電氣化機車的“清潔”電能

隨著電氣化機車使用越來越廣泛，會在電網中會產生大量的諧波和負序污染，如不能在牽引變電站得到及時治理，將注入電網，降低電能質量，隨著城鐵和地鐵的發展，這一矛盾日益突出。改善電能質量的先決條件是對不同工況下的電能質量進行合理監測和細致分析，而國內絕大多數供電站段都不具有相關的分析儀器和設備。針對這一問題，根據我國電氣化鐵路的自身特點，研制攜帶方便、分析功能強大而且符合鐵路工作習慣和要求，高性價比的、多功能、便攜式電能質量檢測分析裝置非常必要。

“清潔”的機會

根據電能質量定義，首先要針對頻率、無功功率、負序電流、諧波等參數進行分析測量。牽引供電電能質量分析系統在設計之初，對電氣化鐵路客運專線AT、直供方式的變電所、AT所、分區所、開閉所的牽引負荷諧波、負序、電壓質量進行固定時段的最大、最小、平均、95％概率值的統計分析。

電氣化鐵路客運專線AT、直供方式的變電所、AT所、分區所、開閉所的牽引負荷諧波、負序測試由負荷性質決定的其他測試要求：

(1) 客運專線供電系統測試，尤其是聯調聯試期間測試時間較長，中間常有包括所用電在內的全所斷電，測試系統需要具有虛擬儀器的即啟即測、閾值啟停、定時啟停功能。

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

(3) 客運專線供電系統測試各條饋線電流需要和與其相關電壓計算相關關系（功率、相位差）。

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

圖1總體設計方案

系統的軟件部分由LabVIEW開發平臺編寫。基于虛擬儀器的電能質量檢測系統分為檢測和分析兩大部分。監測部分的任務是將原始電壓電流信號采集并變換成數字信號，然后顯示出波形和頻譜，存儲并輸出數據文件，其包含的功能模塊有數據傳輸模塊、數據分析模塊、圖形顯示模塊、數據文件輸出模塊等；分析部分是對監測部分輸出的數據文件進行系統的深入分析，得出電能質量各項指標參數的統計結果、變化趨勢等，并根據需要打印出牽引供電系統的電能質量分析報表。

衡量效果

結合根據牽引供電系統的特點，利用LabVIEW軟件設計出牽引供電系統參數設置、站所變比、實時波形數據、數據實時分析、歷史數據、歷史數據分析、牽引側電流和相關計算統計共8個選項控件。

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測數據進行分析，諧波數據來自北京鐵路局石家莊供電段內京廣線某變電所、石太客專某變電所和石德線某變電所。處理諧波次數為2~63次，采樣頻率為256點/周波。記錄數據的時間為24小時。牽引供電系統電壓、電流數據中根據車型負載的不同和牽引變電所供電區段有無機車負載，其諧波含量也有著不同之處，本文主要針對不同車型負載給牽引供電系統所帶來的諧波進行分析。

（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結線，110kV側電壓互感器變比為110kV/100V，電流互感器為300/5A，牽引側電壓互感器變比為27.5kV/100V，電流互感器變比為1000/5A為采用供電區間采用直流加回流供電方式供電，該供電區間運行的車型負載有CRH系列、SS系列機車和和諧系列貨運機車。

（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結線，110kV側電壓互感器變比為110kV/100V，電流互感器為400/5A，牽引側電壓互感器變比為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專線供電，運行車型較為單一，主要為CRH系列動車。

CRH系列該型機車取流波形如圖2所示：

圖2 CRH系列該型機車取流波形

CRH系列該型機車取流經分析后諧波含量直方圖如圖3所示。由圖3知CRH系列該型機車電力機車取流幾乎呈現正弦，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結線，110kV側電壓互感器變比為110kV/100V，電流互感器為400/5A，牽引側電壓互感器變比為27.5kV/100V，電流互感器變比為600/5A為采用供電區間采用直流加回流供電方式供電，藁城變電所供電區間主要運行的機車多為SS4型貨運機車，客運機車多以內燃機車為主。

SS該型機車取流波形如圖4所示：

圖4 SS該型電力機車取流波形

SS該型機車取流諧波含有量直方圖如圖5所示。SS該型電力機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該型機車取流諧波含量直方圖

不難看出，針對牽引供電對電網污染嚴重的特點，所設計的牽引供電的電能質量檢測系統，可以檢測頻率、負序電流、無功功率、諧波等參數。硬件上數據卡采用了凌華高速數據采集卡，保證了數據采集的速度和精度。目前該檢測系統已經應用在多條客運專線上，性能穩定可靠。