者混合。交-直型电力机车,牵引单元采用半控桥式整流设备,通过对晶闸管的控制实现对直流电机的调速目的,工作过程中,电力机车向供电系统注入大量谐波电流。交-直-交型电力机车使用了PWM整流器,该型电力机车输出的低频谐波分量明显降低,但其在开关频率附近的高次谐波分量显著增多。在牵引供电系统中各种电气元器件组合构成一系列不同的谐振频率回路,当频谱广泛的谐波出现于牵引供电系统特殊工况时,某些谐振回路就有可能与相应次数的谐波产生谐波谐振。谐波谐振产生的过电压与过电流往往会造成避雷器失效炸裂、变压器绝缘击穿故障、机车主逆封锁等严重后果。

2.3 数据分析 为了掌握电能质量,采集开闭所母线24小时电流数据,短时闪变记录时间间隔为10min/次,长时闪变记录时间间隔为2h/次,其余参数记录时间间隔为3s/次。数据如图3所示,数据显示,电流波形畸变严重,3次、5次、7次、11次谐波电流含量较高。

图3 谐波电流频谱图

对所用变27.5±5%/0.23kv低压侧进行测试,如图4所示：

图4 27.5 k V所用电源各相电压谐波频谱柱状图

各次谐波电压及电压总谐波畸变率如表2所示：

表2

3 谐波治理

3.1 技术方案 针对本专用线情况,采用动态无功补偿与有源滤波相结合的技术,在左云牵引变电所27.5k V母线侧分别装设一套静止无功发生器,在树儿里开闭所所用变0.4k V母线侧均装设有源滤波器,以400V侧的谐波电流为控制目标。

静止无功发生器通过电抗器(变压器)并联在系统母线上,与系统电压形成可调基波电压差,从而控制注入系统的无功电流,实现动态无功补偿的目的。不会放大谐波,可以滤除50%以上的谐波。

有源滤波器两个主要部分是指令电流运算电路和补偿电流发生电路。指令电流运算电路实时监视,将模拟电流信号转换为数字信号,送入DSP对信号进行处理,将谐波与基波分离,并以脉宽调制(PWM)信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲,驱动IGBT或IPM功率模块,生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网,通过闭环自动控制技术纠正偏差,对谐波电流进行补偿或抵消,主动消除电力谐波。有源滤波器原理如下图5。

图5 有源滤波器原理图

3.2 治理效果 投入静止无功发生器和有源滤波器之后,电流测试数据如表3所示。对比表2和表3可知,各次电流总谐波畸变率从17.8%降低至6.1%,原超标的3次、5次、7次、11次谐波电流均未超标。

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 结语

本文主要对大同左云高家窑煤炭铁路专用线进行分析,采用的静止无功发生器和有源滤波器相结合的方式进行无功平衡和谐波治理,通过F协调配置,实时跟踪牵引负荷的波动,进行快速跟踪补偿,具有响应速度快、补偿性能好、谐波滤除效果优良、功率因数提升等明显优势。