葉小雯 劉 煒 劉瑞龍 董 靜 李鯤鵬
(1.西南交通大學電氣工程學院,610031,成都;2.成都地鐵運營有限公司,610051,成都;3.廣州地鐵設計研究院有限公司,510010,廣州//第一作者,碩士研究生)
35 kV/400 V降壓變電所(以下簡為“降壓所”)為地鐵的照明及動力設備集中供電。降壓所都在其2段35 kV母線上各設1臺降壓變壓器,以各自承擔供電負荷。防災報警、消防、電梯、環控及冷源等重要的一級負荷由降壓所采用放射式配電方式供電;其他二、三級負荷(如照明等)由降壓所采用樹干式配電方式供電[1]。降壓所供電網絡如圖1所示。
圖1 降壓所供電網絡示意圖
地鐵35 kV/400 V降壓所中有多種采用變頻裝置的非線性負荷。這些負荷在吸收基波功率的同時,會將其中一部分基波功率轉化為諧波功率注入系統,成為系統諧波源[2]。35 kV/400 V降壓所會產生大量的3次、5次、7次等高次諧波[3-4]。400 V系統是地鐵供電系統第二大諧波源。嚴重時諧波會導致設備損毀等一系列嚴重事故。有源濾波裝置(APF)是一種性能良好的諧波治理和無功補償裝置,現已廣泛應用,并引起了關注[5-6]。
本文以成都地鐵部分降壓所為例,對降壓所動力負荷的電壓及電流進行實測,并評估降壓所內的變壓器負載率,分析諧波電壓和諧波電流特性,為降壓所變壓器容量設計、負荷電能質量評估和APF的設計等提供依據。
降壓所中主要負荷有商業用電,以及環控、冷源、電扶梯、電梯、直流電源、控制設備和照明設備等用電。各種負荷耗電量所占比例各不相同。成都地鐵孵化園站降壓所各類負荷某月用電量統計如表1所示。
表1 成都地鐵孵化園站降壓所各類負荷某月耗電量統計表
成都地鐵部分35 kV/400 V降壓所變壓器某日高峰負載率情況如表2所示。根據GB 50059—2011《35~110 kV變電所設計規范》規定,裝有2臺及以上主變壓器的變電站,當斷開1臺變壓器時,其余變壓器的容量(包括過負荷能力)應能滿足全部一、二級負荷用電的要求[7],而且,變壓器的效率最佳負載率為45%~60%[9]。但降壓所變壓器容量設計時需考慮各類負荷的最大用電需求,并取負荷同時系數后累計,故設計富裕量一般偏大。
表2 成都地鐵部分降壓所變壓器實測負載率統計表
成都地鐵降壓所400 V母線的諧波電壓畸變率實測情況如表3所示。降壓所400 V母線奇次諧波電壓含有率均小于4%,偶次諧波電壓含有率均小于2%,電壓總諧波畸變率(THDU)的95%概率值均小于5%。
表3 降壓所400 V母線諧波電壓畸變率的95%概率值
根據GB/T 14549-93《電能質量 公用電網諧波》[10],計算降壓所400 V母線諧波電流允許值為:
(1)
式中:
sk1——公共連接點最小短路容量;
sk2——基準短路容量;
Ihp——國標第h次諧波電流允許值;
Ih——短路容量,為sk1進線第h次諧波電流允許值。
成都地鐵某降壓所的變壓器容量為1 600 kVA,400 V母線的最小短路容量為19 MVA,母線諧波電流允許值如表4所示。
表4 成都地鐵某降壓所400 V母線諧波電流允許值
統計成都地鐵降壓所400 V母線諧波電流情況如表5所示。諧波電流含量IH等于非正弦周期交流電流減去基波電流分量。經實測,成都地鐵降壓所400 V母線諧波電流畸變率(THDI)的95%概率值為9.1%~35.9%,諧波電流含量多為19~95 A,個別降壓所的短時諧波電流含量接近100 A。
降壓所約1/3的電能都供于環控負荷,其諧波情況不可小覷。圖2為某降壓所某個環控負荷的電流瞬時值波形圖。由圖2可見,電流伴有明顯諧波畸變。該環控負荷基波實測值見圖3,其3次、5次、7次諧波電流較嚴重,相應電流有效值如圖4所示。
表5 降壓所400 V母線諧波電流含量及其畸變率
圖2 某環控負荷電流周期波形圖
圖3 某環控負荷基波電流實測值
由圖4可知,環控負荷在夜間非運營時段各次諧波電流都非常小,可忽略不計。上述環控負荷在運營時間內的諧波電流有效值統計情況見表6。
表6 環控負荷諧波電流統計值
圖3中,環控負荷在運營時段的基波電流實測值均值為48.9 A。經分析,最大污染為5次諧波污染,其諧波電流95%概率值達24.6 A,5次諧波電流含有率達50%左右,情況較為嚴重。其次的較大污染是7次諧波電流,其95%概率值為15.7 A,諧波電流含有率為31%。
a)3次諧波電流
b)5次諧波電流
c)7次諧波電流
環控負荷的諧波電流允許值為:
(2)
式中:
Ihi——公共連接點處負荷i的第h次諧波電流允許值,A;
Bi——負荷i在公共連接點處所占的負荷比例;
α——相位疊加系數。
根據環控負荷耗電量所占比例,結合式(2),計算可得400 V母線環控類負荷諧波電流允許值見表7。
表7 400 V母線環控類負荷諧波電流允許值
由表7可見,環控負荷5次及7次諧波都較大,已達諧波限值的50%左右,但沒有超標。在實際的降壓所內每段母線帶有1~3個環控負荷。這就需按GB/T 14549-93《電能質量 公用電網諧波》[10]將2個諧波源(母線)的同次諧波電流進行迭加,即:
(3)
式中:
Ihi1——一段母線負荷i的第h次諧波電流;
Ihi2——二段母線負荷i的第h次諧波電流;
kh——諧波迭加系數。
將多個環控負荷按式(3)進行迭加,可得其迭加諧波電流(見表8)。
表8 多個環控負荷迭加諧波電流
由表8可見,當一段400 V母線接入多個環控負荷時,環控負荷的5次及7次諧波電流均面臨超標問題。
冷源負荷耗電量占降壓所總耗電量的24%。某冷源負荷的電流波形如圖5所示。
圖5 某冷源負荷電流波形圖
該冷源負荷基波實測值見圖6,冷源負荷是一種具有沖擊特性的負荷,其2次、3次、5次、7次諧波電流較為嚴重。相應的諧波電流有效值如圖7所示。上述冷源負荷基波及諧波電流統計情況見表9。
圖6 某冷源負荷基波電流
表9 某冷源負荷諧波電流統計值
a) 2次諧波電流
b) 3次諧波電流
c) 5次諧波電流
d) 7次諧波電流
在運營時段內,冷源基波電流有效值幅值可達220 A,均值維持在104 A左右;在非運營時間內,基波電流均值降為46.23 A。其中,5次及7次諧波電流較大,5次諧波電流的95%概率值為2.53 A,7次諧波電流的95%概率值為2.00 A。
冷源負荷諧波電流允許值如表10所示。降壓所內一段400 V母線通常帶有1~2個冷源負荷,其諧波電流都遠小于基波電流幅值及表10的電流限值。
表10 400 V母線冷源類負荷諧波電流允許值
電扶梯負荷耗電量雖不多,但降壓所會有多個電扶梯負荷,故其諧波特性不容忽視。圖8為某電扶梯負荷電流波形圖。由圖8可見,其電流較小且畸變嚴重。
該電扶梯負荷基波電流如圖9所示。電扶梯負荷明顯為沖擊負荷,其基波電流均值穩定于2.37 A左右,3次、5次、7次、9次諧波電流較為嚴重。相應的諧波電流有效值如圖10所示。
圖8 某電扶梯負荷電流周期波形圖
圖9 某電扶梯負荷基波電流
a) 3次諧波電流
b) 5次諧波電流
c) 7次諧波電流
d) 9次諧波電流
圖10中,該電扶梯空載情況忽略不計,則上述電扶梯負荷諧波電流有效值情況統計如表11所示。
表11 某電扶梯負荷基波及諧波電流統計值
由表11可見,電扶梯的諧波電流都很小,僅5次及7次諧波電流相對較大。電扶梯負荷還需滿足GB/T 24807—2009《電磁兼容 電梯、自動扶梯和自動人行道的產品系列標準》[11]的要求,某電梯諧波電流與基波電流均值比值如表12所示。
表12 某電梯諧波電流與基波電流均值的比值
由表12可見,電扶梯負荷的5次、7次、11次及13次諧波電流都嚴重超標。
降壓所中諧波源眾多,使得其電網及所內電氣設備損耗嚴重,且容易因過熱、過電壓而損壞,從而造成經濟損失和安全事故。
降壓所中APF的安裝可對幅值和頻率都變化的諧波進行治理,并對無功進行補償,但根據實測數據,400 V側無功補償前的功率因數即可達標,所以較大的APF安裝容量對現有的降壓所諧波問題顯得裕量偏大。
(1) 現有許多35 kV/400 V降壓所內的變壓器都處于輕載的狀態,其負載率在6%~22%之間。
(2) 35 kV/400 V降壓所的環控負荷和冷源負荷耗電量最大,分別占總耗電量的31%、24%,車站照明、商業等其它用電負荷略小。
(3) 降壓所400 V母線電壓總諧波畸變率的95%概率值均小于5%,諧波電流含量大多為19~95 A。
(4) 降壓所電扶梯負荷容易受到其它負荷的影響,存在著諧波電流超標問題,其中,5次、7次、11次及13次諧波電流較大;降壓所環控負荷是5次、7次諧波電流的最大污染源。
(5) 地鐵降壓所中,APF容量設置大小應綜合考慮地面站或地下站的變壓器負載率,以及各類負荷的諧波特性。