城轨牵引供电系统3-2电能质量

1、第第 3 3 章章 电能质量电能质量李广军 城市轨道交通城市轨道交通牵引牵引供电供电江苏理工学院汽车与交通工程学院第3 章 3.2 电能质量 内容回顾内容回顾一、一、大地电位与电气电位的区别大地电位与电气电位的区别二二、 接地概念与分类接地概念与分类三、常用的安全电压等级三、常用的安全电压等级四、接触电压方式四、接触电压方式五、结构接地与牵引供电接地方式的区别五、结构接地与牵引供电接地方式的区别江苏理工学院汽车与交通工程学院第3 章 3.2 谐波定义及其危害本节重点本节重点一、功率因素的定义一、功率因素的定义二二、谐波和功率因素的危害谐波和功率因素的危害三、三、 谐波的主要参数谐波的主要参数本

2、节难点本节难点功率因素的定义及其计算公式功率因素的定义及其计算公式江苏理工学院汽车与交通工程学院第3 章 3.2 谐波定义及其危害一、电能质量内容二、电能质量控制装置二、电能质量控制装置三、三、 谐波与功率因数定义谐波与功率因数定义四、四、谐波危害谐波危害五、五、六、六、江苏理工学院汽车与交通工程学院一、电能质量内容电压频率谐波间谐波电压不平衡度电压波动闪变电压暂升电压跌落（暂降）短时和长时中断暂时过电压和瞬态过电压电压波形缺口（Nortch）供电连续。江苏理工学院汽车与交通工程学院电压偏差voltage deviation 供电电压对标称电压的偏差 电压合理的重要性 (1) 引起效率下降、经

3、济性能变差，影响生活质量：照明。(2) 缩短寿命，甚至造成损坏：白炽灯、电动机(3)降低生产率，出废品、次品(4) 对电力系统，过低：使网络功率损耗加大，危及稳定运行，过高：绝缘，增加电晕损耗。江苏理工学院汽车与交通工程学院电压偏差 严格保证电压在标称电压运行，也没有必要，允许的电压偏移： 35kV及以上： 5% 10kV以下： 7% 低压照明： 7%，-10% 农村电网：7.5%，-10%（+10%，-15%）江苏理工学院汽车与交通工程学院频率偏差 frequency deviation 系统频率的实际值和标准值之差。 电力系统正常频率偏差允许值为0.2Hz 当系统容量较小时，偏差值可以放宽

4、到0.5Hz江苏理工学院汽车与交通工程学院谐波harmonic 对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1整数倍的分量 江苏理工学院汽车与交通工程学院间谐波inter-harmonic 处于供电频率的谐波之间的那些谐波分量。江苏理工学院汽车与交通工程学院电压波动 Voltage fluctuation 电压方均根值一系列的变动或连续的改变 江苏理工学院汽车与交通工程学院闪变 flicker 灯光照度不稳定造成的视感 江苏理工学院汽车与交通工程学院不平衡度 unbalance factor 三相电力系统中三相的不平衡程度，用电压或电流负序分量与正序分量的方均根值百分比表示 电力系

5、统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%，瞬时不得超过4%江苏理工学院汽车与交通工程学院电压跌落 voltage dip(sag) 在电气系统某一点的电压突然下降，经历半个周期到几秒钟的短暂持续期后恢复正常 江苏理工学院汽车与交通工程学院 电压骤升 voltage swell 在电力系统某节点上出现的大于设定门槛值的一个暂时的电压上升 江苏理工学院汽车与交通工程学院电压短时中断 voltage interruption 供电电压消失一段时间，一般不超过1 min。短时中断可以认为是100%幅值的电压暂降 江苏理工学院汽车与交通工程学院二、电能质量控制装置二、电能质量控制装置 包括用于吸收电网谐

6、波、改善电网静态和动态特性的设备、装置： 静止式动态无功功率补偿装置（静止式动态无功功率补偿装置（SVCSVC）；）； 不间断电源系统和设备（已有不间断电源系统和设备（已有IECIEC和和ENEN标准）；标准）； 串联和并联电容器（已有串联和并联电容器（已有IECIEC和和ENEN标准）；标准）； 静态转移开关（已有静态转移开关（已有ENEN标准）；标准）； 无源滤波兼无功补偿装置（无源滤波兼无功补偿装置（PFPF）；）； 可控硅投切电容器（可控硅投切电容器（TCRTCR）；）； 可控硅投切电抗器（可控硅投切电抗器（TCRTCR）；）； 有源滤波器（有源滤波器（APFAPF）；）； 静止无功发

7、生器（静止无功发生器（SVGSVG）；）； 动态电压恢复器动态电压恢复器(DVR)(DVR)。江苏理工学院汽车与交通工程学院三、谐波与功率因数定义三、谐波与功率因数定义谐波功率因数江苏理工学院汽车与交通工程学院谐波定义谐波定义 01cossinnnnftAAn tBn t 其中 2002020121cos1sin1,2,3.nnAft dtAftn tdtBftn tdtn 满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数傅里叶级数江苏理工学院汽车与交通工程学院谐波定义谐波定义 01sinnnnftACn t 22arctgsincos1,2,3.nnnnnnnnnnnnCABABACBCn 式中江苏理工

8、学院汽车与交通工程学院谐波定义谐波定义基波（fundamental）在傅里叶级数中，频率与工频相同的分量谐 波频率较基波频率大于1整数倍的分量谐波次数谐波频率和基波频率的整数比n次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示%1001IIHRInn%1001IITHDhi电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）定义为江苏理工学院汽车与交通工程学院20cos)(21UItuidPSP功率因数定义功率因数定义（1） 正弦电路中的情况 电路的有功功率有功功率就是其平均功率平均功率：视在功率视在功率为电压、电流有效值的乘积，即S=UI

9、无功功率无功功率定义为： Q=U I sin功率因数功率因数 定义为有功功率P和视在功率S的比值：江苏理工学院汽车与交通工程学院功率因数定义功率因数定义 此时无功功率Q与有功功率P、视在功率S之间有如下关系：222QPS功率因数是由电压和电流的相位差 决定的：l =cos （2） 非正弦电路中的情况 01012sin2sinnu nnni nnutUUn titIIn t 江苏理工学院汽车与交通工程学院功率因数定义功率因数定义有效值和定义为一个周期内的均方根值，即 22012Uutdt 22012Iitdt 有功功率为一个周期内瞬时功率的平均值，即 2012Put it dt 001cosnn

10、u ni nnPUIUI 有功功率为电压和电流中的直流分量、基波和各次谐波分量分别形成的有功功率之总和，而不同频率的电压和电流分量之间并不形成有功功率。江苏理工学院汽车与交通工程学院功率因数定义功率因数定义无功功率定义为 1sinnnu ni nnQUI 2222SPQD视在功率 畸变功率D 有功功率和视在功率之比称为功率因数 cosPS 由于电压、电流中谐波分量的存在以及畸变功率的出现，往往使功率因数变得更低。江苏理工学院汽车与交通工程学院功率因数定义功率因数定义公用电网中，通常电压的波形畸变很小，而电流波形的畸变可能很大。因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波的情况

11、有很大的实际意义。有功功率 设正弦波电压有效值为U，畸变电流有效值为I，基波电流有效值及与电压的相位差分别为I1和1。 这时有功功率为：P=U I1 cos1江苏理工学院汽车与交通工程学院 功率因数功率因数为： 基波因数基波因数n n =I1 / I，即基波电流有效值和总电流有效值之比 位移因数位移因数（基波功率因数）cos 111111coscoscosnIIUIUISP功率因数定义功率因数定义可见：功率因数由基波电流相移和电流功率因数由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素共同决定的。波形畸变这两个因素共同决定的。 江苏理工学院汽车与交通工程学院无功功率定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威

12、的定义一种简单的定义是仿照式给出的： 22PSQ功率因数定义功率因数定义这样定义的无功功率这样定义的无功功率Q反映了能量的流动和交换，目前被较广泛的接反映了能量的流动和交换，目前被较广泛的接受，但该定义对无功功率的描述很粗糙。受，但该定义对无功功率的描述很粗糙。江苏理工学院汽车与交通工程学院忽略电压中的谐波时有：Q f =U I 1 sin 1 在非正弦情况下， ，因此引入畸变功率畸变功率D，使得： 比较式，可得： 忽略电压谐波时222fQPS2222DQPSf222DQQf22222nnfIUQPSD功率因数定义功率因数定义 这种情况下：Q Q f f为由基波电流所产生的无功功率，为由基波电

13、流所产生的无功功率，D D是谐波电流产生的无功功率。是谐波电流产生的无功功率。江苏理工学院汽车与交通工程学院四、谐波危害四、谐波危害 电力电子装置要消耗无功功率 电力电子装置还会产生谐波 城市轨道交通牵引供电系统谐波对公用电网的危害 城市轨道交通牵引供电系统谐波对直流牵引侧的危害 限制谐波的规定江苏理工学院汽车与交通工程学院谐波和功率因数的危害1.许多电力电子装置要消耗无功功率，会对公用电网带来不利影响。无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加使线路电压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧烈波动江苏理工学院汽车与交通工程学院

14、谐波和功率因数的危害2.电力电子装置还会产生谐波，对公用电网产生危害。谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾谐波影响各种电气设备的正常工作谐波会引起电网局部的并联谐振和串联谐振谐波会导致继电保护和自动装置的误动作谐波会对邻近的通信系统产生干扰。江苏理工学院汽车与交通工程学院谐波和功率因数的危害 3.城市轨道交通牵引供电系统谐波对公用电网的危害 (1) 可能使电力系统的继电保护和自动装置产生误动或拒动，直接危及电网的安全运行； (2) 使各种电气设备产生附加损耗和发热，使电机产生机械振动及噪声； (3) 谐波电流在电

15、网中流动，作为一种能量，最终要消耗在线路及各种电气设备上，从而增加损耗，影响电网及各种电气设备的经济运行；江苏理工学院汽车与交通工程学院谐波和功率因数的危害 3.城市轨道交通牵引供电系统谐波对公用电网的危害 (4) 由于电网中谐波电流的存在，通过电磁感应、电容耦合以及电气传导等作用，对周围的通信系统产生干扰，从而降低信号的传输质量； (5) 谐波使电网中广泛使用的各种仪表，如电压表、电流表、有功及无功功率表、功率因数表、电度表等产生误差； (6) 增加电网中发生谐波谐振的可能，从而造成过电流或过电压引起的危险。江苏理工学院汽车与交通工程学院谐波和功率因数的危害 4.城市轨道交通牵引供电系统谐波

16、对直流牵引侧的危害 牵引电流中除正常的负载电流(直流) 外，也包括交流谐波电流。谐波电流不仅产生无效的损耗，而且干扰通信、信号系统。在直流牵引侧产生的主要危害有： （1）对信号的干扰 在轨道电路始端，发送器向走行轨道送一个音频电流，输入轨道电路的电流频率是调制的，在每一个轨道电路区段， 馈入的交流电流有一个特定的载波频率， 称为轨道电路频率。相邻轨道电路区段频率不相同。当走行轨道中牵引电流的谐波电流达到一定幅值，且频率与轨道电路频率相吻合时， 便会对轨道电路产生干扰。 （2）谐波含量过高会造成轨电位升高。江苏理工学院汽车与交通工程学院谐波和功率因数的危害 5.许多国家都发布了限制电网谐波的国家

17、标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。国家标准（GB/T14549-93）电能质量公用电网谐波从1994年3月1日起开始实施电网电压正弦波相电压波形畸变率极限用户供电电用户供电电压压 (kV)(kV)0.380.386 6或或10103535或或6363 110110 电压畸变极电压畸变极限限( () )1.51.5江苏理工学院汽车与交通工程学院五、谐波参数 （1）畸变波形的方均根值TdttiTI02)(1（2）谐波含有率%1001UUHRUhh%1001IIHRIhh江苏理工学院汽车与交通工程学院五、五、 （3）总谐波畸变率 波形畸变的程度，常以其总谐波畸变率来表示，作为衡量电能质量的一个指标。各次谐波含有率的平