電氣化機(jī)車的“清潔”電能

隨著電氣化機(jī)車使用越來越廣泛，會(huì)在電網(wǎng)中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波和負(fù)序污染，如不能在牽引變電站得到及時(shí)治理，將注入電網(wǎng)，降低電能質(zhì)量，隨著城鐵和地鐵的發(fā)展，這一矛盾日益突出。改善電能質(zhì)量的先決條件是對不同工況下的電能質(zhì)量進(jìn)行合理監(jiān)測和細(xì)致分析，而國內(nèi)絕大多數(shù)供電站段都不具有相關(guān)的分析儀器和設(shè)備。針對這一問題，根據(jù)我國電氣化鐵路的自身特點(diǎn)，研制攜帶方便、分析功能強(qiáng)大而且符合鐵路工作習(xí)慣和要求，高性價(jià)比的、多功能、便攜式電能質(zhì)量檢測分析裝置非常必要。

“清潔”的機(jī)會(huì)

根據(jù)電能質(zhì)量定義，首先要針對頻率、無功功率、負(fù)序電流、諧波等參數(shù)進(jìn)行分析測量。牽引供電電能質(zhì)量分析系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初，對電氣化鐵路客運(yùn)專線AT、直供方式的變電所、AT所、分區(qū)所、開閉所的牽引負(fù)荷諧波、負(fù)序、電壓質(zhì)量進(jìn)行固定時(shí)段的最大、最小、平均、95％概率值的統(tǒng)計(jì)分析。

電氣化鐵路客運(yùn)專線AT、直供方式的變電所、AT所、分區(qū)所、開閉所的牽引負(fù)荷諧波、負(fù)序測試由負(fù)荷性質(zhì)決定的其他測試要求：

(1) 客運(yùn)專線供電系統(tǒng)測試，尤其是聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間測試時(shí)間較長，中間常有包括所用電在內(nèi)的全所斷電，測試系統(tǒng)需要具有虛擬儀器的即啟即測、閾值啟停、定時(shí)啟停功能。

(2) 由動(dòng)車組、電力機(jī)車性能及SVC、抑制諧振濾波器性能等決定的對諧波分析、THD計(jì)算至不同的諧波次數(shù)的要求，是否計(jì)算偶次諧波的要求。

(3) 客運(yùn)專線供電系統(tǒng)測試各條饋線電流需要和與其相關(guān)電壓計(jì)算相關(guān)關(guān)系（功率、相位差）。

在硬件方面，電壓及電流需要達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)采樣的速率及精度必須很高，采用了凌華數(shù)據(jù)采集卡（PCI-9846），DVDI系列互感器，電流鉗選用FLUKE i200s交流電流鉗。

圖1總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的軟件部分由LabVIEW開發(fā)平臺編寫。基于虛擬儀器的電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)分為檢測和分析兩大部分。監(jiān)測部分的任務(wù)是將原始電壓電流信號采集并變換成數(shù)字信號，然后顯示出波形和頻譜，存儲并輸出數(shù)據(jù)文件，其包含的功能模塊有數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、圖形顯示模塊、數(shù)據(jù)文件輸出模塊等；分析部分是對監(jiān)測部分輸出的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行系統(tǒng)的深入分析，得出電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果、變化趨勢等，并根據(jù)需要打印出牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析報(bào)表。

衡量效果

結(jié)合根據(jù)牽引供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)出牽引供電系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、站所變比、實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、歷史數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)分析、牽引側(cè)電流和相關(guān)計(jì)算統(tǒng)計(jì)共8個(gè)選項(xiàng)控件。

用基于軟鎖相的FFT諧波檢測和組合小波檢測諧波的方法對電氣化鐵道諧波實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，諧波數(shù)據(jù)來自北京鐵路局石家莊供電段內(nèi)京廣線某變電所、石太客專某變電所和石德線某變電所。處理諧波次數(shù)為2~63次，采樣頻率為256點(diǎn)/周波。記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間為24小時(shí)。牽引供電系統(tǒng)電壓、電流數(shù)據(jù)中根據(jù)車型負(fù)載的不同和牽引變電所供電區(qū)段有無機(jī)車負(fù)載，其諧波含量也有著不同之處，本文主要針對不同車型負(fù)載給牽引供電系統(tǒng)所帶來的諧波進(jìn)行分析。

（1）京廣線某變電所測試

該變電所采用110/27.5kV的阻抗匹配平衡變壓器，牽引變壓器采用三相Vv結(jié)線，110kV側(cè)電壓互感器變比為110kV/100V，電流互感器為300/5A，牽引側(cè)電壓互感器變比為27.5kV/100V，電流互感器變比為1000/5A為采用供電區(qū)間采用直流加回流供電方式供電，該供電區(qū)間運(yùn)行的車型負(fù)載有CRH系列、SS系列機(jī)車和和諧系列貨運(yùn)機(jī)車。

（2）石太客專某變電所測試

該變電所采用110/27.5kV的阻抗匹配平衡變壓器，牽引變壓其采用三相Vv結(jié)線，110kV側(cè)電壓互感器變比為110kV/100V，電流互感器為400/5A，牽引側(cè)電壓互感器變比為27.5kV/100V，電流互感器變比為1200/5A為采用供電區(qū)間采用直流加回流供電方式供電，該牽引變電所只為本條客運(yùn)專線供電，運(yùn)行車型較為單一，主要為CRH系列動(dòng)車。

CRH系列該型機(jī)車取流波形如圖2所示：

圖2 CRH系列該型機(jī)車取流波形

CRH系列該型機(jī)車取流經(jīng)分析后諧波含量直方圖如圖3所示。由圖3知CRH系列該型機(jī)車電力機(jī)車取流幾乎呈現(xiàn)正弦，其取流諧波含量主要集中于3次諧波上。

圖3CRH系列該型機(jī)車取流諧波含量直方圖

(3) 石德線某變電所測試

該變電所采用110/27.5kV的阻抗匹配平衡變壓器，牽引變壓其采用三相Vv結(jié)線，110kV側(cè)電壓互感器變比為110kV/100V，電流互感器為400/5A，牽引側(cè)電壓互感器變比為27.5kV/100V，電流互感器變比為600/5A為采用供電區(qū)間采用直流加回流供電方式供電，藁城變電所供電區(qū)間主要運(yùn)行的機(jī)車多為SS4型貨運(yùn)機(jī)車，客運(yùn)機(jī)車多以內(nèi)燃機(jī)車為主。

SS該型機(jī)車取流波形如圖4所示：

圖4 SS該型電力機(jī)車取流波形

SS該型機(jī)車取流諧波含有量直方圖如圖5所示。SS該型電力機(jī)車的取流諧波主要分布于3次、5次、7次、9次和11次上，并隨著諧波頻率的增加，其諧波含量也隨之減小。

圖5 SS該型機(jī)車取流諧波含量直方圖

不難看出，針對牽引供電對電網(wǎng)污染嚴(yán)重的特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的牽引供電的電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)，可以檢測頻率、負(fù)序電流、無功功率、諧波等參數(shù)。硬件上數(shù)據(jù)卡采用了凌華高速數(shù)據(jù)采集卡，保證了數(shù)據(jù)采集的速度和精度。目前該檢測系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在多條客運(yùn)專線上，性能穩(wěn)定可靠。