忻州电网电气化铁路电能质量普测分析

孙伟卿,杨敬元,潘以周,雷 达,杨赟磊,赵旭伟,徐 龙,肖 莹

(1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.国网山西电力科学研究院，山西 太原 030001)

忻州电网电气化铁路电能质量普测分析

孙伟卿1,杨敬元1,潘以周1,雷 达2,杨赟磊2,赵旭伟2,徐 龙2,肖 莹2

(1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.国网山西电力科学研究院，山西 太原 030001)

电气化铁路牵引负荷属于典型的电子开关负荷，具有强非线性，易对电网供电电能质量造成不良影响。为了解忻州电网在电气化铁路牵引负荷影响下的电能质量状况，进而开展有针对性的预防、管理和治理措施，对忻州配电网开展了一次有针对性的电气化铁路牵引负荷电能质量普测。测试对象为11个110 kV变电站的19条线路。然后，对测试数据进行统计分析，并对照相关国家标准找出忻州电网存在的普遍性电能质量问题。结果表明:忻州地区电气化铁路牵引负荷的谐波问题较为严重，尤其以三次谐波超标为甚，个别线路甚至远远超过国家标准限制。此外，部分测试点存在电压波动幅度大、三相不平衡、电压闪变等问题，威胁电网的安全稳定运行。最后，针对忻州电网当前的电能质量状况，提出了治理以及改善的相关建议。

电网； 电气化铁路； 电能质量； 普测； 馈线

0 引言

忻州地区毗邻太原卫星发射中心，电网电能质量状况备受关注[1]。另一方面，随着忻州地区的生产力发展以及经济建设的推进，用电用户对电能质量的投诉与高质量电能的需求也日益增长[2]。

电能质量问题会对电力系统的正常工作、效率运行以及各用电设备等造成一定的危害，电气化铁路的开发建设又使得各种负面影响愈发凸显，忻州配电网的电能质量受到了更多的污染。妥善解决电能质量问题已是当务之急，亟需收集关于忻州电网电能质量问题的详细资料，为电能质量实时监测工作的开展以及相关科研活动提供数据支持。

本文对忻州电网电气化铁路电能质量普测结果进行统计分析，掌握忻州配电网大型用户电能质量污染现状，同时提出针对这些问题的治理措施。

1 测量概况

1.1 测试对象

为掌握忻州配电网电能质量状况，对忻州电网开展了一次有针对性的大规模测试。测量对象为忻州崞阳站、柳塬站等11个站共19条测试线路，对这19条线路的测量数据进行统计分析，并找出山西省配电网大用户普遍存在的电能质量问题。

1.2 测试依据

测试依据的相关国家标准包括:《GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波》、《GB/T 12325-2008 电能质量 供电电压允许偏差》、《GB/T 12326-2008 电能质量 电压波动和闪变》、《GB/T 15543-2008 电能质量 三相电压允许不平衡度》、《GB/T 15945-2008 电能质量 电力系统频率允许偏差》等。

1.3 测试内容

测试内容主要包含三相电压不平衡度、供电电压的偏差、电压波动与闪变、电网频率以及谐波等一系列的电能质量指标，对19条测试线路的电能质量参数逐一测量研究，并得出分析结果。

1.4 测试方法及测量数据统计方法

测试时间长度选取变电站最大运行方式下一个运行周期(不少于24 h)；测试间隔根据测试设备采样处理数据频度确定，一般选取10 s；测试信号为三相相电压、三相电流。

短时间闪变值以10 min作为一次测试时间，24 h内允许的超过国标限值的最大次数为7次(70 min)。长时间闪变值以2 h为一次测试周期，超标任意一次即判为不合格[3-5]。测量数据的结果以所测时间内三相数据中数值最大的一相为准。

针对谐波电流以及谐波电压所进行的测试应该在电网正常工作时可能出现的最小运行方式之下进行，并且应该选择在谐波源的工作期间产生的谐波量较大的时间内开展[6]。测量结果的选取参考电能质量国家标准，谐波类数据的测量结果不仅要取各相测量数据中最大的一相，还要取该相数据中的95%概率大值。将此数据结果与国家标准中规定的允许值进行对照，作为评判谐波是否满足国家要求的依据。95%概率大值的近似选取方法为:将实际测量的数据按从大到小的顺序排序，去除总量中最大的5%部分的数据，取剩下数值中的最大值作为该测试点测量值。

1.5 测量数据限值要求

(1)谐波电压限值如表1所示。

表1 谐波电压限值

(2)对于标称电压为110 kV，基准短路容量为750 MV的系统，谐波电流允许值如表2所示。

表2 谐波电流允许值

(3)电压不平衡度限值。

电网各个部分正常运转时，负序电压的不平衡度在一段时间内不能高于标准值的2%，短时间内不能高于标准值的4%。连接至某一公共点的各个用户在此公共连接点所引起的负序电压不平衡度一般不能高过标准值的1.3%，较短时间内不能高于标准值的2.6%[7]。

(4)电压偏差限值。

相关国家标准规定在电网中各部分正常运转的前提下，受电的用户端供电电压偏差针对不同电压等级的允许值如下所示。

①35 kV及以上的供电系统中，电压正偏差与电压负偏差的绝对值之和要求不能高于电力系统标准电压的10%。

②20 kV及以下三相供电系统的电压正偏差不能高于标准电压的+7%，负偏差不能低于标准值的-7%。

③220 V单相供电的电力系统中电压正偏差不能高于标准电压的+7%，负偏差不能低于标准值的-10%。

(5)频率偏差限值。

相关国家标准规定:电力系统中各个部分在正常运转的情形下，它的频率偏差不能够超出±0.2 Hz；当遇到容量比较小的系统时，其偏差值不能够超出±0.5 Hz[8]。

(6)电压闪变限值如表3所示。

表3 闪变限值

表3中:UL表示UN≤1 kV；UM表示1kV

2 忻州配电网电能质量分析

2.1 电压偏差

测试线路电压偏差如图1所示。19组测试线路正负电压偏差绝对值之和的平均值是8.623%。忻州地区所测线路中，大部分测量点电压偏差均符合国家标准，但崞孤线、北田线、义神线、宋秦二线、轩铁线、轩龙一线这6条线路的正负电压偏差绝对值之和超出了国标允许值10%，发生超标。其中，义神线超标情况最为严重，供电电压正负偏差绝对值达到了12.282%，超出国标限值的程度最大。忻州地区煤矿业发达，且重视发展电气化铁路，许多设备具有冲击性的负荷，比如电焊机、电弧炉等，导致了某些地区电压偏差较大的问题。而电气化铁路的开发建设与稳定发展，会使得这一问题愈加凸显。

图1 测试线路电压偏差图

2.2 三相不平衡度

测试线路三相电压不平衡度如图2所示。19条线路的三相电压不平衡度平均值为1.434%。忻州地区三相电压不平衡度共有5个测试点发生超标，分别为保桥线、保阴线、宋秦二线、轩铁线、轩龙一线。其中，保德站的保桥线与保阴线超标情况较为严重，测量值达到了2.789%与2.797%，超过国标限值2%的幅度较大，三相不平衡的问题较为严重；而宋秦二线，轩铁线与轩龙一线超出国标允许值的程度比较小，三相不平衡的问题较为轻微。导致三相不平衡的原因为电力系统之中三相的负荷没能实现对称运行。忻州地区一直很重视电气化铁路的发展，其中运用的是工频单相交流电，它的牵引负荷会在三相对称供电系统中引发电力系统不对称的问题，导致负序电流以及负序电压的产生，最终造成供电系统三相不平衡。

图2 测试线路三相电压不平衡度图

2.3 频率偏差

频率偏差的测试总体情况非常良好，忻州地区所测19条测试线路的频率偏差值均在国标限值之内，且各条线路的频率波动范围很小，符合国家标准。由此可看出，忻州地区的电网频率状况良好。

2.4 电压闪变

2.4.1 短时间闪变值

短时间闪变值的测试总体情况较好，在可评估的时间之内，19条测试线路中仅有义神线的短时间闪变值超标，其余测试线路的数据结果均在限值之内，符合国家标准。

2.4.2 长时间闪变值

19条测试线路所测长时间闪变值最大值如图3所示。测试总体情况较好，但北田线、义神线、永滴一线3条线路所测长时间闪变最大值超出了国标限值0.6，分别达到了0.652、0.823、0.618。

图3 测试线路长时间闪变最大值图

综上所述，忻州19条测试线路中，仅有北田线、义神线、永滴一线3条线路的电压闪变存在超标问题，不符合国家标准。电压闪变问题出现的主要原因是忻州地区工业发达，其具有冲击性的负荷，比如电焊机、电弧炉等设备的运行等，将会使得电压迅速地产生变化，继而引发闪变问题。

2.5 谐波

2.5.1 电压总谐波畸变率

测试线路电压总谐波畸变率如图4所示。

图4 测试线路电压总谐波畸变率图

忻州地区共有11个测试点发生超标，分别为崞孤线、忻柳线、柳铁线、保桥线、保阴线、宋秦二线、凤木线、轩铁线、轩龙一线、永铁一线、永滴一线。这些测试线路之中，凤木、轩铁、轩龙一线这3条测试线路的电压总谐波畸变率超标情况较为严重，分别达到了17.13%、4.061%、4.061%(均为95%概率大值)，远超国标限值2%。

2.5.2 各次谐波电压含有率

忻州地区19组测试线路中，有6条测试线路各次谐波电压含有率发生超标，具体情况为:崞孤线的第5次谐波电压含有率测试结果高于国标规定的允许值，宋秦二线的第31次谐波电压含有率发生超标，凤木线第3次谐波电压含有率发生超标，轩铁线第3、5、7、9次谐波电压含有率发生超标，轩龙一线的第3、5、7、9次谐波电压含有率发生超标，永滴一线的第3次谐波电压含有率发生超标。

2.5.3 各次谐波电流值

测试总体情况并不理想，19条测试线路之中，共有12条线路发生超标，具体超标情况如表4所示。

由表4可知，所有存在超标情况线路的第3次谐波电流值均不合格，因而第3次谐波电流值超标情形最为严重。忻州19条测试线路第3次谐波电流值如图5所示。

19条测试线路之中，忻柳线、北田线、保阴线、义神线、凤木线、轩龙一线与永滴一线的第3次谐波电流值均超过了20 A，远远超出了国家标准中的允许值，超标情形较为严重。其中，保阴线的第3次谐波电流值超标最为严重，测量值达到了52.09 A，远超国标限值9.6 A。

表4 忻州各测试点各次谐波电流值超标情况

图5 所有测试线路第3次谐波电流图

综上所述，在谐波问题上，19条测试线路中只有匡硅线、宋秦一线、西宁线、凤宁线4条线路所有指标均在国标限值之内，满足国家标准。剩余15条线路的谐波指标都存在一定程度的超标，未满足国标的要求。调研发现，忻州地区的谐波问题主要是由电气化铁路引起的。由于电力机车的整流装置大量采用大功率电力电子器件，因此电铁负荷属于典型的电子开关负荷。电铁负荷具有强非线性，易使电压、电流波形发生畸变，导致谐波分量进入电力系统，并对其造成一系列负面影响，致使忻州地区谐波问题较为严重。此外，忻州地区发达的煤矿业使得电弧炉、中频炉等非线性负载装置较多地投入使用，这些大功率器件使用时也会产生大量谐波。

3 结束语

忻州电网19条馈线线路上的电能质量测试数据及其分析结果表明:电气化铁路的发展给忻州电网带来电能质量污染，应重视主干网的建设，提高投资水平，加强电网抗扰动能力[9]。根据普测分析结果，忻州地区由于电气化铁路所引起的谐波污染问题较为严重，谐波治理是重中之重，可以考虑在忻州电网谐波问题较为严重地区的电铁牵引站加装一些谐波治理装置，以实现对谐波源的治理[10]。此外，可在忻州区域内的铁路装设不平衡变压器，缓解忻州电网的三相不平衡问题。

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Analysis of the General Survey for the Power Quality
of Electrified Railway Supplied by Xinzhou Power Grid

SUN Weiqing1,YANG Jingyuan1,PAN Yizhou1,LEI Da2,YANG Yunlei2,ZHAO Xuwei2,XU Long2,XIAO Ying2
(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China；
2.Shanxi Electric Power Research Institute,Taiyuan 030001,China)

The traction load of electrified railway is a typical kind of electronic switching load,which has strong nonlinearity and may threaten the quality of power supply from the grid.In order to find out the status of power quality under the influence of traction load of electrified railway on Xinzhou power grid,corresponding measures of prevention,management and governance are carried out,and then a general survey of power quality of the electrified railway under traction load is conducted for distribution power grid of Xinzhou.The test objects are the nineteen feeders of eleven 110 kV substations.Then the test data are statistically analyzed,and contrasting relevant national standards,the universal power quality problems existing in Xinzhou power grid are found.The results show that harmonic problems of traction load of electrified railway in Xinzhou region are more serious,especially the third harmonic,and some feeders are far beyond the limits of national standard.Besides,there are some problems in part of the test points，such as large voltage fluctuations,three-phase unbalance and excessive levels of voltage flicker,which may threaten the safety and stably of the power grid.Finally,aiming at the current condition of power quality in Xinzhou power grid,some relevant recommendations about treatment and improvement are proposed.

Power grid; Electrified railway; Power quality; General survey; Feeder

国家电网公司科技基金资助项目

孙伟卿(1985—)，男，博士，副教授，主要从事电网规划、智能电网、电力系统优化、能源互联网的研究。 E-mail:sidswq@163.com。

TP306; TH238

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201707015

修改稿收到日期:2017-02-08