电气化铁路谐波和不平衡负荷的监测

电气化铁路谐波和不平衡负荷的监测

0能源质量分析仪的组成。电能质量分析仪用6个16位A蛐D采样，经DSP计算得到高精度的电参数,包括分相和三相综合的U、I、P、Q、S、cosφ及广义无功功率和频率等29项参数，电参数的测量精度为0.05级。并以每周128点数据通过USB上传到上位机，以进行FFT分析，并画出频谱、波形图。为了突出测量主要谐波，设有谐波门限，以便于把谐波幅值太小的噪声隐去，使频谱分析显示简洁明了,且谐波门限可调整;对电流、电压、功率的基波分量进行相序分解,求出不平衡度;计算电压闪变,采用在两次存盘间隔时间内，捕捉三相电压的前12个闪变V10大值进行存储，既抓住特性又节省内存，同时显示包络线频谱和谐波总量，以供参考。本仪器还能对新提出的许多电能质量指标实现测量。根据异步电流能量的数学模型，计算动态异步电流能量和异步电流的李沙育图形;根据瞬时功率曲线,计算绝对功率、稳定系数等；统计数据文件的存储，历史数据的查阅由上位机完成。电流有1A蛐5A档和卡钳输入端,电压量程有50蛐100蛐200蛐400V档,可自动量程切换。由于电参数测量精度为0.05级,故属A类谐波仪,现场二次电流的分辨率可达1mA,特别适用于额定电流为1A的谐波分析。1能源质量分析的新概念1.1主谐波门限的确定用FFT计算，可得出每一个交流量的谐波分量，以电流为例，其总有效值和谐波总量的计算公式为式中h为谐波次数，N为最大次谐波值。为了在频谱分析中突出主谐波，在显示程序中加了一个条件，即只显示谐波量大于5%的谐波总量，主谐波门限可调整,如图1所示。也可转入观察分相波形，其中包括电流、电压、功率的曲线和频谱。1.2基波向量的不对称度三相不平衡分析主要是针对基波量，设由FFT计算出三相电流的基波向量的实部、虚部分别为：IAr、IAx、IBr、IBx、ICr、ICx,则相序分量可依对称分量公式计算,并给出不对称度。1.3与谐波电流的步能量比较异步电流能量是从交变的电枢反映磁场将导致发电机转子涡流发热的观点来推算有害能量的指标。它假想从发电机的转子上看三相负荷电流的电枢反映磁场，当三相电流对称无谐波时，它相对于转子是一恒定磁场，故它不会在转子中感生涡流；若三相电流不对称或包含谐波，则它相对于转子是一个不断变化的异步磁场，故它在转子中必然会感应出涡流热量，我们称其为异步电流能量，并以它作为一个电能质量的测量指标。如图2所示，假想在发电机的突极转子上加绕一个线圈Wd,并接有灯泡,当三相电流对称时,则其负荷电流的电枢反映磁场相对于转子而言是一恒定磁场,故它不会在Wd线圈中感应电势,因而灯泡也不会发热;若三相电流不对称或包含谐波,则三相电流的电枢反映磁场相对转子而言是一个不断变化的磁场,故它在线圈Wd中必然会感应出电势,灯泡中会流过电流并发热。灯泡中发的热量,称作异步电流能量（简称异步能量）,而灯泡中流过的电流称之为异步电流,它是由三相电流的电枢反映磁场和转子不同步而引起的。由此可见,用异步能量的观点,可以允许三相电流是任意的时间函数,甚至是非周期的函数，从而使常规的谐波和负序概念得以扩充为异步电流和异步能量的概念。随着电网中谐波和负序电流明显增加,无论是对发电机,还是对用户负荷性质的考核,都应把负序电流与三相谐波电流的综合影响归纳成一个指标来衡量。但目前对发电机转子发热的影响，只考虑负序电流I2或负序电流能量I22·T的影响,而未涉及谐波电流的影响；对用户负荷只孤立地考虑各相电流、电压的各次谐波分量,而未顾及三相不对称电流的影响。本文引出的异步电流能量,是以前我们曾完成的模拟式异步电流能量仪(获世界发明尤里卡金奖)的课题，它由数字硬件电路做成，其优点是：即使对瞬时电负荷变动很大，且不是周期函数的负荷,也能用该仪器加以反映。但它的不足是不能与谐波仪的数字计算内容结合在一起进行谐波分析。为了能和谐波分析同用一组数据进行异步能量的计算,需要提出异步能量的数值计算公式,可以将问题退回到周期函数的概念。异步电流Ig的数字化公式为式（3）所示,基波正序电流是与转子同步旋转，即从转子上看，它是恒定磁场，因而它是无害的。基波负序电流磁场是以2倍同步速率相对于转子反转,所以是有害的。其它各次谐波的正序或负序分量的电枢反映磁场,相对转子而言，它或者向前或者向后旋转的，因而都会切割转子而感应涡流,也是有害的；而零序性质的谐波则很容易治理,只要用D蛐Y接线的变压器即可滤去,而且也不会流入到三线制的电机中,故不予考虑（应当减去）。所以异步电流的数值公式可表达为（3）式或（4）式,但结合电参数的计算,还是以（5）式计算更为简便。感生电流″Ig″叫做异步电流,″Ig″的平方相对时间的积分叫做异步能量W1,异步能量愈大,对发电机转子的伤害也愈大，异步能量W1为本仪器也给出了动态异步能量的结果,它由(7)式采用差分方程表达为其中散热系数KS反映的是异步能量积累中伴随着电机热耗散,动态异步能量不仅反映异步电流的大小,而且包含出现的时间间隔和出现的频次。它几乎正比于转子的温升。散热系数KS=1599蛐1600和发电机长期允许的负序电流标幺值为I∞觹≤7%,及与发电机厂家提供的负序电流能量A觹值=8相当,所以散热系数的确定是来自一般发电机允许的负序电流的经验指标。一般情况下，散热系数KS和I觹、A觹三者关系为随着异步电流的变化而不断变大或变小，W2(n）的最大值记为Wm是动态异步能量的最大值,如果Wm超过某个定值,发电机的转子有可能损伤，它的限值为异步能量指标同样适用于变电站出线，它可通过母线短路容量来推算系统的等值发电机额定电流，因而式（9）依然有效。对一般出线而言，更简便的规定是按二次额定电流5A,A觹值=8考虑,所以应满足Wm<200A2s,这是一个简单判据。由于动态异步能量不断积累和散热,所以只要记录最大的动态异步能量即可,它相当于发电机转子曾达到过的最高温度。本仪器也提供了一个异步电流的李沙育图形,用以表达异步电流所产生的旋转磁场,这个图像是由异步电流的投影id(t)、iq(t)作为纵、横坐标变量所构成的,其软件界面如图3所示。1.4谐波治理效果分析当三相电压、电流都没有谐波,且三相对称时,三相瞬时功率曲线理论上是一条直线,它表明电磁反抗力矩是一条水平线,如图4所示。当三相含有谐波或不对称时,三相瞬时功率曲线就不再是水平线,它反映的是电磁反抗力矩和原动机恒定力矩之间有差别,并由此会出现机轴上的交变应力和机械转速的摆动。三相瞬时功率的平均值就是有功功率P，其方均根值定义为绝对功率Sj，将Wj=P蛐Sj定义为稳定系数,只有当三相瞬时功率曲线是水平线时稳定系数才有Wj=1,本仪器也给出了三相瞬时功率曲线和稳定系数等指标。对新余钢铁厂电炉炼钢负荷实测的结果,其三相电流波形和三相瞬时功率曲线如图5，通过历史曲线查询如图6。由式(4)可知,一般说3倍异步电流要大于三相谐波总量,但个别相的谐波总量也可能超过异步电流,特别是异步电流不包含零序性质的谐波。从图6可见,新余钢厂对谐波虽作了一些治理工作,但三相电流不对称依然严重,其结果出现在异步电流远远大于谐波总量的时刻,即最大异步电流为2.014A(负荷电流4～5A)时,谐波总量为0.192A。经历6个小时测量，总异步能量积累2386.388A2s，最大动态异步电流能量Wm=809.583A2s，已超过200A2s的标准。在实际软件中,移动鼠标，可同时看到该时刻的各项指标。而该厂的平板车间,由于采用三相可控整流,经谐波治理后,谐波电流=0.025A(负荷电流=1.25A),异步电流=0.026A，最大动态异步电流能量Wm=11.98A2s,小于200A2s的标准。动态异步电流能量具有占用的存储空间小，物理概念明确的特点，从这个例子可以看出测量最大动态异步电流能量的重要意义。2谐波分析的次数和时间间隔电网谐波分析的不足可用下述2例来证明。(1）例1：电炉炼钢用电负荷，其三相电流、电压的变化十分迅速，如用两台谐波仪测量同一负荷，由于两台仪器的采样时刻不可能同步，它们关于谐波分析的结论就可能很不相同。特别是当两组谐波分析数据的采样时间间隔较大时，这种不同更为明显。而采用动态异步能量的算法，它是连续进行积累和散热的模拟，尽管数字式的异步能量公式，以0.5s为间隔来进行积累计算,但它仍比每隔15分钟记录一次的谐波分析结果要真实可靠，并且它同时考虑了谐波和负序电流同时存在的影响。(2）例2：以电气化铁道的电气机车为例，设每列机车爬坡时所产生的负序电流和谐波电流一定，如某一天有48列机车开过，谐波分析仪测得的最大谐波始终是一样的，它就是每台机车爬坡时的谐波。但从动态异步能量看，如果这48列机车以均匀的0.5小时间隔开过,则动态异步能量的积累为最小,因为它得到了最好的散热条件。如果这48列机车集中在一个小时内开过,则因为前列车的热量积累后尚未散失完,紧接着下一列机车又到来,所以此刻异步能量的积累就会比上述情况高得多。谐波分析没有从能量的角度考察问题，这是它的一个缺点。(3）以谐波测量为例,最终以95%概率大值作为测量报告的结果。如果进行100次测量,设例1中的谐波电流总量100次都是1A,例2中的谐波电流总量只有6次为1A,其他都为零。这两次测量结果的95%概率大值（按取第6名的粗劣估计）都是1A，显然它没有区分这两种状态危险性不同。而用动态异步电流能量的角度来测