电气化铁道对无功电能计量影响的研究

ETROLOGY TEST TECHNOLOGY VERIFICATION计量测试与輜定⊙电气化铁道对无功电能计量影响的研究闵永智,刘禾2,李晓东(1.兰州交通大学自动化与电气工程学院,兰州730070;2.安康供电局,陕西安康725000)[摘要]电气化铁道为电网注入了大量谐波电流,降低了电网电能质量。而目前谐波对无功电能表计量特性影响的研究还不完善。文章在传统无功功率定义的基础上,按照 C Judean频域法,给出谐波下非正弦无功功率的定义,并且比较了电气化铁道中谐波对目前无功计量两种电能表的准确度影响,给出了电气化铁道中无功电能表的选择原则。[关键词]电气化铁道;谐波;无功;计量中图分类号]TM33[文献标识码]B[文章编号]1002-1183(200)03-001-04Study of Influence of Electric Railway on Measurement ofReactive Electric energyMIN Yong-zhi, LIU He, LI Xiao-dong(1. School of Automation and Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. Ankang Supply Bureau)Abstract: In electric railway, a vast amount of harmonic current has been injected into electric grid, and power quality has beenreduced. At present, research of influence of harmonics on measurement performance of reactive electric energy meter is imper-fect. Based on definition of traditional reactive power, definition of nonsinusoidal reactive power is provided according toC. Budeanu frequency domain method. Inpluence of electric railway harmonic on two kinds of reactive electric energy meter in mar-ket is compared. Finally, selection principle of reactive electric energy meter in elcetric railway is proposedKey words: electric railway harmonic; reactive power; measurement无功电能的传输将直接降低发电机出力和变压系统导致系统电能质量恶化。因此电气化铁道的无器、线路的有功电能传送能力,并增加线路、变压器功电能计量有其特殊性。损耗、降低电压等,谐波的存在将进一步加剧无功电但目前在谐波环境下电能计量方面的主要研究工能计量的这些负面作用,谐波还会降低几乎所有电力作是有功电能的计量,已提出了时域、频域、转盘阻设备和负载的运行效率、寿命等。此外,无功电能计抗、磁路分析、自制动力矩等分析方法;而针对无功量还通过功率因数直接影响计费,直接影响负荷预的研究工作还处于探索阶段。测、无功电源规划等,是技术经济分析的基础。因此本文首先给出了电气化铁道的谐波特性,然后从无功电能计量非常重要。理论上分析了各种常用无功电能表的移相误差,并根电气化铁道具有牵引重量大、速度快、节约能据目前谐波条件下的无功电能计量存在缺陷,给出了源、对环境污染小等优点,电力牵引已成为中国铁路适宜于电气化铁道无功电能计量的方式。发展的主要方向。但由于电气化铁道中电力机车为波1电气化铁道的供电方式及负荷特点动性很大的大功率单相整流负荷,对于三相对称的电1.1供电方式力系统供电来说,电气铁道牵引负荷具有非线性、不电气化铁道供电方式主要有:直接供电方式;带对称和波动性特点,将产生三相不平衡的谐波电流注回流中国煤化工压器(BT)供电方[收稿日期]2008-10-27CNMHG[基金项目]甘肃省自然基金(3ZB082-B25-031)兰州交大科研基金(20710)[作者简介]闵永智(1975-),男,陕西城固人,讲师,博十生,主要从事电气测试与传动研究工业计量200年第19卷第3期9g计量测试与定METROLOGY TEST TECHNOLOGY & VERIFICATION式;自耦变压器(AT)供电方式;三相-两相斯科特(Scot)变压器接线;阻抗匹配平衡变压器接74(2o)(-)d线等。近年来,我国电气化铁道多单相接线(多数为u(oi(t-t)de22l,0部分为1l0V)和三相V,V接线(1lyv)式中:a为角速度,T为电网周期,t为时间。进行供电。其中单相接线以其容量利用率最高、接线测量时:先通过采样和AD转换将电网的模拟简洁、有利于提速等因索成为优先考虑的接线型式,电压和电流信号采集到微处理器,然后进行离散化处但其负序影响较大,往往需要采用更高电压等级。当理。这里假设对每个周期的电压和电流采样N次,则牵引负荷较重(如高速铁路)时,负序影响又较大,式(1)离散化得对电力系统供电能力要求较高,一般采用220kV供电(21。uAk+A1.2负荷特点式中:4是第k个电压采样值,讠,÷是第k+N4个由于电力机车的整流调速装置采用晶闸管技术,电流采样值。这样,只要对电流和电压进行较高频率因而运行中的电力机车在吸收电网功率的同时又将产的采样,就能根据式(3)求得无功功率。生高次谐波并将谐波注入电网,严重时远超过国家标移相法在电压电流谐波含量较低的情况下能达到准规定的指标。再者,为了减少牵引网单相供电的不较高的准确度,最主要的缺点是在信号频率变化时会平衡度,虽然电气化铁道采取了一些均载措施,但由产生较大的误差于各区段的行车密度不同,运行在每个区段的机车本22积分法身的负荷也不同,造成了负荷的不平衡度经常相差数采用积分法测量无功电能和移相法相似,它的理倍。因此,电气化铁道的用电负荷具有非线性、大容论基础是sin=「cosψd。积分法也能实现余弦和正量、三相负荷严重不平衡和电压、电流波形非正弦化弦之间的转换“。其原理为:同时并存的特点,这是影响电气化铁道电能计量准确性的重要因素。u(t)=√2 Usinat1.3电能的计量方式i(t)=2lin(at-φ)(5)电气化铁道目前常用的电能计量方式为高供高计M=(n)×{()dr}d(6)方式,即分别通过电压和电流互感器(或者带有互感器的电力计量箱)在牵引变电所的高压进线侧进行令其中M为中间变量,把式(4)和式(5)分别代计量入式(6),化简后可以得到2正弦电路中无功功率的计量M=lOosing =IQ传统的无功功率定义都是假定电压电流不含谐波的情况下,在谐波干扰比较小时有较高的准确度。这Q=M=2T,里先讨论电力系统中电压电流都是正弦波的理想求出M后就可以求出Q值。下面对式(8)做离散化情况。处理,设在一个周期内对电压和电流都采样N次,用无功功率的定义如下:I(k)表示第k次电流采样值,U(k)表示第k次电Q=Uolo sind(1)压的采样值,U(k)'表示u(t)的积分量。则有式中:Q为无功功率,U、D0分别为电压和电流的有M效值,φ为电压和电流相位差。基于这种定义,常用的无功测量方法可以分为移相法和积分法。2.1移相法2×1()×{(ad出=移相法测量无功功率的理论基础是sin中国煤化工lcos(90°-d)|,即通过移相来实现正弦余弦之间的CNMHG(k)转换,其基本的原理如下:Q= Uolo sin2Industrial Measurement 2009 Vol 19 No. 3METROLOGY TEST TECHNOLOGY& VERIFICATION计量测试与輪输定Q0积分法在定频采样时误差较大,对此通常可以把接线方式或者在电压电流线圈中串接附加电阻或附加式(9)中的U(k)用[U(k)+U(k+1)']/2代替,线圈等以达到无功电能测量的目的,最后通过电磁感能大大减小误差。应组件来驱动机械记数装置,把电能记录下来。这3非正弦电路情况下的无功功率算法样,非正弦无功电能对它的影响主要体现在两个正弦电路下的无功功率定义只适用于电压电流没方面。有谐波的情况,在电网含有谐波时,它无法区分基波(1)电磁感应式无功电能表的设计是按基波考虑电压和电流之间产生的无功功率,同频次谐波电压电的,当负载含有谐波时,电能表电压线圈阻抗和转盘流之间产生的无功功率,以及不同频率谐波电压和电阻抗在谐波条件下都会发生变化,导致电压工作磁通流之间产生的无功功率。因此必须先对无功功率有个和对应的电流磁通变化,从而影响电能表的计量准明确的定义。确度非正弦电路无功功率目前还没有一个完全理想的(2)当存在谐波电压与电流时,由谐波和基波叠定义,目前最为普遍接受的是ANSE标准459-加而成的电压电流波形发生畸变,但由于对应铁心导200中C. Budeanu提出的频率分析法,其单相非正弦磁率的非线性,磁通并不能相应地成线性变化。根据电路无功功率数学表达式为:电路原理,只有同频率的电压和电流相互作用才产生平均功率;根据电磁感应式电能表工作原理,只有同Q=∑ 1, sing(10)频率的电压和电流产生的磁通相互作用才能产生转式中:Un和分别表示n次谐波电压和电流的有效矩,畸变的波形通过电磁组件以后,由于磁通不与波值,中为n次谐波电压和电流的相角差。形对应变化,导致转矩不能与平均功率成正比而产生仅用式(10)计算非正弦电路的无功功率是不完附加误差。整的,会产生较大的误差。将这个误差记为D,且正弦感应式无功电能表在谐波环境下将因为电定义:压、电流冋路的阻抗变化而产生较小的相位变化。余U /, coso,)弦感应式无功电能表在谐波环境下的理论误差与不对:=>称误差分析类似,主要原因是对负序分量不能正确移∑2( U, Im sind-Unl,inin)2(1)相,而3k+2(k为非负整数)次谐波就是负序特性;还不能计量零序分量(因为电流不流通)。在忽略谐对于n次谐波电压U.而言,1c,为该次谐波波阻抗变化的情况下,常用的余弦感应式电能表计量电流的有功分量,lsn,为该次谐波电流的无功分的谐波无功绝对误差最大将达到3倍的谐波视在量,所以式(1)前一项中包含了各次谐波电压与其功率它不同次谐波电流的有功分量的乘积,而后一项中则4.2非正弦无功电能对电子式无功电能计量的影响包含了各次谐波电压与其它不同次谐波电流的无功分电子式无功电能计量技术的核心是采用电子器件量的乘积。它们都是由于电压电流的波形畸变后产生及其电路构成计量环节。与有功计量相比,一般电子的谐波所致,故可将D称为畸变功率。因为谐波电压式无功电能表通过对电压延时一段时间来计量无功,和谐波电流的频率不同,由三角函数的正交性可知,其延时时间基于基波。在谐波环境下,n次谐波电压对应的瞬时功率在一个周期内的平均值为零,所以畸将被移相?n×90°,这样只有4k+1(1,5,9,…变功率也具有无功功率的特征,它应该是非正弦无功次谐波才被正确移相。电子式电能表计量的谐波无功功率的一个组成部分。功率计量的绝对误差最大将达到2倍的谐波视在4非正弦无功电能对无功电能计量的影响功率6。4.1非正弦无功电能对电磁式无功电能计量的影响而且在对非正弦无功功率的计算一直采用Q电磁式无功电能计量的核心元件是基于电磁感应的机械式运动机构,且目前的电磁式无功电能计量绝∑ U, I, sing,三相非正弦电路无功功率依然为各相无大多数采用跨相法或基于跨相原理研制出专用无功电功功中国煤化工使用C. Budeanu提出能表。跨相无功电能表其计量元件的工作原理依然是的无CNMHG从而造成了理论上的有功电能计量原理,因此二者的本质是相同的,都是偏差。利用有功电能测量原理,通过改变电压、电流线圈的(下转第10页工业计量2009年第19卷第3期。计量测试与輸定METROLOGY TEST TECHNOLOGY VERIFICATION0456与FD-122G6闪烁辐射仪的效果比较0.35FD-3025能直接显示并打印结果,能提供测量)-3025矿石的品位Q。=F,虽然计算方法存在一定的问题,经验表明,在高品位的矿段显示矿体边界划分过宽储量计算过大。从理论上分析主要原因是该方法实距离际上是给定含量法的变形,而给定含量法代数精度零图1FD-3025与FD-122G6剖面测量品位对比图阶,误差较大2。但该仪器也可用12或4/5最大值法处理,可做到矿体边界划分清楚准确,品位计算合理,比较接近实际情况。在不需要特别精确的生产过程中,这一办法应值得推广。图1~图3是某铀矿某巷道内FD3025与FD一FD-3025一FD-12206122G6不带屏条剖面实测品位对比。两者的测量结果基本吻合,说明FD-3025通常情况下用于铀矿γ定向测量可行,误差可控。距离/mm7结论图2FD-3025与FD-122G6剖面测量品位对比图综上所述,FD-305的误差是有规律的,很好地认识掌握这些规律,对于正确客观地评价该仪器的测量结果,为矿山生产提供可靠的原始物探资料,进行地质储量评价和开采非常必要。[參考文献]FD-12206[1]章晔,华荣洲,石柏慎,放射性方法勘查[M],北京:原子能出版社3912345678[2]汤彬.y测井分层解释法[M],北京:原子能出版距离/mm社,1993.图3FD-3025与FD-122G6剖面测量品位对比图[编辑:邓茂焕](上接第3页)功,还能计量各次谐波产生的无功功率。这样不仅准但使用 Budeanu的定义进行无功功率的测量时在确计量∫无功功率,还同时分析了各次谐波,方便了硬件上一般需要高性能的数字处理芯片如DSP,ARM电能计量的管理等来支持,测量表计的成本也大幅提高,使其应用受其次,还应修改和制定一些相应的无功电能管理到限制。和计费规范,达到电能管理的科学化、规范化。实际应用过程中,在电力公司与牵引变电所的各自参考文献]计量表上反映的最大量差也出现在无功电能计量上面。[1邱海锋,周浩.电力系统无功测量方法综述[刀].电测5结论与仪表,2007,44(1):5-9无功电能计量在我国过去相当长时间内不很受重2卢斌,冉波,朱晓丽,李洵.电铁计量方式研究及运用[J].四川电力技术,2006,29(5):40-43.视,无功电能计量技术尚落后于有功电能计量,特别(3]谢婷,李群湛,王月红.牵引供电网络谐波分析[J],四是在电气化铁道这种特定环境下的无功电能计量更加川电力技术,2007,30(5):9-12滞后,给电力管理部门的管理与计费带来了极大(4]富致超,王伦展,耿心志,积分法测量无功功率的原理麻烦。初探[J].电测与仪表,2004,41(3):1-2通过上述分析,建议在电气化铁道的无功计量5]章健栗,鹏辉,贺芳,沈茕.非正弦电路无功功率及其对无时,一般不宜选用感应式无功电能表,也不能选用通中国煤化工0,4(4):9-12常的移相式电子式无功电能表。应当选用考虑谐波影[6]CNMHG·谐波对无功电能表计量响的,高准确度多功能电能表,不仅能计量基波的无守性的影响」.电网夜不,AD,29(16):56-60[编辑:邓茂焕]Industrial Measurement 2009 Vol 19 No. 3