石门北牵引变电所电能质量治理的调研与思考

何春生

1 基本概况

1.1 牵引负荷特性概述

目前广泛使用的交直交电力传动机车是通过交流方式供电，整流器将交流整流为直流，再逆变为交流，从而驱动交流电动机运行，其整流器通常采用可使功率因数接近于1的四象限脉冲整流器，逆变器大多采用电压型逆变器。交直交电力机车功率因数高，高次谐波少，对电网污染小，目前新建铁路电力机车均采用这种供电控制方式，比较典型的有CRH动车组、标准动车组及和谐HXD系列电力机车等。而早期的电力机车多采用交直型机车，其相较交直交机车存在功率因数低、低次谐波含量高等较严重的电能质量问题，新制造的电力机车已不再采用交直型制式；但目前该型机车尚未完全退出运行，部分铁路仍有存量尚在运行。

由于全路各线路各牵引变电所供电臂上运行的负荷类型、机车（动车）数量随着运行图调整而不断变化，因此各牵引变电所负荷也各具特性。

1.2 石门北牵引变电所简况

石长线为国家Ⅰ级铁路，时速120 km，客货 混跑，石门北牵引变电所采用AT供电方式为其提供电源，主变采用三相V/v接线型式，输出电压为110 kV/55 kV(2×27.5 kV)，安装容量为2×(12.5+8) MV·A，其牵引负荷除交直交型列车外还包含一部分交直型列车。该牵引变电所供电系统简化拓扑如图1所示，变压器参数见表1。

图1 石门北V/v牵引供电系统简化拓扑结构

表1 V/v变压器参数

2 电铁牵引变电所统一电能质量控制系统（UPMS）概述

石门北牵引所最初投运时存在牵引变压器安装容量不足、功率因数偏低、谐波电流超标等电能质量问题。国网湖南省电力公司牵头，联合相关单位开展技术攻关，研发了电铁牵引变电所统一电能质量控制系统（UPMS）[1]。

UPMS系统由有源部件[2]（开关装置、单相隔离变压器、集装箱式背靠背潮流控制器）和无源部件[2]（滤波装置和控制与保护系统）组成。系统样机模块结构如图2所示，结构原理如图3所示。

图2 工程样机模块结构

图3 UPMS结构原理

（1）集装箱式背靠背潮流控制器。图4所示为集装箱式背靠背潮流控制器结构，采用户外集装箱式结构，由多重背靠背潮流控制器模块、控制系统和水冷装置构成，实现功率调节的具体执行功能。

图4 集装箱式背靠背潮流控制器模块结构（PFC）

（2）单相隔离降压变压器。单相隔离变压器主要实现降压及一二次侧之间电气隔离。

（3）FC无功补偿兼滤波装置。无源部分由LC调谐支路构成，分别挂于两馈线上，主要用于无功功率固定补偿和谐波治理。

（4）控制和保护系统。控制系统通过与背靠背潮流控制器及站内第三方设备通信，实现数据采集；同时完成整个UPMS系统的控制功能。

3 应用效果

3.1 110 kV侧功率因数概率密度对比

110 kV侧功率因数治理前后数据见表2。

表2 110 kV侧功率因数治理前后对比

由表2可见，UPMS装置投入前功率因数主要分布在0.36～0.78，功率因数较低；治理后功率因数主要分布在0.94～1，功率因数得到大幅提高。

3.2 110 kV侧电压不平衡度数据对比

110 kV侧电压不平衡度治理前后数据见表3。

表3 电压不平衡度治理前后数据 %

由表3可见，治理前110 kV侧电压不平衡度95%概率值为2.74%，大于国标要求值（2%），治理后降为0.56%，满足国标要求[4]。

3.3 电压谐波总畸变率对比

电压谐波总畸变率治理前后数据见表4。

表4 电压谐波总畸变率治理前后数据 %

由表4可见，治理前110 kV侧三相电压谐波总畸变率都超过国标要求（2%），治理后均满足国标要求[4]。

3.4 谐波电流对比

治理前后的低次谐波电流数据见表5。

表5 低次谐波电流对比 A

由表5可知：治理前，三相3次、5次、21次及C相7次谐波电流均超标；治理后，低次谐波电流均未超标[4]。

3.5 牵引变电所两供电臂馈线电压参数对比

牵引变电所两供电臂馈线电压参数治理前后数据对比见表6。

表6 供电臂馈线电压

由表6可见：治理后a相供电臂母线电压标准差从1.029 kV减小到0.415 kV，b相供电臂母线电压标准差从0.719 kV减小到0.396 kV，表明电压波动有较大改善；治理后a相供电臂母线电压最小值从23.18 kV提高到25.62 kV，b相供电臂母线电压最小值从23.86 kV提高到26.20 kV，表明接触网电压跌落显著减小，从而改善了供电臂末端供电能力[3]。

3.6 技术特点

UPMS系统装置可应用于本线各类型牵引变压器，用于V/v接线变压器可取代平衡变压器。装置采用模块化设计，扩容方便，结构设计灵活；开放性、兼容性强，易与所内设备实现互联互通，替代现有补偿装置；在变压器容量固定的情况下，可延长供电臂长度，提高选址灵活性；在供电臂长度不变的情况下，可提高牵引变电所负载能力；装置可根据需要执行投退，不影响牵引变电所正常供电。

4 存在的主要问题

为解决石长线石门北牵引所的变压器安装容量不足、功率因数偏低、低次谐波超标、外部环境复杂等问题而研发的UPMS系统设备有较强的针对性。UPMS系统设备自投入以来运行良好，石门北牵引所存在的负序、功率因数偏低等问题基本得到治理；同时，解决了牵引所的主变容量不足的情况，对低次谐波也有一定滤除作用。但该装置同时存在以下问题：

（1）UPMS系统自2015年投运以来一直在不断改进，设备至今未彻底定型和获得认证。铁路运输对装备可靠性的要求较高，该系统由大量电子元件构成，设备上道需通过定型和认证评审，目前的UPMS系统设备难以满足铁路运输安全要求。

（2）UPMS系统设备投资大（约600万元），需要进一步优化降低设备成本。

（3）UPMS系统设备占地面积较大（约400 m2），加上原变电所场坪设计面积就未满足国家规定要求的占地面积控制标准。即使是常规牵引变电所的场坪面积仍无法满足设置治理设备的条件，需进一步推进该设备的集成化以减少对空间的占用。

5 思考与建议

（1）目前国内仍沿用1993年全国电压电流等级和频率标准化委员会出台的谐波标准，该标准不适合于电气化铁路[4]，至今国家电网与铁路双方仍对谐波标准存在分歧，也无治理谐波的设计依据。

（2）石门北牵引所的UPMS系统设备主要是针对改善交直型机车存在的无功、低次谐波、变压器容量不足等问题。而新建的客运专线铁路多采用220 kV电源，新增的牵引变压器安装容量具有冗余，且采用的动车组为交直交机车，不存在功率因数低、低次谐波方面的问题，即使可能出现质量问题也是少量高次谐波。

（3）在新线建设中，早期电能质量评估采用的机车类型、频谱、行车组织等各类数据存在局限性，不能科学、有效地预测铁路建成开通后电能质量实际状况，因此预测的数据不能作为电能质量评估计算的依据。

（4）针对不同的铁路线别、行车组织、机车类型和外部电源条件，考虑该UPMS系统设备的研发背景、条件和UPMS系统设备未定型、未认证，并且造价高、占地面积大以及各个牵引所接引不同的电力公共联结点和不同的负荷特性等原因，该UPMS系统设备不具备照搬至全路其他各牵引变电所的条件，特别是客运专线。

（5）电网和铁路双方尚未就谐波标准达成一致，由于不同车型会带来不同的电能质量问题，不同外部电源条件会产生不同的计算结果，因此电能质量问题及治理方案需要双方加快研究及工程应用，出台相应的电能质量治理管理办法，以便为设计单位和基层单位开展相应工作提供依据和参考。