城市轨道交通牵引供电系统谐波分析

城市轨道交通研究

2004年

󰀁

城市轨道交通牵引供电系统谐波分析

李建民󰀁尹传贵

1)

2)

(1)郑州铁路职业技术学院,450052,郑州;2)铁道第四勘察设计院,430063,武汉󰀁第一作者,副教授)

摘󰀁要󰀁结合电力系统谐波危害及防治措施,阐述了城市轨道交通牵引供电系统整流机组对电网的影响,并对其危害进行了理论数据分析,在此基础上提出了解决的方法及措施。城市轨道交通牵引变电所应采用24脉波整流机组。谐波电流应以计算值为参考、以实测值为基准的原则采取防治措施。

关键词󰀁城市轨道交通,供电系统,谐波电流,24脉波整流机组

中图分类号󰀁U231+.8

OnInter-harmonicstoElectricSupplySystemofRailTransit

LiJianmin,YinChuangui

Abstract󰀁Withananalysisoftheharmonicsdamagetopow-ersystemofrailtransitandthepreventivemeasures,thispa-percollectsthemeasuredinter-harmonicscurrentata35kVsystemandholdsthat,theelectricpowersystemofrailtran-sitshallbeequippedwith24-pulserectifier,thepreventivemeasuresshallrefertothecalculatedresultoftheharmoniccurrentandtakethiscalculationasastandardforprotection.Keywords󰀁urbanrailtransit,powersupplysystem,har-moniccurrent,24-pulserectifier

First-author󰀁saddress󰀁ZhengzhouRailwayVocationalandTechnicalCollege,450052,Zhengzhou,China

生误动或拒动,直接危及电网的安全运行;

(2)使各种电气设备产生附加损耗和发热,使电机产生机械振动及噪声;

(3)谐波电流在电网中流动,作为一种能量,最终要消耗在线路及各种电气设备上,从而增加损耗,影响电网及各种电气设备的经济运行;

(4)由于电网中谐波电流的存在,通过电磁感应、电容耦合以及电气传导等作用,对周围的通信系统产生干扰,从而降低信号的传输质量;

(5)谐波使电网中广泛使用的各种仪表,如电压表、电流表、有功及无功功率表、功率因数表、电度表等产生误差;

(6)增加电网中发生谐波谐振的可能,从而造成过电流或过电压引起的危险。

总之,高次谐波电流通过变压器,可使变压器的铁芯损耗明显增加,从而变压器出现过热,效率降低,缩短变压器的寿命。高次谐波对电网的影响也是如此,电缆内耗加大,电缆发热,缩短电缆的使用寿命;对电动机影响更大,不仅损耗增加,还会使电动机转子振动;而高次谐波对电容的影响更为突出,含有高次谐波的电压加至电容两端时,由于电容器对高次谐波的阻抗很小,所以电容器很容易发生过负荷导致损坏。高次谐波的干扰,往往还会导致供电空气开关误动作,造成电网停电,严重影响用电设备的正常工作。同时,高次谐波对通讯设备也产生干扰信号。

1󰀁谐波的产生及其危害

高次谐波产生的原因主要是由于电力系统中存在非线性元件及负载,如:电容性负载、感性负载及开关变流设备(诸如电动机、整流装置等)。由于其为储能元件或变流装置,故使电压、电流波形发生畸变。此外,由于操作、系统振荡、电弧、雷电影响等因素,也会产生谐波。

城市轨道交通牵引供电系统采用整流机组向电动车组提供直流电源,因此不可避免产生谐波。当谐波含量超过一定范围时,对城区电力系统可能产生以下主要危害:

(1)可能使电力系统的继电保护和自动装置产󰀁46󰀁2󰀁解决谐波的方法及措施

由于电力系统的谐波参数和背景谐波难以分析计算,目前谐波影响评估都采用设计阶段进行模拟计算,工程投运前后进行谐波电流、电压实测,然后根据线路的运行情况,进行技术经济比较,确定减少谐波影响的措施。

2.1󰀁高次谐波抑制的基本方式

(1)三相整流变压器采用Y/󰀁或󰀁/Y联接,这样可以消除3的整数倍的高次谐波,电网中的谐波

󰀁

第6期

学术专论󰀁

尤其是12脉波整流谐波含量最大的11、13次谐波可减少80%以上,这样从谐波产生的源头减少了谐波含量。

采用24脉波整流机组大大减少了11、13次谐波含量,但是23、25次谐波含量较大。同时,由于整流机组产生谐波次数较高,与谐波传输路径、电缆特性参数、供电网络构成、设备参数等因素有关,需要结合供电网络实际情况进行谐波仿真计算后再分析评估。2.3󰀁城市轨道交通供电系统谐波电流的模拟计算2.3.1󰀁计算条件

假定110kV侧系统短路容量为2000MVA;城区220kV变电站单台主变压器安装容量150MVA;中压环网电缆采用35kV单芯95mm2、120mm、240mm电缆参数;各牵引变电所整流机组为高次谐波电流源;牵引负荷为远期高峰小时负荷。2.3.2󰀁计算结果

图1󰀁分流滤波器

2

2

电流只有5、7、11、13等奇次谐波。

(2)增加整流变压器二次侧的相数。整流变压器二次侧的相数越多,整流波形的脉波数越多,奇数低的谐波被消去的也越多。

(3)装设分流滤波器。分流滤波器由电阻R、电容C、电感L等元件组成(见图1)。串联谐振电路一般采取三相星形联接,它往往接在大型整流设备与电网的联接处。

在理想情况下,对于24脉波整流方式,网侧电流中只含有23和25次及以上特征谐波。实际上,由于各种非理想因素(如电网电压不对称和触发延迟不对称等)的存在,不可避免地产生非特征次数的谐波。24脉波整流方式,网侧电流中还含有5、7、11、13、23和25次谐波。按照整流器厂家和电力工业部电气设备质量检测测试中心测试报告中提供的数据,对24脉波整流机组而言,23次谐波最大,其次顺序为25、5、7、11、13次。现通过对n次谐波电流含有率以及电流谐波总畸变率分析整流机组以下电力电子设备对35kV侧电力系统的谐波影响。根据整流器厂家和电力工业部电气设备质量检测测试中心测试报告中提供的24脉波整流机组(IF/IN:80%时)各次谐波含量典型值,计算出各牵引变电所整流机组所产生的高次谐波电流在牵引变电所35kV的分布(见表1,以某地铁线供电系统分析为例)。

A

23次谐波电流

0.6080.9380.9160.8540.7640.7220.8080.9320.7880.6720.456

25次谐波电流

0.5180.7980.7800.7260.6500.6140.6880.7080.6700.5920.388

11次谐波电流

0.0340.0520.0520.0480.0440.0400.0440.0460.0440.0380.038

13次谐波电流

0.0240.0380.0380.0360.0320.0300.0340.0340.0320.0260.018

󰀁󰀁(4)装静止无功补偿装置。

(5)采用有源滤波装置。

2.2󰀁城市轨道交通供电系统谐波影响的改善措施

城市轨道交通供电系统减少谐波影响的措施主要是采用高脉波数的整流机组。这是因为整流机组产生谐波电流次数与整流机组输出脉波数有关。理想情况下,反映到整流机组高压侧产生的谐波电流次数为(k󰀁P󰀁1)的整数倍(式中P为整流机组脉波数,k为正整数)。整流机组脉波数越高,产生较低次谐波越少,对系统影响也越小。

我国20世纪90年代建成的上海地铁1号线和广州地铁1号线采用12脉波整流机组,而后建成的地铁线路均采用24脉波整流机组。由于24脉波整流机组产生的谐波电流较12脉波整流谐波含量少,

表1󰀁各牵引变电所整流机组所产生的高次谐波电流

牵引变电所魁奇路同济路站朝安站雷岗公园站南海汽车站花博园站西朗站芳村大道站江燕路站南州客运站沥

站

5次谐波电流

0.4380.6740.6600.6140.5480.5200.5800.5980.5660.4840.328

7次谐波电流

0.0980.1520.1480.1380.1240.1160.1300.1340.1280.1080.074

󰀁47󰀁󰀁

城市轨道交通研究

畸变率不超过允许值。

2004年

󰀁

󰀁󰀁电力部门对用户谐波影响的考核,是根据GB/T14549-93的要求,用户注入电网公共节点(PCC)的各次谐波电流值不超过允许值,同时总谐波电压

(1)各主变电所正常运行,远期高峰小时注入系统PCC点(110kV侧)谐波计算结果见表2。

A

右侧母线0.2820.0640.0220.0140.3930.3340.125

规定的允许值

6.005.224.363.942.342.121.6

表2󰀁各主变电所注入电网PCC点的谐波电流(1)

谐波种类5次谐波电流7次谐波电流11次谐波电流13次谐波电流23次谐波电流25次谐波电流总谐波电压畸变率THD/(%)

石溪主变电所左侧母线0.2230.0500.0170.0130.3110.2640.099

右侧母线0.2040.0440.0170.0110.2840.2420.090

坑口主变电所左侧母线0.1560.0350.0120.0090.2170.1840.069

右侧母线0.2390.0540.0190.0140.3330.2840.106

朝安主变电所左侧母线0.2260.0510.0170.0130.3140.2670.099

󰀁󰀁(2)远期高峰小时主变电所一台主变压器解列退出运行,由另一台主变压器向该所供电范围内牵引负荷及动力照明一、二级负荷供电时注入系统PCC点谐波计算结果见表3。

󰀁󰀁(3)远期高峰小时,一座主变电所解列退出运行,由另两座变电所负担全线牵引及动力照明一、二级负荷时,主变电所注入系统PCC点谐波计算结果见表4。

表3󰀁各主变电所注入电网PCC点的谐波电流(2)󰀁A

朝安主

变电所

5次谐波电流7次谐波电流11次谐波电流13次谐波电流23次谐波电流25次谐波电流总谐波电压畸变率THD/(%)

0.3630.0830.0290.0210.5100.4340.162

坑口主变电所0.2770.0620.0220.0160.3850.3270.122

石溪主变电所0.3010.0680.0240.0170.4190.3560.133

规定的允许值6.005.224.363.942.342.121.60

表4󰀁各主变电所注入电网PCC点的谐波电流(3)

谐波种类

石溪主变电所(坑口主变电所解列)左侧母线

5次谐波电流7次谐波电流11次谐波电流13次谐波电流23次谐波电流25次谐波电流总谐波电压畸变率THD/(%)

0.2350.0520.0180.0130.3280.2790.104

右侧母线0.2690.0600.0210.0100.3740.3180.118

坑口主变电所(石溪主变电所解列)左侧母线0.2780.0620.0220.0160.3870.3290.123

右侧母线0.3200.0700.0240.0180.4440.3780.140

朝安主变电所(坑口主变电所解列)左侧母线0.2810.0630.0220.0160.3910.3420.126

右侧母线0.3320.0750.0240.0190.4620.3930.147

坑口主变电所(朝安主变电所解列)左侧母线0.2980.0670.0230.0170.4140.3530.131

右侧母线0.3530.0790.0270.0200.4850.4140.154

6.005.224.363.942.342.121.6

A

规定的允许值

3󰀁结语

(1)各牵引变电所采用24脉波整流机组,并在远期高峰小时最大负荷及电力系统最小运行方式条件下,进行谐波电流计算,由供电系统注入PCC点的各次谐波电流值不超过国标允许值,同时PCC点总谐波电压畸变率THD也不超过国标允许值。这也是城市轨道交通采用24脉波整流机组的主要原因之一。

(2)随着城市电网的发展,系统谐波阻抗会发生󰀁48󰀁变化,且系统在不同运行方式下,谐波阻抗也会发生变化。此外由于一些不确定因素的影响,应采取谐波电流计算值作为参考、以实测值为基准的原则。新建系统必须充分考虑实测值,并以此采取措施,完善谐波电流理论计算的修正方法。

(3)尽管通过谐波计算谐波电流及总谐波电压畸变率均符合标准,但由于谐波产生因素的不确定性,因此仍建议主变电所设置如图2的滤波装置或预留滤波装置,以减少对城市轨道交通电力系统的影响。

󰀁

第6期

学术专论󰀁

城市轨道智能交通系统研究与体系结构设计

赵成光

(北京交通大学交通运输学院,100044,北京󰀁硕士研究生)

摘󰀁要󰀁依据ITS理论与系统工程思想,在分析城市轨道交通特点的基础上,提出城市轨道智能交通系统(UMITS)的概念,并对UMITS的基本构成进行了论述。对UMITS体系中综合监控系统(ISCS)的功能与结构进行了论述,对旅客向导系统(PIS)的服务内容与功能重新进行了定义。

关键词󰀁新交通系统,城市轨道智能交通系统,综合监控系统,旅客向导系统中图分类号󰀁U239.5

ResearchofUrbanRailIntelligentTransportationSys-temandSystematicStructureDesignZhaoChengguang

Abstract󰀁AccordingtoITStheoryandtheconceptionofSystemsEngineering,thispaperclarifiesthenotionofUrbanRailIntelligentTransportationSystem(URITS)afteranana-lysisofthefeaturesofURT,discussesthemainstructureofUrbanRailIntelligentTransportationSystem,thefunctionandstructureofIntegratedSupervisoryandControlSysteminURITS,andfinallyredefinestheservicesandfunctionsofPassengerInformationSystem.

Keywords󰀁newtrafficsystems,urbanrailintelligenttrans-portationsystem,integratedsupervisoryandcontrolsystem,passengerinformationsystem

Author󰀁saddress󰀁CollegeofTrafficandTransportation,BeijingJiaotongUniv.,100044,BeijingChina

󰀁󰀁智能交通系统(IntelligentTransportationSys-tem,简称ITS)是最近十几年提出的新概念。从城市交通系统来看,无论是公共交通,还是非公共交通

部分,ITS的研究还仅局限在道路交通,对于城市轨道交通鲜有涉及。

从另外角度讲,城市轨道交通系统作为先进的公共交通系统(APTS)组成部分,已被纳入ITS体系。但由于城市轨道交通的独特性,城市轨道智能交通系统(UrbanMassIntelligentTransportationSystem,简称UMITS)各组成要素与传统ITS不同,可以将其作为独立的系统进行研究。ITS(主要指道路)所解决的本质问题是:如何将交通高峰时期的车辆有效地分布在道路网中,尽量缩短人们的出行时间。城市轨道智能交通系统的研究对这一本质问题的解决提供了新的思路。即将交通高峰时的部分人流有效地分布在城市轨道交通网中,并间接影响与之相关的城市道路交通网。这意味着,U-MITS与道路ITS相结合,将构成相对完整的城市智能交通系统。对这一本质问题的解决将产生实质性的影响。

[1]

1󰀁城市轨道智能交通系统及其基本构成

1.1󰀁城市轨道交通系统的特点

参考文献

1󰀁VinceScaini,BruceM.UrbanHighCurrentDCChoppersand

TheirOperationalBenefits.IEEE,1998(19)

2󰀁陶生桂,刘成永,胡兵.直流开关电源纹波分析.城市轨道交通研

究,2003(4):44~47

3󰀁郑瞳炽.城市轨道交通牵引供电系统.北京:中国铁道出版社,

2003

4󰀁黄俊,王兆安.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2002

(收稿日期:2004-03-25)

图2󰀁城市轨道交通电力系统滤波装置

󰀁49󰀁