（电气工程专业论文）牵引供电系统电能质量改善方案研究.pdf

中文摘要 电气化铁路已经成为中国铁路发展的重要方向。电气化铁路采用电力作为能 源，电力机车及动车组在牵引供电系统的支持下，发挥牵引列车按图运行的运输 作用。由于电气化铁路采用单相工频交流电向电力机车及动车组提供电源，因此 存在负序电流、谐波电流、感性负载电流，因此在电网内( 含回流系统) 造成多 种附加损耗，影响了电气化铁路的电能利用率。这些问题不但可以降低供电设备 的能力利用率，同时降低了电网的电能质量，甚至可能造成发电设备异常或故障， 因此，治理这些问题的同时，也可以达到节能降耗的目的。 因此，我们通过研究、比较负序电流治理技术、谐波治理技术、无功补偿技 术，实现电气化铁路节能措施的优化。这些问题不但在学术界受到重视，而且也 受到了各铁路局供电管理部门的重视，并通过科研立项和工程立项方式，研究并 实施相关新技术，因此推动了有关新技术的快速发展。 负序电流的存在，直接影响了发电机的工作质量和效率，严重时可能造成发 电机故障。特别是电网容量较小时，这种负面作用特别突出。解决这一问题的主 要思路是优化牵引变压器的设计。最新研究成果是采用有源动态补偿负序电流方 式，实现负序电流的治理。 谐波和无功的治量传统采用静态补偿技术，近几年出现了多种动态补偿技术， 并分别得到了实验验证和工程应用，因此积累了丰富的治理经验，并取得了较好 的效果。 本文在分析、比较国内、外已经采用的，负序电流治理方案、谐波治理技术 和无功补偿技术的基础上，提出了一种利用电力变换技术对牵引供电系统进行节 能的方案，即电力变换原理，将高压三相交流电整流成为脉动直流电，再逆变成 符合要求的单相交流电，直接向电气化铁道接触网供电，利用输入输出多重化， 以实现三相侧负载的平衡，从而能够达到在不同程度上，同时消除负序电流，提 高功率因数和消抑制谐波的目的。 关键词：牵引供电系统、电能质量改善、研究 分类号：t m 7 1 4 a bs t r a c t t h ee l e c t r i f i c a t i o nr a i l w a yh a sb e e na l li m p o r t a n tt r e n df o rt h ed e v e l o p m e n to f c h i n e s er a i l w a yi n d u s t r y t h ee l e c t r i f i c a t i o nr a i l w a ys y s t e mt a k e se l e c t r i c i t ya st h e p o w e rs o u r c e s u p p o r t i n gb yt h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，t h ee l e c t r i cl o c o m o t i v e a n dm u l t iu n i tp l a yt h et r a n s p o r t a t i o nr o l e sb yp u l l i n gt h et r a i nb a s e do nt h et r a i n w o r k i n gd i a g r a m a ss i n g l ep h a s ep o w e rf r e q u e n c yc u r r e n ti su s e dt os u p p l yt h ep o w e r f o re l e c t r i cl o c o m o t i v ea n dm u l t iu n i t , n e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t ，h a r m o n i c sc u r r e n t a n di n d u c t i v e1 0 a dc u r r e n ti nt h ep o w e r 百r dw i l lc a u s eal o to fa d d i t i o n a ll o s s e sa n d d e c r e a s ep o w e re n e r g yu t i l i z i n gr a t eo ft h ee l e c t r i f i c a t i o nr a i l w a ys y s t e m a l lt h e s e i s s u e sw i l ld e c r e a s en o to n l yt h eu t i l i z a t i o nr a t eo fp o w e rs u p p l ye q u i p m e n t ，b u ta l s ot h e p o w e rq u a l i t yo ft h e 酣d ，o re v e nm a k e t h eg e n e r a t i n ge q u i p m e n t o p e r a t ea b n o r m a l l yo r i nf a u l tc o n d i t i o n t oi m p r o v et h ei s s u e sw i l ll l i tt h et a r g e to fe n e r g ys a v i n ga n dl o s s e s r e d u c t i o n b ys t u d y i n g a n dc o m p a r i n gt h et r e a t m e n tt e c h n o l o g yf o rn e g a t i v e c u r r e n t ， t r e a t m e n tt e c h n o l o g yf o rh a r m o n i c s ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt or e a l i z et h e i m p r o v e m e n to f t h ee n e r g ys a v i n gm e a s u r e m e n ti ne l e c t r i f i c a t i o nr a i l w a ys y s t e m t h e s e t o p i c sa r ep a i dm o r ea t t e n t i o nn o to n l yb yt h ea c a d e m i cc i r c l e s b u ta l s o b yt h e a d m i n i s t r a t i o nd e p a r t m e n tf r o me a c hr a i l w a yb u r e a u ，b yw a yo fs c i e n t i f i cr e s e a r c h p r o j e c ta n de n g i n e e r i n gp r o j e c tt os t u d ya n da p p l yt h er e l a t e dn e wt e c h n o l o g ya n dp u s h t h ef a s td e v e l o p m e n to fr e l a t e dn e wt e c h n o l o g y t h ee x i s t e n c eo fn e g a t i v ec u r r e n th a sd i r e c ti m p a c tt h ew o r k i n gq u a l i t ya n d e f f i c i e n c yo ft h eg e n e r a t o r sa n dw i l lc a u s ef a u l to ft h eg e n e r a t o ri nw o r s ec o n d i t i o n e s p e c i a l l yw h e nt h eg r i dh a ss m a l ls c a l ec a p a b i l i t y , t h en e g a t i v ei m p a c tw i l lb ee v e n d r a m a t i c s o l u t i o nf o rr e s o l v i n gt h ep r o b l e mi st oi m p r o v et h ed e s i g no ft h et r a c t i o n t r a n s f o r m e r t h el a t e s tr e s e a r c hf i n d i n gi st ot a k et h ew a yo fa c t i v ep o w e rd y n a m i c c o m p e n s a t i o nf o rt h en e g a t i v ec u r r e n tt ot r e a tt h en e g a t i v ec u r r e n t t r a d i t i o n a l l yt r e a t m e n tf o rh a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e r i su s i n gt h et e c h n o l o g y o ns t e a d yc o m p e n s a t i o n ，i nr e c e n ty e a r sm a n yd y n a m i cc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g i e sw e r e d e v e l o p e da n dv e r i f i e db yt e s t i n ga n dh a v ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n v a r i e t yo f t r e a t m e n t e x p e r i e n c eh a sb e e na c c u m u l a t e da n dg d o dr e s u l to c c u r r e d o nt h eb a s i so fa n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h et a k e nt r e a t m e n ts o l u t i o nf o rn e g a t i v e c u r r e n t ，h a r m o n i c st r e a t m e n tt e c h n o l o g ya n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g y h o m e 锄da b r o a d ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e san e ws o l u t i o nt or e a l i z et h ee n e r g ys a v i n g1 1 1 t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mb yu t i l i z i n gp o w e re x c h a n g et e c h n o l o g y , 1 e p o w e r e x c h a n g ep r i n c i p l e ，f i r s t l yc o n v e r tt h eh i g hv o l t a g et h r e ep h a s e a cp o w e rt or i p p l ed c p o w e r , a n d t h e ni n v e r tt ot h ee x p e c t e ds i n g l ep h a s ea cp o w e ra n ds u p p l yd i r e c t l yt ot h e c o n t a c tl i n e sw i t h i nt h ee l e c t r i f i c a t i o nr a i l w a ys y s t e m b yu t i l i z i n g t h em u l t i p l e c o n v e r t e r so fi n p u ta n do u t p u tt or e a l i z et h el o a db a l a n c eo ft h et h r e ep h a s es i d e ，t h i s w i l ld e c r e a s et h en e g a t i v ec u r r e n ta n di n c r e a s et h ep o w e rf a c t o ra n da l s o l i m i tt h e h a r m o n i c st oo n ed e g r e eo ra n o t h e r k e y w o r d s ：t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，e l e c t i e i t yq u l i t yi m p r o v e ，r e s e a r c h 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京某交通大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：南征签字日期：2 0 0 8 年1 1 月1 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 南征 导师签名：王玮 签字日期：2 0 0 8 年1 1 月1 1 日签字日期：2 0 0 8 年1 2 月1 0 日 致谢 本论文的工作是在我的导师王玮教授的悉心指导下完成的，王玮教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来王玮 老师对我的关心和指导。 王玮教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向王玮老师表示衷心的谢意。 王玮、叶柏洪教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此 表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，郑业明、魏富强等同学对我论文中的原始数 据积累研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人和同事 ，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 1 绪论 进入二十一世纪，电气化铁路在全国铁路中的地位和作用得到充分肯定，并 在铁路技术政策中明确了应优先发展电气化铁路的政策。同时，铁道部公布的“十 一五”规划也明确了电气化铁路的建设任务，其中包括了新建及改建时速超过3 5 0 公里的高速电气化铁路，目前存在的京津高速电气化铁路的运行速度已达到3 9 4 公里小时，高速、无污染是现代铁路的核心要求。朔黄铁路、神朔铁路及新建、 改建的煤运地方铁路也广泛采用了电气化牵引方式。 电气化铁路由于具有很多优点，因此，中国重载铁路和快速客运专线( 含高速 铁路) 均为电气化铁路。 由于电力机车的轴功率远大于内燃机车，因此具有起动能力强，牵引功率大， 调速灵活，可以满足高速、重载运输要求。另外，电气化铁路使用电力作为能源， 水电、核电、风电、太阳能电、火电均可使用，因此更符合国家的能源政策。 但是，电气化铁路采用了特殊的供电形式。我国采用单相工频制式，因此带 来了自己的特色。我国在二十一世纪之前广泛采用交一直电力机车( 包括动车组) ， 自2 0 0 7 年起开始使用交一直一交电力机车、动车组。牵引动力的发展，改善了牵 引供电原来存在的一些问题。但是仍然存在较为严重的负序电流，谐波含量大、 功率因数低的问题则得到了一定程度的改善。这些问题与电气化铁路的能耗水平 直接相关。 我们将围绕节能技术来研究电气化铁路供电技术的优化问题。 我们知道，电力牵引具有速度快、运输能力强、能源利用效率高及有利于环 境保护等优点，是我国铁路优先发展的方向。电力机车用电存在着单相、非线性、 冲击性、波动性及功率因数低、谐波电流大的特点，产生的负序电流、谐波电流 和无功功率大量注入电网，并引起电网相间不平衡、电压闪变、频率不稳定，线 损和附加损耗增加，并可能引起其它用电设备、变电设备、发电设备的损坏。特 别是当电网的系统容量不够大时，这种负面影响更大。 电气化铁路的牵引供电系统由牵引变电所、分区亭、开闭所、钢轨及接触网 等组成。牵引变电所一般由两路独立的电力电源供电，经牵引变压器变换后通过 接触网向电力机车( 或动车组) 供电，再经钢轨( 含大地) 、回流线( 或保护线) 回到变电所。 电力机车( 含动车组) 从接触网上取得单相电源，经车载变压器及电力变换 装置向牵引电动机提供牵引电源，向辅助系统、控制系统提供所需电源。电力机 车是移动负载，而且机车发挥功率与行车组织和线路纵断面状态有关，具有功率 变化大、变化快的特点。对交直型电力机车，在低功率状态时，谐波含量高、功 率因数较低。对交直交型电力机车，则谐波含量、功率因数与发挥功率的关系情 况要好一些，相对要稳定一些。 电气化铁路的单相供电特点决定了电力系统内负序电流问题比较严重，而且 与机车类型没有关系。交直型、交直交型电力机车在谐波、功率因数方面有较大 的区别，前者更为严重，后者有明显改善，但对系统仍产生较大的负面影响。这 些问题不但影响电网上发电设备、用电设备的安全问题，还会产生巨大的附加能 耗，降低了电网或设备的能力利用率。为此，电力系统对电气化铁路的功率因数 进行奖惩考核，力求促进电气化铁路自身技术的进步，解决负序严重、谐波含量 高、功率因数低的技术问题。 经过几代牵引供电工程技术人员的共同努力，在各方社会力量的支持下，这 些问题得到了一定程度的解决，但还没有得到全面解决。 本文力求通过总结已经取得的相关技术成果，从节能角度分析这些成果的积 极作用，并提出一种新的方案。 电气化铁路牵引负荷是典型的单相非线型冲击负荷，会对公共电网和电气化 供电网的正常安全和经济运行产生严重的不良影响。目前，电气化铁路供电系统 主要存在以下几个问题：大功率整流负荷的非线性产生很大的高次谐波，使供 电公网波形质量发生严重畸变。单相供电牵引负荷特性产生非常大的负序电流， 对电网三相供电系统对称运行和旋转电气设备影响严重。负荷的大功率和冲击 性引起电网供电系统电压的严重偏移和波动，影响电网质量和安全运行。大量 的无功及其不稳定性使供电电压偏移加大，谐波及无功补偿困难，电网系统运行 的经济性较差。高水平的负序电流、高含量的谐波电流、较低的功率因数不但 给电力系统造成极大的负面影响，同时也给电气化供电带来了线路损耗大，容量 利用率低，控制及保护复杂化等问题。负序、谐流、无功电流问题同时在电气 化特有的回流网中产生了十分严重的附加损耗，进一步降低了电气化电网的容量 利用率。上述问题在技术方面进行了大量研究，但在工程治理方面的经验、成 绩、效果还不理想。从节能角度审视上述问题工程解决方案的效能情况研究还 比较少。 对电气化供电系统来说，节能问题是一个十分巨大的系统工程问题。为了方 便问题的研究，我们将以节能问题为关注点，重新审视专项治理措施的节能有效 性情况。 2 牵引供电系统对电能质量产生的问题 2 1 牵引供电系统的特点 2 1 1 负序产生的原因 不对称运行是产生负序电流的原因，当供电系统的电源存在不对称情况时， 就会在电网中出现负序电流，甚至还会出现零序电流，并对电网及用电设备产生 危害。 任何原因引起电力系统三相对称( 正常运行状况) 性的破坏，均称为不对称运 行。如各相阻抗对称性的破坏，负荷对称性的破坏，电压对称性的破坏等情况下 的工作状态。非全相运行是不对称运行的特殊情况。不对称运行产生的负序、零 序电流会带来许多不利影响。电力系统三相阻抗对称性的破坏，将导致电流和电 压对称性的破坏，因而会出现负序电流，当变压器的中性点接地时，还会出现零 序电流。 2 1 2 谐波产生的原因 2 1 2 1 谐波的概念 电力系统谐波的定义是：一个非正弦、周期性的电气量( 电压、电流、磁通 等) ，用傅立叶级数的方法分解，得到频率与原波形工频相同的正弦波分量称为基 波( 分量) ，而频率为基波频率整数倍( 大于1 ) 的正弦波分量称为谐波( 分量) 。 谐波频率与基波频率的比值( n = f r d f l ) 称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍 谐波，称为非谐波或分数谐波。 2 1 2 2 一般的谐波产生情况 谐波产生的根本原因是系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加电压与 电流不成线性( 正比) 关系，而造成的波形畸变，当系统的正弦波形电压施加其 上时，产生的电流为非正弦波，波形畸变、产生了谐波。 供电系统电压基本不变，谐波源负荷通过向系统取得一定的电流作功，该电 流不因系统外界条件和运行方式而改变，而谐波源固有的非线性特性决定了电流 波形的畸变，其产生的谐波电流与基波电流具有一定比例，因此非线性负荷为谐 波电流源，向系统注入一定量的谐波电流。谐波电流源在电力系统中一般可按恒 流源对待。 谐波源注入系统的谐波电流，在系统阻抗上产生相应的谐波压降，便形成系 统内部的谐波电压，使原有的正弦波电压产生畸变。 7 谐波主要由谐波电流源产生：当正弦基波电压施加于非线性设备和负荷时， 设备吸收的电流与施加的电压波形不同，电流因而发生了畸变，由于负荷与电网 相连，故谐波电流注入到电网中，这些非线性设备和负荷就成了电力系统的谐波 源。 当前，电力系统中的谐波源的非线性特性主要有三大类： ( 1 ) 、铁磁饱和型：具有铁磁饱和特性的铁芯没备，如变压器、电抗器等铁芯 设备的激磁电流，波形与横轴成镜对称，主要谐波为3 、5 、7 次。 ( 2 ) 、电子开关型：以电力电子元件为基础的开关电源设备，如：各种电力变 流设备( 整流器、交直流换流逆变器、p w m 变频器) 、相控调速和调压装置，大容 量的电力晶闸管可控开关设备等节能和控制用的电力电子设备，它们大量的用于 化工、电气化铁道，冶金，矿山等工矿企业以及各式各样的家用电器中，其交流 侧电流波形呈开关切合和换向特性，特征谐波与脉动数p 有关，h - k p l ，k = l ，2 ， 3 ，i h 1 1 i h 。 ( 3 ) 、电弧型：以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如：气体放 电灯( 荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯) 、交流弧焊机、炼钢电弧炉 及铁磁谐振设备等，主要谐波为2 、3 、4 、5 、7 次。 电力系统谐波问题日益严重的主要原因： ( 1 ) 、输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁 化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的 近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与 磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏 离线性越远，谐波电流也就越大，其中3 次谐波电流可达额定电流的0 5 。 ( 2 ) 、电力电子设备及其新技术在化工、冶金、矿山、电气化铁道等工矿企业 中广泛采用，使得非线性负荷大量增加，以及各种家用电器的普遍使用，形成普 及整个电网的用户谐波源，从电网的各个供电点向系统注入大量谐波。 晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关 电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道， 晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下 的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装 置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3 次谐波的含量 可达基波的3 0 ；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增 大而增大。如果整流装置为三相全控桥6 脉整流器，变压器原边及供电线路含有5 次及以上奇次谐波电流；如果是1 2 脉冲整流器，也还有1 1 次及以上奇次谐波电 流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近4 0 ，这是最大的谐波 源。 变频装置：变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控 制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功 率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。 家用电器：电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压 整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备 中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量 巨大，也是谐波的主要来源之一。 ( 3 ) 、电弧炉用户的增多及其容量增大，气体放电类电光源同益增多，数量巨 大，也是谐波的主要来源之一。 电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平 的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三 角形连接线圈而注入电网。其中主要是2 - - 7 次的谐波，平均可达基波的8 2 0 ， 最大可达4 5 。 气体放电类电光源：荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气 体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重， 有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。 以上这些非线性电气设备( 或称之为非线性负荷) 的显著的特点是它们从电网 取用非正弦电流，也就是说，即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压， 但由于它们只有其电流不随着电压同步变化的非线性的电压一电流特性，使得 流过电网的电流是非正弦波形的。这种电流波形是由基波和与基波频率成整 数倍的谐波组成，即产生了谐波，使电网电压严重失真，此外电网还必须向 这类负荷产生的谐波提供额外的电能。 2 1 2 3 电气化铁路的谐波产生情况 电气化铁道牵引负载是少数直接接入高压电力系统的大宗用户之一，产生的 大量谐波( 主要是3 、5 、7 次) 直接注入高压电力系统。牵引负载与一般电力系 统负荷最大的区别在于其随机波动性和不对称性，因此其产生的谐波也与一般电 力系统负荷产生的谐波有所差别。 对电气化铁路来说，谐波产生的原因主要有以下几个方面： ( 1 ) 、电力机车采用可控硅整流、变流装置等非线性负荷的大量增加； ( 2 ) 、牵引负荷的不平衡性； ( 3 ) 、电力设备、器件临界设计，铁芯设备的运行点更进入非线性区，引起谐 波急剧增加( 如风机、压缩机工作在非线性区) 。 9 ( 4 ) 、变压器的励磁电流及额定状态下处于非线性区； ( 5 ) 、电力机车的制动再生电流。 牵引负载与电力系统中其它非线性负荷相比，具有以下几个明显的特点： 单相独立性。我国铁路供电系统均采用两相供电制，但两相负荷相关性很小，通 常认为两臂负荷是独立的。随机波动性。谐波电流随基波负荷剧烈波动。相 位广泛分布。谐波向量可在复平面四个象限上出现。稳态奇次性。单相整流负 荷在稳态运行时只产生奇次谐波，实测显示偶次谐波电流很小，可忽略不计。 高压渗透性。电气化铁道是为数不多的高压用户，其任一次谐波都通过高压系统 向全网渗透，不受变压器接线方向的阻碍。 2 1 3 “功率因数 低下的原因 由电路基础知道，在正弦电源情况下，容性负载使得电流超前于电压，感性 负载使得电流滞后于电压。此时，负载的功率分为直接消耗的功率( 有功功率) 和没有消耗的功率( 无功功率) 。因为电容、电感本身并不消耗能量，只是一种贮 能元件。当相等的容性无功装置与感性无功装置串联或并联时，总的无功功率为 零。因此电容与电感的产生无功功率具有互补性。 对电力系统来说，由于负载实际可能是感性的或容性的，负载电压和电流的 有效值之积只反映了负载的视在功率，并不反映负载的有功功率。负载的有功功 率与视在功率之比称为负载的功率因数。 我们的用电设备一般都利用电磁感应原理进行工作，因此一般均为感性负载。 只有极少设备利用电磁工作原理进行工作，而表现为容性负载。在电力整流装置 出现前，电网的无功功率主要由电磁类设备产生。 整流装置的大量使用，使得电网内的无功功率大幅度增加。现在，电网中的 无功功率主要来自带整流电路的用电设备。 常用的整流电路是晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式 和单相桥式居多。图2 - 1 是一种典型的单相半波整流电路。 b 图2 - 1 、单相半波整流电路原理图 现分析正弦、非正弦情况网侧电流与功率问的基本关系。为说明方便，假定 1 0 蠢 敛 0上 触发角为0 0 ，整流变压器具有理想特性，且变比为k ，整流变压器一次侧、二次侧 的电压、电流波形如图2 2 所示。 忒如。 乞一 万v 2 川万v 打 “ 二次电压、电馥渡形 西) 薹诡后电压、电滤波形 ( o ) 一次箦电压、电藏渡形 图2 - 2 整流电路电流、电压波形图 通过分析、计算可知，一次侧电流有效值为i l = o 3 8 5 k i 2 m ，一次侧有功功率 p l = o 2 5 u 2 m i 2 m ，一次侧视在功率s l = o 2 7 2 u 2 m i 2 m ，一次侧功率因数为c o s l = 0 9 2 5 。 整流变压器一次侧的有功功率p ，和二次侧的有功功率p ：相同( 符合能量守恒定 理) ，但一次侧的视在功率s ，和二次侧的视在功率s ：却不一定相同。图2 一l 中，二次 侧负载为电阻，功率因数为1 ，而一次侧的功率因数仅为0 9 2 5 。同时可以看到， 一次侧的电流不再是正弦波，而是发生了严重的畸变。这种畸变就直接产生了大 量的高次谐波，并形成畸变功率q 。( 由非同次谐波电压和谐波电流所形成) 。畸变 功率是整流装置特有的一种功率，其一个周期内的平均功率为零，对有功功率没 有贡献，这一点与无功功率相同。无功功率可以通过并联电容进行补偿，而畸变 功率( 电流源) 只能通过电力网络进行消耗或补偿。因此畸变功率的存在，增加 了总的视在功率s 。，并对整流装置的功率补偿带来很大程度的恶化。 假定网侧电压为正弦波时，整流装置网侧的功率关系如图2 3 所示( 图中为 考虑整流变压器励磁电流时基波电流与电压的相位差) 。图中，p l 为有功功率，q ， 为无功功率，q 。为励磁无功功率，q 。为畸变功率，s 。为考虑励磁电流时网侧的视在 功率。 岛 色 尼 图2 3 整流装置的功率关系图 由此可知，整流装置功率因数的特点为： ( 1 ) 整流装置从电网中取用的电流为非正弦波形。输入功率可分为电网电压与 基波电流构成的有功功率、无功功率及电网电压与畸变电流构成的畸变功率三部 分。 ( 2 ) 对于可控整流而言，在输出电流不变的前提下，移相角增大( 移相角即为 基波电流与电压的相角差) ，整流装置的功率因数越小。 ( 3 ) 整流装置的功率因数永远小于l 。 对电力机车及电力动车组来说，就是一个超级整流负载，而且是可控硅开放 角不断变化的一个整流负载。我国的s s 型( s s i 及s s 3 除外) 系列电力机车都是相控 整流交直型电力机车，进口的8 k 、6 k 电力机车也是相控整流交直型电力机车。 国产电力机车在额定功率条件下的功率因数最大为0 8 5 ，运用过程中的暂态功率 因数则更低。 2 1 4 上述三种情况在朔黄铁路运营中的基本状况( 见附表) 附麦二；朔黄迭蹬造遮盒量塞型数握 瞪麦三；朔黄迭蹬鱼庄盒量塞测麴握 随麦三；朔黄迭路功奎园数塞逊麴握 2 2 “负序 对电能损失的影响 负序电流增加电网及用电设备的异常损耗，负序电流是有害电流，不但引起 线路电能损耗、设备电能损耗，相应的负序功率将抵消设备的有效能力，可能给 设备造成直接损害，使设备的工作状态严重恶化。直接结果是电网供电效能恶化， 设备运行效率明显下降，造成电能的严重浪费。 当负序电流流过发电机时，将产生负序旋转磁场，这个磁场将对发电机产生 1 2 下列影响：( 1 ) 发电机转子发热；( 2 ) 机组振动增大； ( 3 ) 定子绕组由于负荷不平衡 出现个别相绕组过热。 不对称运行时，变压器三相电流不平衡，每相绕组发热不一致，可能个别相 绕组已经过热，而其它相负荷并不大，因此此时必须按发热条件来核定变压器的 可用容量。这种情况下，设备容量的利用率大幅度下降，不但电能损耗大幅度增 加，而且机械损耗也因此激增。 局部不对称运行时，也将引起系统电压的不对称，使系统电能质量变坏，对 电网内各种用户设备产生不良影响。对于异步电动机，一般情况下虽不致于破坏 其正常工作，但也会引起出力减小，寿命降低。例如负序电压达5 时，电动机出 力将降低1 0 - , - 1 5 ，负序电压达7 时，则出力降低达2 0 - - 2 5 。 由此可知，局部的不对称运行，可能对电网整体产生不良影响，造成电网电 能的严重浪费，也给电网内电气设备造成简接或直接危害。 当高压输电线一相断开时，较大的零序电流可能在沿输电线平行架设的通信 线路中产生危险的对地电压，危及通讯设备和人员的安全，影响通信质量。当输 电线与铁路平行时，也可能影响铁道自动闭锁装置的正常工作。因此，电力系统 不对称运行对通信设备的电磁影响，应当进行计算，必要时应采取措施，减少干 扰，或在通信设备中，采用保护装置。情况严重时，必须改变通讯线路的走向， 或采用防护能力更强的通讯电缆。同时，自身的继电保护系统也必须采用特别的 防干扰设计。在严重的情况下，如输电线非全相运行时，负序电流和零序电流可 以在非全相运行的线路中流通，也可以在与之相连接的线路中流通，可能影响这 些线路的继电保护的工作状态，甚至引起不正确动作。此外，在长时间非全相运 行时，网络中还可能同时发生短路( 包括非全相运行的区内和区外) ，这时，很可能 使系统的继电保护误动作。此外，电力系统在不对称和非全相运行情况下，零序 电流长期通过大地，接地装置的电位升高，跨步电压与接触电压也升高，故接地 装置应按不对称状态下保证对运行人员的安全来加以检验。不对称运行时，各相 电流大小不等，使系统损耗增大，同时，系统潮流不能按经济分配，也将影响运 行的经济性。 电网的不对称运行是由局部负荷不对称引起的，因此，控制局部负荷的不对 称才能有利于减轻电网的不对称程度，才能有效提高电网的供电效率，实现节能 之目的。从不对称运行的危害来看，控制不对称的技术措施也是电网重要的节能 措施，更是电网安全运行的重要措施。 2 3 “谐波 对电能损失的影响 谐波电流在供电系统中具有很强的危害性，这一点是举世公认的。通常意义 上说，它会影响继电保护和自动装置的工作可靠性；使测量和计量仪器的指示和 计量不准确；干扰通信系统的工作；对用电设备产生诸如图形畸变、画面亮度发 生波动、产生系统谐振而过热等影响。特别是在能源消耗方面，也存在着不容忽 视的问题。它的存在，增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热， 降低设备的效率和利用率。 由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，因集肤效 应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗、电 能损耗，使导体的发热严重。 主要包括以下几个方面： 1 、对旋转电机的影响 谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、 涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。在 供电系统中，用户的电动机负荷约占整个负荷的8 5 左右。因此，谐波使电力用 户电动机总的附加损耗增加的影响最为显著。由于电动机的出力一般不能按发热 情况进行调整，由谐波引起电动机的发热效应是按它能承受的谐波电压折算成等 值的基波负序电压来考虑的。试验表明，在额定出力下持续承受为3 额定电压的 负序电压时，电动机的绝缘寿命要减少一半。因此，国际上一般建议在持续工作 的条件下，电动机承受的负序电压不宜超过额定电压的2 。 谐波电流产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大，但谐波会产生显 著的脉冲转矩，可能出现电机转轴扭曲振动的问题。这种振荡力矩使汽轮发电机 的转子元件发生扭振，并使汽轮机叶片产生疲劳循环。 2 、对变压器的影响 谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3 次及其倍数次谐波对三角形连接的 变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对全星形连接的变压器，当绕组 中性点按地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时， 可能形成3 次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。 3 、对输电线路的影响 由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效 应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加。在供应电网的损耗中，变压 器和输电线路的损耗占了大部分，所以谐波使电网网损增大。谐波还使三相供电 系统中的中性线的电流增大，导致中性线过载。输电线路存在着分布的线路电感 和对地电容，它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，在一定的参数 配合条件下，会发生串联谐振或并联谐振。一般情况下，并联谐波谐振所产生的 1 4 谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大。当注入电网的谐波的频率位于在 网络谐振点附近的谐振区内时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大。 在这种情况下，谐波电压升高、谐波电流增大将会引起继电保护装置出现误动， 以至损坏设备，与此同时还可产生相当大的谐波网损。对于电力电缆线路，由于 电缆的对地电容比架空线路约大1 0 2 0 倍，而感抗约为架空线路的1 2 1 3 ，因此 更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大，造成绝缘击穿的事故。 4 、对电力电容器的影响 随着谐波电压的增高，会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附 加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面，工频下，系统 装设的各种用途的电容器比系统中的感抗要大得多，不会产生谐振，但谐波频率 时，感抗值成倍增加而容抗值成倍减少，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振 回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，这就有可能出现谐振，就 会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等，从而导致电容器等设备被 烧毁。 2 3 1 谐波造成的能耗分析 谐波电流来由非线性用电器，并注入电网，对网上用电设备产生各种危害， 同时消耗有效电能，降低设备用电效率。 由于谐波电流的能量直接来自于基波电源功率，因此，谐波的存在直接降低 了电能的利用效率。 当所有用户均为线性负荷时，配电网中不会出现谐波。但只要电网中有一个 非线性负荷用户存在，谐波电流就会出现，并通过网络阻抗在网络各节点上形成 谐波电压，进而在配电网及其它电力用户中产生附加的谐波电能损耗。 对于某个具体的电力用户而言，由电网中其它用户的非线性负荷在该用户与 电网的公共连接点( p c c ) 处所产生的谐波电压通常被视为背景谐波。因此，在分析 某个特定用户l 对电网的谐波污染时，将正弦电压源供电的多用户配电网等效为一 个由非正弦周期电压源( 即含有背景谐波) 供电的单用户电网，如图2 4 ( a ) 所示。 根据非正弦周期电路的谐波分析法，可将图2 - 4 ( a ) 分解为图2 4 ( b ) 所示的基波电 网络和图2 - 4 ( c ) 所示的h 次谐波电网络。 1 5 碰扭唾必 仉 硭审 渣泼 无滋 “ 恕奄同簪值电路b ) 篓坟簪值电籍( c ) 挟铸技等组电蠢 图2 4 配电网谐波分析等值电路 2 3 2 谐波能量的产生与消耗 在任何情况下，配电网只有一个能量来源一电源s ，电网和用户均只消耗电能。 由于假设电源为正弦电压源，因而，只有电源电流中的基波分量产生能量消耗， 或者说，电源只向配电网和用户提供基波能量。根据非正弦周期电路中不同频率 的电能各自守恒的原理可得： 孵一吃一叫= 0 ( 1 ) 弹瓷+ h 噬一兹一形= 0 ( 2 ) 上式中，联为理想正弦电压源发出的基波能量；科为用户从电源吸收的基 波能量； 吮，为电源通过配电网向用户提供基波能量时在基波无源网络上引起的 基波能耗；嵋怎为背景谐波电压源u ：( 即其它非线性负荷用户) 发出的h 次谐波电 能；孵为用户等值谐波电流源，：发出的h 次谐波电能；碗为配电网( 即h 次谐波无 源网络) 消耗的h 次谐波电能；孵为用户等值阻抗上消耗的h 次谐波电能。 式( 1 ) 表明，正弦电压源只向电力用户提供基波电能，或者说，每个电力用户 真正从电源吸收的能量为基波电能。式( 2 ) 表明，配电网消耗的谐波电能是由配电 网中的非线性负荷共同造成的。由于非线性负荷本身并不生产电能，因此，谐波 电能只能是来自于非线性负荷从电源吸收的基波电能的转化。 2 3 3 电网谐波电能损耗的计量 应该指出，吃和嘭由谐波电压源u ：和谐波电流源j ：共同产生。吃中，由 叫产生的部分记作形，由i ：n 产生的部分记作咳，即： 孵= 吃+ 吃 ( 3 ) 对于用户l 而言，从电源吸收的总能量应等于其自身消耗的能量睨与输出的 能量之和： 酬+ 吃= 睨+ ( 咙一咳) ( 4 ) 式中，形为角7 户l 本身消耗腑息能量：包括来自于电源的基波电能和从背景 谐波源吸收的谐波电能。将式( 4 ) 改写如下： ( 咙一咳) 一吃= 碗一睨 ( 5 ) 显然，“武( 5 ) 等雩左边为菲皱性负荷用户l 在电网中引起的谐波电能净损耗， 1 6 即用户等效谐波电流源j ：引起的谐波电能损耗与电网背景谐波电压源碟在用户 中引起的谐波电能损耗之差。式( 5 ) 同时表明，一个非线性负荷用户在电网中引起 的谐波电能净损耗等于该用户从电源吸收的基波电能与该用户实际消耗的总电能 之差。采用电子式电能表可以测量某非线性负荷用户的基波电能和总电能，从而 通过式( 5 ) 可以计算该用户在电网中引起的谐波电能净损耗。电网中的谐波电能总 损耗呃，为所有电力用户在电网中引起的谐波电能净损耗之和： 吃= ( 砚一睨) ( 6