电气化机车的“清洁”电能

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2012年12月4日  北京讯
          随着电气化机车使用越来越广泛，会在电网中会产生大量的谐波和负序污染，如不能在牵引变电站得到及时治理，将注入电网，降低电能质量，随着城铁和地铁的发展，这一矛盾日益突出。改善电能质量的先决条件是对不同工况下的电能质量进行合理监测和细致分析，而国内绝大多数供电站段都不具有相关的分析仪器和设备。针对这一问题，根据我国电气化铁路的自身特点，研制携带方便、分析功能强大而且符合铁路工作习惯和要求，高性价比的、多功能、便携式电能质量检测分析装置非常必要。
           
          “清洁”的机会
          根据电能质量定义，首先要针对频率、无功功率、负序电流、谐波等参数进行分析测量。牵引供电电能质量分析系统在设计之初，对电气化铁路客运专线AT、直供方式的变电所、AT所、分区所、开闭所的牵引负荷谐波、负序、电压质量进行固定时段的最大、最小、平均、95％概率值的统计分析。
           
          电气化铁路客运专线AT、直供方式的变电所、AT所、分区所、开闭所的牵引负荷谐波、负序测试由负荷性质决定的其他测试要求：
          (1) 客运专线供电系统测试，尤其是联调联试期间测试时间较长，中间常有包括所用电在内的全所断电，测试系统需要具有虚拟仪器的即启即测、阈值启停、定时启停功能。
          (2) 由动车组、电力机车性能及SVC、抑制谐振滤波器性能等决定的对谐波分析、THD计算至不同的谐波次数的要求，是否计算偶次谐波的要求。
          (3) 客运专线供电系统测试各条馈线电流需要和与其相关电压计算相关关系（功率、相位差）。
           
          在硬件方面，电压及电流需要达到一定标准，系统采样的速率及精度必须很高，采用了凌华数据采集卡（PCI-9846），DVDI系列互感器，电流钳选用FLUKE i200s交流电流钳。
           

       

        图1总体设计方案

         

          系统的软件部分由LabVIEW开发平台编写。基于虚拟仪器的电能质量检测系统分为检测和分析两大部分。监测部分的任务是将原始电压电流信号采集并变换成数字信号，然后显示出波形和频谱，存储并输出数据文件，其包含的功能模块有数据传输模块、数据分析模块、图形显示模块、数据文件输出模块等；分析部分是对监测部分输出的数据文件进行系统的深入分析，得出电能质量各项指标参数的统计结果、变化趋势等，并根据需要打印出牵引供电系统的电能质量分析报表。
           
          衡量效果
          结合根据牵引供电系统的特点，利用LabVIEW软件设计出牵引供电系统参数设置、站所变比、实时波形数据、数据实时分析、历史数据、历史数据分析、牵引侧电流和相关计算统计共8个选项控件。
           
          用基于软锁相的FFT谐波检测和组合小波检测谐波的方法对电气化铁道谐波实测数据进行分析，谐波数据来自北京铁路局石家庄供电段内京广线某变电所、石太客专某变电所和石德线某变电所。处理谐波次数为2~63次，采样频率为256点/周波。记录数据的时间为24小时。牵引供电系统电压、电流数据中根据车型负载的不同和牵引变电所供电区段有无机车负载，其谐波含量也有着不同之处，本文主要针对不同车型负载给牵引供电系统所带来的谐波进行分析。
           
          （1）京广线某变电所测试
          该变电所采用110/27.5kV的阻抗匹配平衡变压器，牵引变压器采用三相Vv结线，110kV侧电压互感器变比为110kV/100V，电流互感器为300/5A，牵引侧电压互感器变比为27.5kV/100V，电流互感器变比为1000/5A为采用供电区间采用直流加回流供电方式供电，该供电区间运行的车型负载有CRH系列、SS系列机车和和谐系列货运机车。
           
          （2）石太客专某变电所测试
          该变电所采用110/27.5kV的阻抗匹配平衡变压器，牵引变压其采用三相Vv结线，110kV侧电压互感器变比为110kV/100V，电流互感器为400/5A，牵引侧电压互感器变比为27.5kV/100V，电流互感器变比为1200/5A为采用供电区间采用直流加回流供电方式供电，该牵引变电所只为本条客运专线供电，运行车型较为单一，主要为CRH系列动车。
           
          CRH系列该型机车取流波形如图2所示：
           

       

        图2 CRH系列该型机车取流波形

         

          CRH系列该型机车取流经分析后谐波含量直方图如图3所示。由图3知CRH系列该型机车电力机车取流几乎呈现正弦，其取流谐波含量主要集中于3次谐波上。
           

       

        图3CRH系列该型机车取流谐波含量直方图

         

          (3) 石德线某变电所测试
          该变电所采用110/27.5kV的阻抗匹配平衡变压器，牵引变压其采用三相Vv结线，110kV侧电压互感器变比为110kV/100V，电流互感器为400/5A，牵引侧电压互感器变比为27.5kV/100V，电流互感器变比为600/5A为采用供电区间采用直流加回流供电方式供电，藁城变电所供电区间主要运行的机车多为SS4型货运机车，客运机车多以内燃机车为主。
           
          SS该型机车取流波形如图4所示：

       

        图4 SS该型电力机车取流波形

         

          SS该型机车取流谐波含有量直方图如图5所示。SS该型电力机车的取流谐波主要分布于3次、5次、7次、9次和11次上，并随着谐波频率的增加，其谐波含量也随之减小。
           

       

        图5 SS该型机车取流谐波含量直方图

         

          不难看出，针对牵引供电对电网污染严重的特点，所设计的牵引供电的电能质量检测系统，可以检测频率、负序电流、无功功率、谐波等参数。硬件上数据卡采用了凌华高速数据采集卡，保证了数据采集的速度和精度。目前该检测系统已经应用在多条客运专线上，性能稳定可靠。
           
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