畢業(yè)設計電氣化鐵道電能質量分析與研究

1、山東職業(yè)學院畢業(yè)設計（論文）題目：電氣化鐵道電能質量分析與研究系別： 電氣工程系專業(yè)： 電氣化鐵道班級： 學生姓名： 指導教師： 完成日期： 24摘要電氣化鐵路牽引負荷是具有非線性、波動性和沖擊性的大容量不對稱負荷， 其電能質量問題具有特殊性。研究這些特性以及它們對于電力系統(tǒng)的影響是對 電氣化鐵路牽引負荷進行科學、合理的電能質量評估的基礎。 本文依據國家標準和行業(yè)導則，并考慮電能質量現有檢測水平，建立了電氣化鐵路牽引負荷電能質量評估的指標體系，并深入探討。評估指標體系中，納入了電壓偏差、頻率偏差、電壓波動與閃變、電網諧波含量、和三相電壓不平衡度5項電能質量指標。本文也指出了該指標體系進一步豐富

2、的方向。在綜述電能質量的衡量指標的基礎上，也對各指標偏差改善措施進行了總結的基礎上，分析了各種分析方法的優(yōu)缺點和適用范圍，幷提出靜止型動態(tài)無功補償裝置svc對電能質量的改善作用。對于進一步提高電能質量的研究提供參考。關鍵字 牽引負荷；電能質量；指標體系；改善措施目錄摘要i目錄ii1 緒論12電能質量32.1電能質量的定義32.2電能質量的衡量指標42.3電氣化鐵道供電系統(tǒng)的特性62.4電氣化鐵路電能質量的研究現狀和研究意義73 電氣化鐵道牽引負荷113.1電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)的負荷特性113.2電氣化鐵道牽引負荷對電能質量的影響因素124 改善電能質量的方法與措施144.1改善電能質量的意義

3、144.2電能質量的影響因素及提高方法與措施154.3 svc 靜止型動態(tài)無功補償裝置174.3.1 svc 的發(fā)展174.3.2 svc 的工作原理及在電網中應用174.3.3 諧波抑止與無功補償184.3.4 負序電流補償18總結20致謝22參考文獻231 緒論眾所周知，伴隨著時代的發(fā)展人類的進步，人類對于電器的使用已經進入了一個新紀元，可以說人類的生產、生活、社會的發(fā)展，都離不開電的使用。電力的應用已經滲透于人類的方方面面，但從人們的衣食住行就可以看出人們對于電器的使用以及對于電力的依賴，電力的應用促進了人類的生活模式，改善了人們的生活方式。社會的發(fā)展日趨優(yōu)越，而人類的生活也由手工勞作變

4、為機械工程，人類進入了一個高度信息化、機械化的時代。為順應時代的發(fā)展，提高人們生活質量，同時伴隨人們生活節(jié)奏的加快，人們對于電力不僅僅是簡單的使用，更要求對電能質量的提高，改善，以適應當代社會對電能的利用。目前,我國鐵路電氣化率已經達到45%,電氣化鐵路的快速發(fā)展對推動社會進步和經濟發(fā)展做出了重要作用。根據鐵道部中長期發(fā)展規(guī)劃,到2020年,中國鐵路總里程將達到12萬公里,其中電氣化鐵路里程將達到60%以上。電氣化鐵路是否發(fā)達已成為衡量一個國家現代化與否的重要標志。近幾年來,電氣化鐵路在世界范圍內得到了迅速的發(fā)展。但與此同時,電力機車需要的功率越來越大,對電網的沖擊性也越來越嚴重。電力機車產生

5、大量的諧波和負序電流注入牽引供電系統(tǒng),導致的牽引供電系統(tǒng)的電能質量下降。這一問題已引起世界各國的重視,各國針對本國電氣化鐵路的實際情況,并采取了多種治理措施。鐵路作為國民經濟的重要基礎設施，在我國綜合交通運輸體系中扮演重要角色。在加快建設節(jié)約型社會中，鐵路肩負著重要責任。一方面作為消耗能源的重點行業(yè)，在節(jié)能降耗、提高能源綜合應用效率方面大有潛力可挖;另一方面電氣化鐵路長期存在著功率因數低、諧波含量。這也充分證實了電能質量對于我國鐵路事業(yè)所具備的特殊意義。如何去改善、提高電能質量成為了我們電氣化鐵路的重中之重，理解電能質量對于電氣化鐵路牽引負荷所具有的意義。同時我國電氣化鐵路總里程已突破4.8萬

6、公里，躍升為世界第一位。其中，我國高速鐵路已達8600余公里，穩(wěn)居世界首位。通過我們對于電氣化鐵路電能質量，電氣化鐵路牽引負荷的學習與理解，了解如何去改善，提高電能質量。以備我們投身于祖國鐵路建設事業(yè)之中，為祖國鐵路事業(yè)貢獻自己的力量。2電能質量2.1電能質量的定義由發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產與消費系統(tǒng)。它的功能是將自然界的一次能源通過發(fā)電動力裝置轉化成電能，再經輸電、變電和配電將電能供應到各用戶。為實現這一功能，電力系統(tǒng)在各個環(huán)節(jié)和不同層次還具有相應的信息與控制系統(tǒng)，對電能的生產過程進行測量、調節(jié)、控制、保護、通信和調度，以保證用戶獲得安全、經濟、優(yōu)質的電能。電能質量即

7、電力系統(tǒng)中電能的質量。理想的電能應該是完美對稱的正弦波。一些因素會使波形偏離對稱正弦，由此便產生了電能質量問題。一方面我們研究存在哪些影響因素會導致電能質量問題，一方面我們研究這些因素會導致哪些方面的問題，最后，我們要研究如何消除這些因素，從而最大程度上使電能接近正弦波。電能質量是指通過公用電網供給用戶端的交流電能的品質。理想狀態(tài)的公用電網應以恒定的頻率、正弦波形和標準電壓對用戶供電。同時，在三相交流系統(tǒng)中，各相電壓和電流的幅值應大小相等、相位對稱且互差120。但由于系統(tǒng)中的發(fā)電機、變壓器和線路等設備非線性或不對稱，負荷性質多變，加之調控手段不完善及運行操作、外來干擾和各種故障等原因，這種理想

8、的狀態(tài)并不存在，因此產生了電網運行、電力設備和供用電環(huán)節(jié)中的各種問題，也就產生了電能質量的概念。圍繞電能質量含義，從不同角度理解通常包括1）電壓質量：是以實際電壓與理想電壓的偏差，反映供電企業(yè)向用戶供應的電能是否合格的概念。這個定義能包括大多數電能質量問題，但不能包括頻率造成的電能質量問題，也不包括用電設備對電網電能質量的影響和污染。2)電流質量：反映了與電壓質量有密切關系的電流的變化，是電力用戶除對交流電源有恒定頻率、正弦波形的要求外，還要求電流波形與供電電壓同相位以保證高功率因素運行。這個定義有助于電網電能質量的改善和降低線損，但不能概括大多數因電壓原因造成的電能質量問題。3)供電質量：其

9、技術含義是指電壓質量和供電可靠性，非技術含義是指服務質量。包括供電企業(yè)對用戶投訴的反映速度以及電價組成的合理性、透明度等。4）用電質量：包括電流質量與反映供用電雙方相互作用和影響中的用電方的權利、責任和義務，也包括電力用戶是否按期、如數交納電費等。2.2電能質量的衡量指標電能質量的主要指標有：電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、公用電網諧波和公用電網間諧波等。(1)電壓偏差是物理學上的專有名詞，指的是實際電壓與額定電壓之差對系統(tǒng)標稱電壓的百分數。35kv及以上供電電壓的正負偏差的絕對值之和不超過標稱電壓的10%，10kv及以下三相供電電壓允許偏差為標稱電壓的7%，220v單相供

10、電電壓允許偏差為標稱電壓的7%、10%；系統(tǒng)無功功率不平衡是引起系統(tǒng)電壓偏離標稱值的根本原因。頻率偏差是指電力系統(tǒng)在正常運行條件下，系統(tǒng)頻率的實際值與標稱值之差。頻率偏差表達式為：頻率偏差=實際頻率標稱頻率（我國系統(tǒng)標稱頻率為50hz，國外有60hz的）；我國電力系統(tǒng)的正常頻率偏差允許值為0.2hz，當系統(tǒng)容量較小時，頻率偏差值可以放寬到0.5hz；系統(tǒng)有功功率不平衡是產生頻率偏差的根本原因。指三相電力系統(tǒng)中三相不平衡的程度，用電壓或電流負序分量與正序分量的方均根值百分比表示。（3）電壓波動和閃變 電壓波動和閃變的危害表現在:1）照明燈光閃爍，引起人的視覺不適和疲勞，影響工效;2）電視機畫面亮

11、度變化，垂直和水平幅度搖動;3）電動機轉速不均勻，影響產品質量;4）使電子儀器、電子計算機、自動控制設備等工作不正常;5）影響對電壓波動較敏感的工藝或試驗結果。電壓波動值為電壓調幅波中相鄰兩個極值電壓um.:和u、。均方根之差u，常以其額定電壓un的百分數表示其相對百分值(3)中國國家標準gb12326一90(電能質量電壓允許波動和閃變規(guī)定在公共供電點的電壓波動允許值，如表1所示。研究證明，人眼對頻率約為10h:的衰1電壓波動允許值電壓波動最為敏感，為此一般采用等效10h:。作為衡量閃變的指標。此外，“閃變”是照明亮度變化對人的刺激，這種刺激的不適感宜用一段時間的平均值來衡量，因此，式中v月為

12、電壓調幅波中頻率為f的正弦波分量一分鐘均方根平均值，以額定電壓的百分數表示。通常采取的技術措施有:1）改進運行操作和工藝。如電動機降壓起動等技術措施，電弧爐電極升降的自動調節(jié)和將爐料中大的廢鋼鐵塊加以破碎等。2）提高供電能力。架設專線將大容量沖擊性負荷用戶接至較高電壓等級的供電系統(tǒng)。3）安裝補償器。采用快速響應的靜止無功補償器或靜止無功發(fā)生器對負荷波動進行實時動態(tài)補償，是最常用的技術措施。4）電壓波動和閃變一系列電壓隨機變動或工頗電壓包絡線的周期性變化，以及由此引起的照明閃變。它是電能質量的一個重要技術指標。在電力系統(tǒng)中具有沖擊性功率的負荷(如軋機、電弧爐)時，電力網中的電壓降將發(fā)生相應變化，

13、導致電壓波動。沖擊性負荷可分為周期性沖擊負荷和非周期性沖擊負荷兩類。其中周期性或近似周期性的沖擊性負荷的影響更為嚴重。電壓波動使電能用戶不能正常工作，在人民生活中最受影響的是白熾燈的閃變。頻率在512hz范圍內的電壓波動值，即使只有額定電壓的1%，其引起的白熾燈照明的閃變，已足以使人感到不舒適，所以選白熾燈的工況作為判斷電壓波動值，把電壓變動而引起人對燈閃的主觀感覺叫“閃變”。廣義的閃變包括電壓波動的全部有害作用，但不能以電壓波動來代替閃變，因為閃變是人對照度波動的主觀視感。閃變的主要決定因素: 供電電壓波動的幅值、頻度和波形， 照明裝!，以對白熾燈的照度波動形響最大，而且與白熾燈的功率和額定

14、電壓等有關;指三相電力系統(tǒng)中三相不平衡的程度，用電壓或電流負序分量與正序分量的方均根值百分比表示。諧波（分量）：對周期性交流量進行傅立葉級數分解，得到頻率為基波頻率大于1整數倍的分量成為諧波（分量）?；ǎǚ至浚簩χ芷谛越涣髁窟M行傅立葉級數分解，得到的頻率與工頻相同的分量稱為基波（分量）2.3電氣化鐵道供電系統(tǒng)的特性電氣化鐵道供電系統(tǒng)我國電氣化鐵路(接觸網)采用單相工頻交流制，額定電壓為25kv。牽引變電所3、饋電線4、接觸網5、鋼軌6和鋼軌回流線7等組成。電力部門管轄的電力系統(tǒng)與鐵路部門管轄的牽引供電系統(tǒng)是在牽引變電所高壓進線的門形架處分界?，F將牽引供電系統(tǒng)各部分的功用簡述如下：（1）牽引

15、變電所牽引變電所的作用是將110kv(或220kv)三相交流高壓電變換為27.5(或55)kv，然后以27.5(或55)kv的電壓等級向牽引網供電。（2）接觸網接觸網是一種懸掛在電氣化鐵道線路上方，并和鐵路軌頂保持一定距離的鏈形或單導線的輸電網。電力機車的受電弓和接觸網滑動接觸取得電能。接觸網的額定電壓為25kv。 （3）饋電線饋電線是連接牽引變電所和接觸網的導線，把牽引變電所變換后的電能送到接觸網。（4）軌道在非電牽引情形下，軌道只作為列車的導軌。在電氣化鐵道，軌道除仍具上述功用外，還需要完成導通回流的任務，是電路的組成部分。因此，電氣化鐵道的軌道應具有暢通導電的性能。（5）回流線連接軌道和

16、牽引變電所中主變壓器接地相之間的導線稱為回流線，它也是電路的組成部分，其作用是將把軌道、地中的回路電流導入牽引變電所，牽引供電回路是：牽引變電所饋電線接觸網電力機車鋼軌和大地回流線牽引變電所。習慣上，把饋電線、接觸網、鋼軌、回流線叫做牽引網。（6）分區(qū)所在電氣化鐵道上，為了提高運行的可靠性，增加供電工作的靈活性，在相鄰兩變電所供電的相鄰兩供電分區(qū)的分界處常用分相絕緣器斷開。若在斷開處設置開關設備和相應的配電裝置，則組成分區(qū)所。電力牽引供電系統(tǒng)的主要特點我國電力牽引供電系統(tǒng)的主要特點有以下幾方面：電力機車是單相移動性隨機負荷，是一種負序源。非線性整流器機車，成為一種諧波源，并從電力系統(tǒng)和牽引供電

17、系統(tǒng)獲取無功。供電方式及設備種類多樣化，有直接供電方式、帶回流線的直接供電方式、串聯(lián)吸流變壓器、bt供電方式、自耦變壓器at供電方式，這些供電方式的技術和經濟特性有較大的差異。對牽引變壓器，有單相、yn，d11接線、斯科特接線、伍德橋接線、阻抗匹配平衡型、三相不等容量型等形式，它們具有不同的結構和性能特點。由于供電方式不同，接觸網結構類型也較多。牽引供電系統(tǒng)和電力機車在電氣上是個連續(xù)的整體，易于實現自動化和信息化管理。牽引供電系統(tǒng)中存在的主要技術問題，包括牽引變壓器供電能力的提高及增容、牽引網電壓的調節(jié)、電力系統(tǒng)要求對諧波、負序、無功的治理等。為解決這些技術問題，在設計和運行中需要對牽引供電系

18、統(tǒng)進行深入研究，例如：對各種供電方式的結構、參數、性能的分析計算和優(yōu)化；對變壓器過負荷能力及對負荷平衡能力的研究；對諧波、負序、無功、電壓損失、防干擾能力等進行系統(tǒng)地分析和綜合治理研究等等。 對電氣化鐵道供電系統(tǒng)基本要求1）保證向電氣化鐵路安全、可靠、不間斷地供電；2）提高供電質量，保證必需的電壓水平；3）提高功率因數，減少電能損失，降低工程投資和運營費用；4）盡量減少單相牽引負荷在電力系統(tǒng)中引起的負序電流、負序電壓和高次諧波的影響；5）盡量減小對鄰近的通信線路的干擾影響。我國電氣化鐵道已運營了幾十年，在實踐中積累了大量的經驗，但與鐵路電氣化發(fā)達國家相比，在技術及裝備上仍有較大的差距。特別是在

19、面臨高速、重載和擴能要求下，電氣化鐵道供電系統(tǒng)中更有許多技術難題需要解決。2.4電氣化鐵路電能質量的研究現狀和研究意義目前,我國鐵路電氣化率已經達到45%,電氣化鐵路的快速發(fā)展對推動社會進步和經濟發(fā)展做出了重要作用。根據鐵道部中長期發(fā)展規(guī)劃,到2020年,中國鐵路總里程將達到12萬公里,其中電氣化鐵路里程將達到60%以上。電氣化鐵路是否發(fā)達已成為衡量一個國家現代化與否的重要標志。近幾年來,電氣化鐵路在世界范圍內得到了迅速的發(fā)展。但與此同時,電力機車需要的功率越來越大,對電網的沖擊性也越來越嚴重。電力機車產生大量的諧波和負序電流注入牽引供電系統(tǒng),導致的牽引供電系統(tǒng)的電能質量下降。這一問題已引起世

20、界各國的重視,各國針對本國電氣化鐵路的實際情況,并采取了多種治理措施。鐵路作為國民經濟的重要基礎設施，在我國綜合交通運輸體系中扮演重要角色。在加快建設節(jié)約型社會中，鐵路肩負著重要責任。一方面作為消耗能源的重點行業(yè)，在節(jié)能降耗、提高能源綜合應用效率方面大有潛力可挖;另一方面電氣化鐵路長期存在著功率因數低、諧波含量。svc裝置投入運行后,牽引變電所的電能質量得到了較大改善,有效抑制了無功倒送問題,并且tcr型svc裝置響應速度快,能夠滿足電力機車時變的運行狀態(tài)所需無功,平均功率因數不低于0.98。由仿真研究證明采用tcr型svc裝置作為對電氣化鐵路的治理方案是切實可行的?；趕vc裝置動態(tài)仿真模型

21、對電能質量改善的有效性,并根據牽引變電所系統(tǒng)的實際參數,仿真計算出svc裝置對牽引變電所電能質量問題的改善效果：svc裝置除了能夠有效抑制諧波、降低母線電壓總畸變率外,還可以動態(tài)補償無功功率,使得牽引變電所的功率因數大大提高。svc裝置投入后,山海關牽引變電所主要的電能質量指標均滿足國標限值要求。本文的研究內容主要包括電氣化鐵路牽引變電所、電力機車、電能質量治理裝置進行建模仿真；對牽引變電所進行電能質量測試評估；最后采用合理的治理裝置進行電能質量治理并驗證治理效果。這一對電氣化鐵路的電能質量問題的研究過程科學合理,對于分析并解決電氣化鐵路的電能質量問題具有較強的理論價值和工程應用價值。在加快建

22、設節(jié)約型社會中，鐵路肩負著重要責任。鐵道運輸采用電力機車牽引，比蒸汽機牽引和內燃機牽引有較大的優(yōu)越性，我國電氣化鐵道也承擔鐵路總貨物周轉量的50以上，這將帶來巨大的經濟和社會效益，但也對供電系統(tǒng)和鄰近的廣大電力用戶帶來較大的諧波干擾和其他不利影響。單相交流工頻是全世喬鐵路電力牽引廣泛應用制式，也是我國干線電氣化鐵路所采用的制式。我國電氣化鐵路牽引負荷由于其結構上的不對稱，導致返回系統(tǒng)的電流中含有大量負序電流和諧波電流。電氣化鐵路對電力系統(tǒng)的影響有如下幾個方面：（1）對旋轉電機的影響1） 汽輪發(fā)電機轉子是受負序電流影響最敏感的部件，因為汽輪發(fā)電機轉子的諧波和負序溫升比定子大，存在局部的突出高溫部

23、位，國內曾發(fā)生過向電氣化鐵道供電的汽輪發(fā)電機轉子部件嵌裝面過熱受損的事故。并且當負序電流流過發(fā)電機時，產生負序旋轉磁場，產生負序同步轉矩，使發(fā)電機產生附加振動。諧波也會引起電機的振動并發(fā)出噪聲，長時間的振動會引起金屬疲勞機械損壞。2） 對于鄰近牽引變電所而遠離（指電氣距離）電源的異步電動機，其定子繞組為是受負序電流影響最敏感的部件。當負序電流流過時將在電動機中產生一個反向旋轉磁場，此反向磁場對電動機轉子起制動作用，影響其出力，降低其運行效率。 （2）對繼電保護的影響電力機車的開停次數多，而且行進中每當通過無電區(qū)要先跳閘再合閘，從而頻繁引起變壓器涌流，產生較大的暫態(tài)諧波與負序?？赡軐^電保護系統(tǒng)

24、產生如下影響：1） 機的負序線路距離保護的負序啟動元件頻繁啟動；2）發(fā)電電流保護誤動；3）變電站主變壓器的復合電壓啟動過電流保護裝置的負序電壓啟動元件誤動；2） 母線差動保護的負序電壓閉鎖元件誤動；5） 線路相差高頻保護誤動；6） 自動故障錄波裝置的負序啟動元件的誤啟動，導致無故障記錄而浪費記錄膠卷，在頻繁誤動時，可能造成未能及時裝好新膠卷而導致發(fā)生故障時無記錄；7） 當諧波注入系統(tǒng)，在諧振或諧波放大的情況下，會造成過流、過壓、過負荷及過熱，可能造成電容器或串聯(lián)電抗器的損壞，導致無功補償裝置無法投入運行。 （3）對電力變壓器的影響諧波電流在變壓器繞組會產生附加損耗，該損耗相當大，除此之外還能引

25、起外殼、外層硅鋼片某些緊固件發(fā)熱，并可能局部過熱，加速變壓器的老化，影響其使用壽命。負序電流造成電力系統(tǒng)三相電流不對稱，造成變壓器的額定出力不足（即變壓器容量利用率下降）。（4）對輸電線路的影響諧波使電網網損增大，在發(fā)生系統(tǒng)諧振或諧波放大的情況下，諧波網損可達到相當大的程度。負序電流流過電網時，它并不做功，而只造成電能損失，從而降低了電力線路的輸送能力。 （5）對電能計量的影響對電氣化鐵道而言，基波功率為其有效功率，諧波功率為其向電網注入的有害功率一諧波網損。目前常用的電能計量表計為：感應式電能表、電子式電能表。感應式電能表的頻率范圍狹窄，所計量的電能值是基波電能與各次諧波電能的“部分”矢量和

26、。電子式電能表在khz以內頻響特性較好，所計量的電能值是基波電能與各次諧波電能的矢量和。電網中常用的計量方式為：電能表準確反映實際電能，即基波與諧波的綜合電能。采用這種方式諧波源不僅向系統(tǒng)中注入諧波功率，危害電力系統(tǒng)和其他用戶，且少支付了該部分對應電費；而線性用戶電能表計量大于基波電能，受到諧波損害還要多交電費。這種方式顯然不太合理。正確的預測是進行科學決策的依據。隨著新建電氣化鐵路的增加、既有電氣化鐵路的擴容、機車技術的進步以及電力系統(tǒng)自身的發(fā)展，電氣化鐵路帶來的電能質量問題將達到何種程度，對電力系統(tǒng)自身的規(guī)劃是否會造成影響，需要進行研究。進行電氣化鐵路對電網電能質量影響的預測研究，對電氣化

27、鐵路接入條件及干擾限制措施。在加快建設節(jié)約型社會中，鐵路肩負著重要責任。鐵道運輸采用電力機車牽引，比蒸汽機牽引和內燃機牽引有較大的優(yōu)越性，我國電氣化鐵道也承擔鐵路總貨物周轉量的50以上，這將帶來巨大的經濟和社會效益，但也對供電系統(tǒng)和鄰近的廣大電力用戶帶來較大的諧波干擾和其他不利影響。單相交流工頻是全世喬鐵路電力牽引廣泛應用制式，也是我國干線電氣化鐵路所采用的制式。我國電氣化鐵路牽引負荷由于其結構上的不對稱，導致返回系統(tǒng)的電流中含有大量負序電流和諧波電流。3 電氣化鐵道牽引負荷3.1電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)的負荷特性 電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)的負荷特性主要取決于電力機車的電氣特性、鐵路線路條件和運輸

28、組織方案等因素。 （一）電力機車的電氣特性1）交直型電力機車電力機車從接觸網取得25kv工頻單相交流電,經車載變壓器降壓為1500v,整流后向牽引電動機供電。交直型電力機車工作原理如下圖所示:交流25kv接觸網受電弓斷路器直流電機整流器1500v車載變壓器交直型電力機車采用半控橋式整流,通過晶閘管控制導通角來控制機車出力,所以,交直機車在整流過程中會產生獨立他勵系統(tǒng)輔助回路牽引電流從鋼軌回流至變電所鋼軌諧波,功率因數較低。2）交直交型電力機車(動車組)為克服交直型電力機車的缺點,世界各國競相開展了交流傳動電力機車的研制,1979年德國開發(fā)了世界首臺大功率干線交流傳動電力機車,隨后歐洲等主要發(fā)達

29、國家迅速推廣采用。我國于1991年開始進行交流傳動電力機車的研究,先后研制成功了交直交動車組和交直交貨運電力機車。近年已從國外引進技術合資合作生產高速動車組,第六次大提速已開始大量投入運行,今后將全面推廣交直交型電力機車和動車組。交流25kv接觸網受電弓斷路器整流器車載變壓器直流逆變器交流電機輔助回路牽引電流從鋼軌回流至變電所鋼軌交直交型電力機車工作原理圖交直交機車采用四象限整流,通過gto或igbt控制導通和關斷角來控制機車的出力,可分別控制導通和關斷機車主變壓器的若干個低壓繞組的整流,使電流波形逼近正弦波,且電流與電壓的相位基本同步。所以,交直交型電力機車的諧波含量很小、功率因數高。(二)

30、列車的負荷特性列車的負荷大小,主要與列車牽引質量、運行速度、線路坡度等因素有關。1）列車負荷與牽引質量的關系在運行速度、線路坡度相同的情況下,列車負荷與牽引質量成正比。2）列車負荷與運行速度的關系列車運行速度越高,空氣阻力越大,空氣阻力隨速度呈幾何級數增長。在牽引質量、線路坡度相同的情況下,運行速度越高,牽引功率和能耗大幅度提高。(三)鐵路運輸組織方案對牽引負荷的影響鐵路根據運量和線路條件編制運輸組織計劃,列車在行車調度的指揮下,在鐵路上按信號運行。單線鐵路一般采用站間閉塞方式,一個區(qū)間只能有1列車運行。雙線鐵路一般采用劃分區(qū)段閉塞方式,按固定間隔時間追蹤運行,目前貨車一般追蹤時間間隔8分鐘,

31、最小追蹤時間間隔5分鐘;客運專線高速列車設計最小追蹤時間間隔,近期4分鐘,遠期3分鐘,城際列車在高峰期可能比照市內軌道交通追蹤時間間隔更小。鐵路建設時,基礎設施均按遠期線路能力一次規(guī)劃建設到位,運輸設備按近期需要配置。(四)牽引變電所負荷特性牽引變電所一般向兩側供電臂供電,牽引變電所的負荷大小,與供電臂中運行的列車數量、鐵路線路坡度及列車運行速度等因素有關。實測牽引變電所負荷曲線實例如下圖:牽引變電所負荷具有如下特點:負荷波動頻繁鐵路沿線線路條件千差萬別,列車運行時速度和線路坡度隨時都在變化;且列車在鐵路上按信號運行,在鐵路運輸狀態(tài)發(fā)生變化時,在供電臂內列車數量疏密不等。所以,牽引變電所兩供電

32、臂內,列車的數量及每一列車的負荷狀態(tài)隨時都在變化,牽引變電所的負荷呈現出頻繁波動的狀態(tài)。3.2電氣化鐵道牽引負荷對電能質量的影響因素電氣化鐵路迅速發(fā)展的同時對電力系統(tǒng)帶來了一些不利影響。諧波和負序是電氣化鐵路負荷引起電網電能質量問題的兩個根本原因。因此,結合具體的地區(qū)電網模型,對其電能質量影響進行預測評估具有一定實踐意義。電氣化鐵路電力機車是大功率單相整流負荷，對于三相對稱的電力系統(tǒng)供電來說，電氣化鐵路牽引負荷具有非線性、不對稱和沖擊性等特點，將產生三相不平衡的諧波電流和基波負序電流注入系統(tǒng)，引起公共連接點母線的諧波電流、諧波電壓、三相電壓不平衡度等多項電能質量指標超標，嚴重影響了電力系統(tǒng)安全

33、、經濟、穩(wěn)定運行和電力用戶的安全用電，造成發(fā)電機跳閘，繼電保護誤動作，發(fā)電機轉子燒壞，電力電容器及用戶的電動機等用電設備的損壞。所以，根據國家有關標準必須對此類負荷接入電網后所產生的諧波、負序、電壓閃變等進行分析論證。如不能滿足國家標準所規(guī)定的允許值，則必須采取補償措施。隨著電氣化鐵路的比重增加，對系統(tǒng)各組成部分及其相互關系的研究提出了更高的要求電力牽引系統(tǒng)還存在有若干技術難題尚未有效的解決，諸如諧波、無功、負序、弓網關系、故障探測、繼電保護等深層次的問題，使系統(tǒng)很難達到最優(yōu)化的運行狀態(tài)在重載及高速電氣化的鐵路中這些問題更加突出，將會嚴重影響到我國鐵路電氣化的發(fā)展。因此提高電網系統(tǒng)的可靠性及電

34、能質量已迫在眉睫，具有十分重要的意義。研究現狀在我國現行電網條件下，電力機車運行時，對供電電網產生了很大的影響。電力機車的供電和驅動方式決定了大功率單相整流牽引性的負荷特性，因此具有以下特點1）不對稱性，產生負序電流，引起電網三相不對稱2）非線性，產生諧波，引起電壓波形畸變3）沖擊性，引起電壓波動4）功率因數低。在畸變系統(tǒng)中，諧波同時影響了系統(tǒng)的無功功率和功率因數，并且產生諧波的裝置一般也要消耗基波無功，補償諧波的裝置一般也是補償基波無功的裝置。4 改善電能質量的方法與措施4.1改善電能質量的意義電能質量是指通過公用電網供給用戶端的交流電能的品質，通常是指電網線路中電能的好壞情況，當電風的電能

35、質量被干擾或污染，達不到國家相關標準時，就要有去聲生地對電風進行電能質量改善。電能質量直接關系到國民經濟的總體效益，良好的電能質量無疑對電氣設備的運行有利。不良的電能質量對電力系統(tǒng)運行的不利影響也已引起人們足夠的重視，電能質量問題主要影響電氣設備的性能指標，如：不正常的電壓和頻率偏差會引起異步電機負荷的轉速和功率變化，導致傳動機械的效率降低，使紡織，造紙等產品的質量受到影響，諧波電流在旋轉電機，輸電線路，變壓器等輸配電設備中流通過，使這些設備因產生附加損耗而過熱，從而降低了這些設備的壽命或容量，從危害程度來看，某些電能質量問題的危害是破壞性的，如雷電波沖擊，電容器和電纜線路投切時因諧波諧振而引

36、起的過電壓，往往造成電氣設備的絕緣和機械損壞，從而影響電力系統(tǒng)的政黨運行，繼電保護裝置因諧波和負序干擾引起誤動造成電網大面積停電，會造成巨大的經濟損失，甚至危害人身安全。電氣化鐵路鐵路作為國民經濟的重要基礎設施，在我國綜合交通運輸體系中扮演重要角色。在加快建設節(jié)約型社會中，鐵路肩負著重要責任。一方面作為消耗能源的重點行業(yè)，在節(jié)能降耗、提高能源綜合應用效率方面大有潛力可挖。電力牽引相對內燃牽引具有污染小、可綜合利用各種能源、功率大，能源綜合利用率高等特點，因此在各國都得到廣泛的應用。近幾年以來我國加快了鐵路建設的速度，其中電氣化線路占了很大的比重。另一方面隨著電氣化鐵路發(fā)展，牽引負荷對電力系統(tǒng)的

37、電能質量的影響問題，也越來越引起人們的關注。電力牽引負荷為單相非線性沖擊負荷，功率大，在運行過程中有較大的負序電流注入電網，導致電力系統(tǒng)三相不對稱運行，還會產生高次諧波，使電網電壓波形產生畸變，以及大量無功的需求使供電系統(tǒng)電壓偏移和波動，從而使電網的電能質量受到嚴重影響。牽引負荷的負序、諧波、無功以及電壓波動，幾者間具有一定的內在聯(lián)系，因此有必要其進行分析研究，并提出綜合治理措施，力求把電力牽引負荷電能質量的影響降到最低程度，其中負序和諧波是焦點問題。我國西北和中原電氣化鐵路比較發(fā)達的地區(qū)的電力系統(tǒng)和電力用戶己實實在在地受到電氣化牽引負荷的影響和危害。電氣化鐵路諧波和負序曾引發(fā)電力系統(tǒng)局部大面

38、積停電事故。諧波和負序還時常引發(fā)系統(tǒng)諧振、保護誤動作，造成中小型發(fā)電機轉子損壞以及并網困難。因此，電氣化鐵路這種流動性大同時嚴重影響電能質量的負荷進入經濟發(fā)達地區(qū)，電力部門如何既要保證以安全和經濟的方式向電氣化鐵路供電，又不影響電網和機組的安全經濟運行以及其它用戶（特別是精密制造企業(yè)）的正常用電，是值得認真研究的課題。電能質量問題受到人們越來越多的關注。4.2電能質量的影響因素及提高方法與措施電能質量直接關系到電力系統(tǒng)的供電安全和供電質量,電網系統(tǒng)各個客戶端的用電設備(特別是大功率用電設備,變頻設備等)會給電網造成影響或者可以說是用電污染,造成電壓不穩(wěn),過電壓,產生諧波等.同時,給自身以及其它

39、用戶正常用電帶來一定的影響.（1）自然因素的影響如雷擊,風暴,雨雪等對電能質量的影響,使電網發(fā)生故障,造成供電可靠性降低.（2）電力設備及自動保護裝置的影響如大型電力設備的啟動和停運,自動開關的（3）電力客戶的非線性負荷,沖擊性負荷的影響如煉鋼電弧爐,電氣化機車運行等對電能質量的影響,使公用電網產生大量的諧波干擾,產生電壓擾動,電壓波動與閃變等（4）諧波污染對電網的影響1) 造成電網的功率損耗增加,設備壽命縮短,接地保護功能失常,遙控功能失常,線路和設備過熱等,特別是二次諧波會產生非常大的中性線電流,使得配電變壓器的零線電流甚至超過相線電流值,造成設備的不安全運行.諧波對電網的安全性,穩(wěn)定性,

40、可靠性的影響還表現在可能引起電網發(fā)生諧振,使正常的供電中斷,事故擴大,電網解列等2) 引起變電站局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振,造成電壓互感器等設備損壞;造成變電站系統(tǒng)中的設備和元件產生附加的諧波損耗,引起電力變壓器,電力電纜,電動機等設備發(fā)熱,電容器損壞,并加速絕緣材料的老化;造成斷路器電弧熄滅時間的延長,影響斷路器的開斷容器;造成電子元器件的繼電保護或自動裝置誤動作;影響電子儀表和通信系統(tǒng)的正常工作,降低通信質量;增大附加磁場的干擾等.變電站的設計和投運以及新的電力用戶投運之前都要進行諧波源負荷及電能質量要等方面的技術咨詢,線路網絡改造和建設也要結合運行負荷的特點和措施,以降低線損,降低設備事故;最

41、后才是開展濾波裝置或無功補償裝置的研制,調試和現場測試,以了解治理后的效果,并總結經驗.近些年來新起來的靜止無功補償。svc)裝置是一種快速調節(jié)無功功率的裝置,已成功地用于電力,冶金,采礦和電氣化鐵道等沖擊性負荷的補償,它可使所需無功功率作隨機調整,從而保持在非線性,沖擊性負荷連接點的系統(tǒng)電壓水平的恒定.采用無源濾波裝置圓該裝置由電容器,電抗器,有時還包括電阻器等無源元件組成,以對某次諧波或其以上次諧波形成低阻抗通路,以達到抑制高次諧波的作用.由于svc的調節(jié)范圍要由感性區(qū)擴大到容性區(qū),所以濾波器與動態(tài)控制的電抗器一起并聯(lián),這樣既滿足無功補償,改善功率因數,又能消除高次諧波.采用有源濾波器雖然

42、無源濾波器具有投資少,效率高,結構簡單及維護方便等優(yōu)點,在現階段廣泛用于配電網中,但由于濾波器特性受系統(tǒng)參數影響大,只能消除特定的幾次諧波,而對某些次諧波會產生放大作用,甚至諧振現象等因素,隨著電力電子技術的發(fā)展,人們將濾波方向逐步轉向有源濾波器1) 運用svc裝置可以有效地提高電力設備安全運行的可靠性,且使用范圍廣價格便宜,但是要求維護人員的技能水平高.2) 采用無源濾波裝置可以減少諧波的次數,但是其投資成本過高.3) 采用有源濾波裝置可以有效地補償各次從子網人手,統(tǒng)一規(guī)劃子網站點冗余,如提供獨立的stm一1時隙用于2m業(yè)務落地.在子網和主干環(huán)路的時隙中配置冗余度足夠的直通數據,用于節(jié)點至中

43、心站的匯聚業(yè)務,使節(jié)點與中心站兩側的時隙一一對應,便于數據檢查和維護.在各站點數據配置時,預留一定時隙用于站間業(yè)務通信.通過這樣幾步,在緩解網絡冗余度不足的同時,也提供了維護檢修的便。4.3 svc 靜止型動態(tài)無功補償裝置4.3.1 svc 的發(fā)展靜止型動態(tài)無功補償裝置svc是一種先進的高壓電網動態(tài)功率因數補償裝置。它通過提高功率因數來節(jié)約大量的電能,同時又起到減少電網諧波、穩(wěn)定電壓、改善電網質量(環(huán)境)的作用。20世紀70年代以來,以晶閘管控制的電抗器(tcr)、晶閘管投切的電容器(tsc)以及二者的混合裝置(tcr+tsc)等主要形式組成的靜止無功補償器(svc)得到快速發(fā)展。svc可以看

44、成是電納值能調節(jié)的無功元件,它依靠電力電子器件開關來實現無功調節(jié)。svc作為系統(tǒng)補償時可以連續(xù)調節(jié)并與系統(tǒng)進行無功功率交換,同時還具有較快的回應速度,它能夠維持端電壓恒定。4.3.2 svc 的工作原理及在電網中應用 tcr+tsc型svc由1臺tcr、2臺tsc以及2個無源濾波器組成,在實際系統(tǒng)中,tsc及無源濾波的組數可根據需要設置。tcr的工作原理是通過控制與相控電抗器連接的反并聯(lián)晶閘管對的移相觸發(fā)脈沖來改變電抗器等效電納的大小,從而輸出連續(xù)可變的無功功率。兩個晶閘管分別按照單相半波交流開關運行,通過改變控制角可以改變電感中通過的電流。的計量以電壓過零點為基準,在90180之間可部分導通

45、,導通角增大則電流基波分量減小,等價于用增大電抗器的電抗來減小基波無功功率。導通角在90180之間連續(xù)調節(jié)時電流也從額定到0連續(xù)變化,tcr提供的補償電流中含有諧波分量。tsc的工作原理是根據負載感性無功功率的變化通過反并聯(lián)晶閘管對來切除或者投入電容器。這里,晶閘管只是作為投切開關,而不像tcr中的晶閘管起相控作用。在實際系統(tǒng)中,每個電容器組都要串聯(lián)一個阻尼電抗器,以降低非正常運行狀態(tài)下產生的對晶閘管的沖擊電流值,同時避免與系統(tǒng)產生諧振。用晶閘管投切電容器組時,通常選取系統(tǒng)電壓峰值時或者過零點時作為投切動作的必要條件。由于tsc中的電容器只是在兩個極端的電流值之間切換,因此它不會產生諧波,但它

46、對無功功率的補償是階躍的。tcr和tsc組合后的運行原理為:當系統(tǒng)電壓低于設定的運行電壓時,根據需要補償的無功量投入適當組數的電容器組,并略有一點正偏差(過補償),此時再利用tcr調節(jié)輸出的感性無功功率來抵消這部分過補償容性無功;當系統(tǒng)電壓高于設定電壓時,則切除所有電容器組,只留有tcr運行。4.3.3 諧波抑止與無功補償 利用svc動態(tài)無功補償裝置對牽引供電系統(tǒng)的諧波和無功進行綜合治理的關鍵是svc最大無功補償量的確定和濾波器支路的設計。svc最大無功補償量qsvc應該和設計線路牽引負荷的大小相適應,應該按電氣化鐵道牽引負荷的最大有功需求以及補償后對裝設地點功率因數或在最大無功沖擊時的最大電

47、壓損耗的要求來確定,具體可以按照式(1)、(2)來計算。 qsvc=(tan1-tan2)pmax(1) 式中,1、2 分別為補償前后110kv 電源測功率 因子角;pmax 為電鐵負荷最大有功需求。qsvc=qfmax-u%xs(2) 式中,qfmax 為裝設地點最大無功沖擊;u%為裝設地點最大電壓損耗要求;xs為系統(tǒng)阻抗。要想達到理想的諧波抑止效果,必須綜合考慮fc濾波支路的設計,既要保證裝置的安全運行,又要達到預計的理想效果。在實際設計中,首先需要根據供電臂中所含的諧波分量來確定fc濾波支路的組成。由于在電力牽引負荷的諧波中, 3、5、7次諧波占了很大的比重,所以fc濾波支路一般由3、5

48、、7次單調諧濾波器構成。當最大無功補償容量和濾。如果各濾波支路的容量分配不合理,一方面會使設備安裝總容量偏大,另一方面有可能因為某此濾波回路補償功率偏小而發(fā)生過負荷,對設備安全運行造成影響。4.3.4 負序電流補償 牽引電力機車產生的大量負序電流給電網中其他的電力設備的安全、經濟運行帶來極大影響。svc靜止動態(tài)無功補償裝置在補償負序和末端電壓上有著相當高的效率。工程應用上可以選擇在電網系統(tǒng)和負荷上都安裝svc。在電網系統(tǒng)端安裝應用svc來補償負序電流的原則是參照斯坦梅茨法則(steinmetzs laws)。不管采用哪一種牽引變壓器,負序補償的實現分為如下兩步: 1)電力因子修正。通過安裝電容

49、器件,使得每相負荷都為電阻性。 2)參照斯坦梅茨法則(steinmetzs laws),ab相的電阻性負荷,與bc相的電容性負荷，以及ca相的電感性負荷相互對稱，系統(tǒng)中的所有負序電流都可以被補償而消除?，F在問題的關鍵是如何隨著牽引負荷的起伏動態(tài)地控制補償需要的電容和電感器組。急于數字信號處理器(dsp)的固定電容(fc)和晶閘管控制的電抗器tcr)的組合得以廣泛應用。得益于dsp對數據信息的快速處理,補償所需的電容和電感參數可以被快速、精確計算得到?？偨Y通過對電能質量的學習，了解電能質量的定義，衡量指標，以及電氣化鐵路中對電能質量的影響與要求，使我們對于電能質量這一熟悉而又陌生的概念有了更深層

50、含義的理解。電能質量與相關標準電力系統(tǒng)正常運行負載條件，線性負荷有功平衡、無功穩(wěn)態(tài)平衡、無功動態(tài)平衡、三相平衡、負載破壞控制、非線性負載、濾波有功不平衡、調整發(fā)電或用電有功功率、穩(wěn)態(tài)電能質量問題、諧波、諧間波、切痕、頻率偏差、電壓偏差、功率因數低、電壓波動與閃變三相電壓不平衡、電能質量三相電壓允許不平衡、容性與感性無功不平衡、靜態(tài)無功補償、無功波動負載、動態(tài)無功補償、三相不平衡負載、平衡三相負載、接觸網電壓問題?由于鐵路運輸的不均衡性，電鐵負荷波動頻繁，變化大。在電力系統(tǒng)短路容量小時，系統(tǒng)短路容量小、負荷功率因數低，會造成電壓劇烈波動，電壓偏差過大。西南鐵路某牽引站系統(tǒng)電壓降過大，最低電壓曾低

51、于90kv，接觸網末端電壓最低曾低于15kv。難以滿足電鐵供電需要，經常出現列車緩行和坡停故障。鐵路采取了增設增壓變壓器、串聯(lián)電容補償等措施來加強供電，仍難滿足鐵路運輸需要。功率因數問題?交直型電力機車功率因數通常在0.70.85左右，低于要求的0.9。鐵路通常采用安裝固定式并聯(lián)無功補償裝置來提高功率因數。對運輸繁忙的雙線鐵路補償效果較好，對運量小的鐵路，在負荷輕時過補償比較嚴重，按無功功率反送正計的考核辦法，投入固定補償比自然功率因數還低。由于鐵路行車組織方案的不均衡性和鐵路線路的縱斷面起伏變化，牽引變電所兩供電臂負荷呈現不平衡特性，且?guī)缀蹼S機變化，三相負載每時每刻都不平衡，從而對電力系統(tǒng)產生負序影響。在這種種問題背后給我們了很大提示，只有我們不斷去優(yōu)化改善電氣化鐵路電能質量，才能保證并實現我國電氣化鐵路成功走出了一條從無到有、從低噸位到重載、從常速到高速的探索創(chuàng)新之路。通過原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和消化吸收再創(chuàng)新，我國電氣化鐵路不僅總里程躍升第一，在技術水平和建設質量上也達到世界領先水平。在重載電氣化鐵路技術發(fā)展方面，我國大秦鐵路年運量已經突破4億噸，可開行2萬噸單元重載列車。電氣化牽引供電系統(tǒng)是高速鐵路的核心技術之一。通過學習牽引供電特性，要求，理解電能質量對于牽引供電的意義。牽引負荷較小的一般鐵路，在電力系統(tǒng)短路容量