铁路客站谐波分析及其治理措施

李宏刚,赵 欣

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

1 概述

随着铁路客站的快速发展,铁路用电负荷出现了一些新的变化：用电量迅速增长；体现以人为本的电子顾客服务系统增多；变频器、电子镇流器等节能设备广泛运用；供电可靠性要求越来越多,UPS电源越来越多；电气设备的新技术被广泛运用。这些变化使铁路客站的电力供电系统中谐波含量增高,给供电可靠性及设备安全运行带来了一定的隐患。本文分析了铁路客站的主要谐波源,并针对存在的问题,对中小型站房、大型及特大型站房提出了谐波综合治理方案。

2 铁路客站的主要谐波源及其特征

2.1 铁路客站的主要谐波源

目前铁路客站中的主要用电负荷有照明负荷、自动扶梯、垂直电梯、消防水泵、潜水泵、普通风机、排烟风机、通信系统设备、信号系统设备、FAS系统设备、BAS系统设备、空调、显示屏、电加热设备、安检设备、冷冻机、UPS电源、计算机设备等。铁路客站人员密集,负荷比较集中,设备安装容量、性质差异较大,因此供电可靠性要求比较高。根据测试数据,产生谐波的主要负荷有照明负荷、LED显示屏、安检设备、UPS电源、冷水机组、变频空调、变频风机等。

2.2 铁路客站主要谐波源特征

根据现场测量数据分析,铁路客站主要谐波源的谐波特征见表1。

表1 谐波源的谐波特征

3 谐波的主要潜在危害

3.1 对变压器的影响

谐波电流使变压器的铜耗增加,引起局部过热,振动,噪声增大,绕组附加发热等；谐波电压引起的附加损耗使变压器的磁滞及涡流损耗增加,当系统运行电压偏高或三相不对称时,励磁电流中的谐波分量增加,绝缘材料承受的电气应力增大,影响绝缘的局部放电和介质增大。对三角形连接的绕组,零序性谐波在绕组内形成换流,使绕组温度升高。

3.2 对低压电力电缆的影响

谐波使电缆的介质损耗、输电损耗增大,泄漏电流上升,温升增大及干式电缆的局部放电增加,引发单相接地故障的可能性增加。此外由于电力电缆的分布电容对谐波电流有放大作用,在系统负荷低谷时,系统电压上升,谐波电压升高,引起电缆介质不稳定,容易发生故障。

3.3 对电力电容器的影响

并联电容器组投入时,一方面由于电容器组的谐波阻抗小,注入电容器组的谐波电流大,使电容器过负荷而严重影响其使用寿命,另一方面当电容器组的谐波容抗与系统等效谐波感相等而发生谐振时,引起电容器谐波电流严重放大使电容器过热而导致损坏。因此电压谐波和电流谐波超标使电容器的工作电流增大,造成电容器的损坏增加、发热异常、绝缘加速老化而导致使用寿命降低,甚至造成损坏事故。此外,谐波使工频正弦波形发生畸变,产生锯齿状尖顶波,易在绝缘介质中引发局部放电,长时间的局部放电也会加速绝缘介质的老化、自愈性能下降,而容易导致电容器损坏。

3.4 对继电保护整定的影响

继电保护正常运行中,当电源谐波分量较高时,可能会引起过电压保护、过电流保护的误动作。

4 铁路客站谐波治理方案

根据测量数据及理论分析,结合铁路客站的负荷特点,针对中小型站房、大型及特大型负荷,确定了合理的谐波治理方案。

4.1 中小型站房

4.1.1 站房的主要谐波源

中小型站房面积较小,室内的设备负荷较小,主要的用电负荷有照明、信息设备、水泵、消防泵、风机、空调、显示屏、电加热设备、安检设备等。对于中小型车站,风机、空调、水泵、消防泵容量较小,基本上采用了直接启动,以上负荷基本产生谐波量很少,产生谐波的主要用电负荷包括荧光灯、金卤灯、安检设备、信息设备的UPS电源、信息显示屏等。

4.1.2 谐波治理方案

对于中小型铁路客站,站房的10 kV电源基本上由地方公网的35 kV及以上等级的变配电所引来,站房的用电容量一般不会超过当地供电公司的短路容量的0.1%,此外中小型客站的谐波源,如荧光灯、金卤灯、安检设备、信息设备的UPS电源、信息显示屏等安装容量占变压器总安装容量小于10%。

参照IEC标准规定(第1级用电单位协议容量与公共连接点的短路容量之比不大于0.1%时,允许直接接入),铁路客站的中小型站房的谐波量比较小,一般不会超过标准规定,可采用串联调谐电抗器的电容组进行无源滤波,在提高功率因数的同时,防止串联谐振。

4.2 大型及特大型站房

4.2.1 站房的主要谐波源

目前国内的大型及特大型铁路站房的面积较大,用电负荷比较多,主要的用电负荷有照明、信息设备、水泵、消防泵、风机、空调、显示屏、电加热设备、安检设备、扶梯、冷水机组等。对于大型及特大型铁路客站,产生谐波的用电负荷主要有荧光灯、金卤灯、安检设备、信息设备的UPS电源、信息显示屏、带变频器的用电设备(变频空调、变频风机、变频电梯、大型变频冷水机组、变频水泵)等。

对于大型车站及特大型车站,谐波源比较复杂,如照明负荷、安检设备、UPS电源、变频空调、LED显示屏分布于站房内的各个空间,负荷较小,用电点较多；如冷水机组、进站大型LED显示屏单个设备的用电量比较大,有的安装容量高达600 kW以上,供电点单一,产生的谐波较大。针对以上特点,结合天津站、北京南站的测试数据,大型及特大型铁路客站的谐波治理采取综合治理方案。

4.2.2 滤波综合治理的具体方案

(1)合理选择低压电气设备,使其符合GB17625和IEC6100规程允许的谐波电流发射限值。

(2)合理确定变压器接线方式。

(3)对于谐波比较敏感的重要负荷单独供电。

(4)变电所低压母线侧集中设置无源滤波器+有源滤波器作为的无功功率补偿及谐波治理装置。

(5)对于谐波含量较大的单个设备或设备组的安装容量大于100 kW,采用专用回路供电,并就地设置有源波源器进行补偿。

5 谐波电流计算

5.1 单台非线性设备的谐波电流计算

基波电流为

谐波电流为

In=THDI×I1

式中,I1为基波电流；IR为计算电流；In为谐波电流；THDI为电流畸变率。

5.2 变电所低压母线处的谐波计算

5.2.1 单台谐波源的谐波电流计算

式中，In为谐波电流；IN为设备额定电流；SN为设备额定容量；UN为系统额定电压；THDI为谐波电流畸变率(由设备制造商提供)。

5.2.2在同一配电线路同一相上两个谐波源的同次谐波电流计算

式中，In1,In2分别为谐波源1、2的第n次谐波电流；θn为谐波源1、2的第n次谐波电流之间的相位角；Kn为系数，见表2。

表2 系数Kn值

同一配电线路有2个以上谐波电流迭加时,应首先将2个谐波电流迭加,然后再与第3个谐波电流相加,以此类推。

5.2.3 低压母线侧合成谐波电流

式中,In为n次谐波电流的合成谐波电流；In1,In2,In3,……分别为1、2、3……个谐波源的第n次谐波电流；常数a见表3。

表3 常数a值

5.2.4 谐波电压

Un=In·Zn

式中，Un为谐波电压力；In为公共连接点的系统谐波电流；Zn为公共连接点的系统谐波阻抗。

其中，n为谐波次数；X1HV为高压系统的电抗；X1TV为变压器的电抗；X1F为从连接点到母线间的馈线电抗。

6 滤波器的容量选择

谐波治理目标值依电压总谐波畸变率、注入公共连接点的谐波电流允许值满足GB14549—1993的限值为准。

根据GB14549—1993规定,谐波电压限值见表4。

表4 公共电网谐波电压限值

根据GB14549—1993规定,注入公共连接点的谐波电流允许值见表5。

表5 注入公共连接点的谐波电流允许值 A

6.1 无源滤波器

无源滤波器是由调谐电抗器和补偿电容器组。

6.1.1 电抗器的选择

《并联电容器装置设计规范》(GB50227—95)中关于电抗值的规定“用于抑制谐波,当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为5次以上时,宜取4.5%～6%；3次以上时,宜取12%,亦可取4.5%～6%与12%两种电抗器。”

由表6可知,在电抗率在5%～6%间的滤波器,可吸收50%～60%的5次谐波；电抗率在7%的滤波器,可吸收15%～20%的5次谐波；电抗率在12.5%的滤波器,可吸收50%以上的3次谐波。

表6 电抗率与调谐频率

6.1.2 补偿容量的选择

无源滤波器主要功能是补偿功率因数,避免发生谐振,并吸收部分主要谐波,故容量选择时参照无功功率补偿容量计算,即

式中，Qc为补偿容量；a为平均系数；pjs为计算有功功率；tanφ1为补偿前功率因数角的正切值；tanφ2为补偿后功率因数角的正切值。

6.2 有源滤波器

6.2.1 方案

有源滤波器采取2种方案。

方案一：无源滤波器处理配电系统中的主要谐波

电流,有源滤波器处理无源滤波器过滤后剩余的滤波电流及波动部分。

方案二：无源滤波器处理较高次谐波,并吸收电源侧输入的谐波电流,避免串联谐振,有源滤波器处理较低次谐波。

结合铁路客站负荷特点以及设备对谐波的敏感性要求,推荐采用方案二来实现谐波治理。

6.2.2 补偿容量选择

利用设备畸变率及上述公式计算出系统的各次谐波电流,扣除无源滤波器吸收部分,减去GB14549—1993规定的注入公共连接点的谐波电流允许值,即可计算出补偿容量。

7 结语

目前,铁路客站发展比较快,而且对于每个城市来说,铁路客站均与城市发展方向密切相关,特别是大型及特大型站房一般位于省会城市或副省会城市,是一个城市的交通运输枢纽,供电的可靠直接影响着公共秩序和社会稳定。近几年来,由于谐波的影响,造成补偿电容器组着火,低压总进线跳闸,影响了正常的供电秩序,造成了一定的社会影响。因此根据现场的测量数据,参考了有关的电网谐波文献,对铁路客站的谐波危害及治理进行了初步的研究,有助于提高铁路客站的供电可靠性,延长了配电电缆、变压器、变频器等设备的使用寿命；减少了注入电力系统的3、5、7次谐波；提高了微机保护装置的可靠性、准确性；减少了电能损耗,节省了用电量。

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