電氣化鐵路諧波和不平衡負(fù)荷的監(jiān)測

電氣化鐵路諧波和不平衡負(fù)荷的監(jiān)測

0能源質(zhì)量分析儀的組成。電能質(zhì)量分析儀用6個16位A蛐D采樣，經(jīng)DSP計(jì)算得到高精度的電參數(shù),包括分相和三相綜合的U、I、P、Q、S、cosφ及廣義無功功率和頻率等29項(xiàng)參數(shù)，電參數(shù)的測量精度為0.05級。并以每周128點(diǎn)數(shù)據(jù)通過USB上傳到上位機(jī)，以進(jìn)行FFT分析，并畫出頻譜、波形圖。為了突出測量主要諧波，設(shè)有諧波門限，以便于把諧波幅值太小的噪聲隱去，使頻譜分析顯示簡潔明了,且諧波門限可調(diào)整;對電流、電壓、功率的基波分量進(jìn)行相序分解,求出不平衡度;計(jì)算電壓閃變,采用在兩次存盤間隔時(shí)間內(nèi)，捕捉三相電壓的前12個閃變V10大值進(jìn)行存儲，既抓住特性又節(jié)省內(nèi)存，同時(shí)顯示包絡(luò)線頻譜和諧波總量，以供參考。本儀器還能對新提出的許多電能質(zhì)量指標(biāo)實(shí)現(xiàn)測量。根據(jù)異步電流能量的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算動態(tài)異步電流能量和異步電流的李沙育圖形;根據(jù)瞬時(shí)功率曲線,計(jì)算絕對功率、穩(wěn)定系數(shù)等；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)文件的存儲，歷史數(shù)據(jù)的查閱由上位機(jī)完成。電流有1A蛐5A檔和卡鉗輸入端,電壓量程有50蛐100蛐200蛐400V檔,可自動量程切換。由于電參數(shù)測量精度為0.05級,故屬A類諧波儀,現(xiàn)場二次電流的分辨率可達(dá)1mA,特別適用于額定電流為1A的諧波分析。1能源質(zhì)量分析的新概念1.1主諧波門限的確定用FFT計(jì)算，可得出每一個交流量的諧波分量，以電流為例，其總有效值和諧波總量的計(jì)算公式為式中h為諧波次數(shù)，N為最大次諧波值。為了在頻譜分析中突出主諧波，在顯示程序中加了一個條件，即只顯示諧波量大于5%的諧波總量，主諧波門限可調(diào)整,如圖1所示。也可轉(zhuǎn)入觀察分相波形，其中包括電流、電壓、功率的曲線和頻譜。1.2基波向量的不對稱度三相不平衡分析主要是針對基波量，設(shè)由FFT計(jì)算出三相電流的基波向量的實(shí)部、虛部分別為：IAr、IAx、IBr、IBx、ICr、ICx,則相序分量可依對稱分量公式計(jì)算,并給出不對稱度。1.3與諧波電流的步能量比較異步電流能量是從交變的電樞反映磁場將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流發(fā)熱的觀點(diǎn)來推算有害能量的指標(biāo)。它假想從發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上看三相負(fù)荷電流的電樞反映磁場，當(dāng)三相電流對稱無諧波時(shí)，它相對于轉(zhuǎn)子是一恒定磁場，故它不會在轉(zhuǎn)子中感生渦流；若三相電流不對稱或包含諧波，則它相對于轉(zhuǎn)子是一個不斷變化的異步磁場，故它在轉(zhuǎn)子中必然會感應(yīng)出渦流熱量，我們稱其為異步電流能量，并以它作為一個電能質(zhì)量的測量指標(biāo)。如圖2所示，假想在發(fā)電機(jī)的突極轉(zhuǎn)子上加繞一個線圈Wd,并接有燈泡,當(dāng)三相電流對稱時(shí),則其負(fù)荷電流的電樞反映磁場相對于轉(zhuǎn)子而言是一恒定磁場,故它不會在Wd線圈中感應(yīng)電勢,因而燈泡也不會發(fā)熱;若三相電流不對稱或包含諧波,則三相電流的電樞反映磁場相對轉(zhuǎn)子而言是一個不斷變化的磁場,故它在線圈Wd中必然會感應(yīng)出電勢,燈泡中會流過電流并發(fā)熱。燈泡中發(fā)的熱量,稱作異步電流能量（簡稱異步能量）,而燈泡中流過的電流稱之為異步電流,它是由三相電流的電樞反映磁場和轉(zhuǎn)子不同步而引起的。由此可見,用異步能量的觀點(diǎn),可以允許三相電流是任意的時(shí)間函數(shù),甚至是非周期的函數(shù)，從而使常規(guī)的諧波和負(fù)序概念得以擴(kuò)充為異步電流和異步能量的概念。隨著電網(wǎng)中諧波和負(fù)序電流明顯增加,無論是對發(fā)電機(jī),還是對用戶負(fù)荷性質(zhì)的考核,都應(yīng)把負(fù)序電流與三相諧波電流的綜合影響歸納成一個指標(biāo)來衡量。但目前對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱的影響，只考慮負(fù)序電流I2或負(fù)序電流能量I22·T的影響,而未涉及諧波電流的影響；對用戶負(fù)荷只孤立地考慮各相電流、電壓的各次諧波分量,而未顧及三相不對稱電流的影響。本文引出的異步電流能量,是以前我們曾完成的模擬式異步電流能量儀(獲世界發(fā)明尤里卡金獎)的課題，它由數(shù)字硬件電路做成，其優(yōu)點(diǎn)是：即使對瞬時(shí)電負(fù)荷變動很大，且不是周期函數(shù)的負(fù)荷,也能用該儀器加以反映。但它的不足是不能與諧波儀的數(shù)字計(jì)算內(nèi)容結(jié)合在一起進(jìn)行諧波分析。為了能和諧波分析同用一組數(shù)據(jù)進(jìn)行異步能量的計(jì)算,需要提出異步能量的數(shù)值計(jì)算公式,可以將問題退回到周期函數(shù)的概念。異步電流Ig的數(shù)字化公式為式（3）所示,基波正序電流是與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，即從轉(zhuǎn)子上看，它是恒定磁場，因而它是無害的?；ㄘ?fù)序電流磁場是以2倍同步速率相對于轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn),所以是有害的。其它各次諧波的正序或負(fù)序分量的電樞反映磁場,相對轉(zhuǎn)子而言，它或者向前或者向后旋轉(zhuǎn)的，因而都會切割轉(zhuǎn)子而感應(yīng)渦流,也是有害的；而零序性質(zhì)的諧波則很容易治理,只要用D蛐Y接線的變壓器即可濾去,而且也不會流入到三線制的電機(jī)中,故不予考慮（應(yīng)當(dāng)減去）。所以異步電流的數(shù)值公式可表達(dá)為（3）式或（4）式,但結(jié)合電參數(shù)的計(jì)算,還是以（5）式計(jì)算更為簡便。感生電流″Ig″叫做異步電流,″Ig″的平方相對時(shí)間的積分叫做異步能量W1,異步能量愈大,對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的傷害也愈大，異步能量W1為本儀器也給出了動態(tài)異步能量的結(jié)果,它由(7)式采用差分方程表達(dá)為其中散熱系數(shù)KS反映的是異步能量積累中伴隨著電機(jī)熱耗散,動態(tài)異步能量不僅反映異步電流的大小,而且包含出現(xiàn)的時(shí)間間隔和出現(xiàn)的頻次。它幾乎正比于轉(zhuǎn)子的溫升。散熱系數(shù)KS=1599蛐1600和發(fā)電機(jī)長期允許的負(fù)序電流標(biāo)幺值為I∞觹≤7%,及與發(fā)電機(jī)廠家提供的負(fù)序電流能量A觹值=8相當(dāng),所以散熱系數(shù)的確定是來自一般發(fā)電機(jī)允許的負(fù)序電流的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)。一般情況下，散熱系數(shù)KS和I觹、A觹三者關(guān)系為隨著異步電流的變化而不斷變大或變小，W2(n）的最大值記為Wm是動態(tài)異步能量的最大值,如果Wm超過某個定值,發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子有可能損傷，它的限值為異步能量指標(biāo)同樣適用于變電站出線，它可通過母線短路容量來推算系統(tǒng)的等值發(fā)電機(jī)額定電流，因而式（9）依然有效。對一般出線而言，更簡便的規(guī)定是按二次額定電流5A,A觹值=8考慮,所以應(yīng)滿足Wm<200A2s,這是一個簡單判據(jù)。由于動態(tài)異步能量不斷積累和散熱,所以只要記錄最大的動態(tài)異步能量即可,它相當(dāng)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子曾達(dá)到過的最高溫度。本儀器也提供了一個異步電流的李沙育圖形,用以表達(dá)異步電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場,這個圖像是由異步電流的投影id(t)、iq(t)作為縱、橫坐標(biāo)變量所構(gòu)成的,其軟件界面如圖3所示。1.4諧波治理效果分析當(dāng)三相電壓、電流都沒有諧波,且三相對稱時(shí),三相瞬時(shí)功率曲線理論上是一條直線,它表明電磁反抗力矩是一條水平線,如圖4所示。當(dāng)三相含有諧波或不對稱時(shí),三相瞬時(shí)功率曲線就不再是水平線,它反映的是電磁反抗力矩和原動機(jī)恒定力矩之間有差別,并由此會出現(xiàn)機(jī)軸上的交變應(yīng)力和機(jī)械轉(zhuǎn)速的擺動。三相瞬時(shí)功率的平均值就是有功功率P，其方均根值定義為絕對功率Sj，將Wj=P蛐Sj定義為穩(wěn)定系數(shù),只有當(dāng)三相瞬時(shí)功率曲線是水平線時(shí)穩(wěn)定系數(shù)才有Wj=1,本儀器也給出了三相瞬時(shí)功率曲線和穩(wěn)定系數(shù)等指標(biāo)。對新余鋼鐵廠電爐煉鋼負(fù)荷實(shí)測的結(jié)果,其三相電流波形和三相瞬時(shí)功率曲線如圖5，通過歷史曲線查詢?nèi)鐖D6。由式(4)可知,一般說3倍異步電流要大于三相諧波總量,但個別相的諧波總量也可能超過異步電流,特別是異步電流不包含零序性質(zhì)的諧波。從圖6可見,新余鋼廠對諧波雖作了一些治理工作,但三相電流不對稱依然嚴(yán)重,其結(jié)果出現(xiàn)在異步電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于諧波總量的時(shí)刻,即最大異步電流為2.014A(負(fù)荷電流4～5A)時(shí),諧波總量為0.192A。經(jīng)歷6個小時(shí)測量，總異步能量積累2386.388A2s，最大動態(tài)異步電流能量Wm=809.583A2s，已超過200A2s的標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際軟件中,移動鼠標(biāo)，可同時(shí)看到該時(shí)刻的各項(xiàng)指標(biāo)。而該廠的平板車間,由于采用三相可控整流,經(jīng)諧波治理后,諧波電流=0.025A(負(fù)荷電流=1.25A),異步電流=0.026A，最大動態(tài)異步電流能量Wm=11.98A2s,小于200A2s的標(biāo)準(zhǔn)。動態(tài)異步電流能量具有占用的存儲空間小，物理概念明確的特點(diǎn)，從這個例子可以看出測量最大動態(tài)異步電流能量的重要意義。2諧波分析的次數(shù)和時(shí)間間隔電網(wǎng)諧波分析的不足可用下述2例來證明。(1）例1：電爐煉鋼用電負(fù)荷，其三相電流、電壓的變化十分迅速，如用兩臺諧波儀測量同一負(fù)荷，由于兩臺儀器的采樣時(shí)刻不可能同步，它們關(guān)于諧波分析的結(jié)論就可能很不相同。特別是當(dāng)兩組諧波分析數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間間隔較大時(shí)，這種不同更為明顯。而采用動態(tài)異步能量的算法，它是連續(xù)進(jìn)行積累和散熱的模擬，盡管數(shù)字式的異步能量公式，以0.5s為間隔來進(jìn)行積累計(jì)算,但它仍比每隔15分鐘記錄一次的諧波分析結(jié)果要真實(shí)可靠，并且它同時(shí)考慮了諧波和負(fù)序電流同時(shí)存在的影響。(2）例2：以電氣化鐵道的電氣機(jī)車為例，設(shè)每列機(jī)車爬坡時(shí)所產(chǎn)生的負(fù)序電流和諧波電流一定，如某一天有48列機(jī)車開過，諧波分析儀測得的最大諧波始終是一樣的，它就是每臺機(jī)車爬坡時(shí)的諧波。但從動態(tài)異步能量看，如果這48列機(jī)車以均勻的0.5小時(shí)間隔開過,則動態(tài)異步能量的積累為最小,因?yàn)樗玫搅俗詈玫纳釛l件。如果這48列機(jī)車集中在一個小時(shí)內(nèi)開過,則因?yàn)榍傲熊嚨臒崃糠e累后尚未散失完,緊接著下一列機(jī)車又到來,所以此刻異步能量的積累就會比上述情況高得多。諧波分析沒有從能量的角度考察問題，這是它的一個缺點(diǎn)。(3）以諧波測量為例,最終以95%概率大值作為測量報(bào)告的結(jié)果。如果進(jìn)行100次測量,設(shè)例1中的諧波電流總量100次都是1A,例2中的諧波電流總量只有6次為1A,其他都為零。這兩次測量結(jié)果的95%概率大值（按取第6名的粗劣估計(jì)）都是1A，顯然它沒有區(qū)分這兩種狀態(tài)危險(xiǎn)性不同。而用動態(tài)異步電流能量的角度來測