（电气工程专业论文）胶济铁路供电系统局部电路的谐波与谐波谐振研究.pdf

j e 立銮适鑫堂童些亟堂僮i 金塞虫塞翅垩 中文摘要 胶济铁路电气化改造后，客、货运电力机车运行时产生的谐波电流注入系统， 给电力系统的电能质量带来了一定影响。随着胶济客运专线工程的开工建设，现 有胶济线将在客运专线竣工后转变为货运专线，重载货运电力机车产生的谐波将 对电力系统的电能质量造成更大影响，研究胶济铁路牵引供电系统不同时期谐波 含量的变化对电力系统的影响，将为牵引供电系统的谐波治理提供理论依据。 为检测电气化铁路的运行对地方供电系统的影响，对为胶济线牵引变电所供 电的部分变电站的专用馈线的谐波情况进行了测试，并对测试的谐波电压、电流 数据进行了分析。以胶济线电力牵引系统投入运行初期电压总谐波畸变率超标的 王家和平度变电站与电压总谐波畸变率较低的虎山变和金岭变为研究样本进行对 比研究，对现有胶济线在2 0 0 8 年成为货运专线后牵引供电系统的谐波含量变化趋 势进行研究，分析计算机车不同运行方式时牵引变电所在投入滤波器和不投滤波 器条件下，注入公共连接点的谐波电流和谐波电压以及电铁谐波与公共连接点背 景谐波的合成电压总谐波畸变率。通过分析得出胶济货运专线投入运行后，青岛 西牵引变电所对平度变电站的谐波影响较严重，应进行重点监测的结论，并对胶 济线牵引供电系统谐波的治理提出了具体措施。 当电力系统局部电路中的感抗和容抗在谐波的作用下相等时，就会发生谐波 谐振现象。由谐波引起的系统谐振所产成的过电流、过电压对铁路供电系统的安 全运行带来的危害不容小视。 对在谐波源产生的谐波作用下，电力系统局部电路发生串、并联谐振的原因 进行深入分析。论述了铁路信号供电系统中较常见的电磁式电压互感器铁芯饱和 引起的谐波谐振的发生原理和判断发生谐波谐振的依据。指出胶济铁路信号供电 系统的谐波主要来源于铁磁饱和型谐波源，谐波谐振以铁磁谐振为主，并对分次、 基波和高次谐波谐振过电压的影响进行了论述。重点分析了胶济线青岛西3 5 1 0 k v 变电所的1 0 k v 配电设备改造后送电时，因电源进线柜真空断路器合闸不同期激发 的谐波谐振。对由电缆和母线的对地电容与母线电压互感器的电感以及谐波源一 一铁磁饱和的电磁式电压互感器构成的并联谐振回路的谐振参数进行分析计算， 确定送电时系统发生了高次谐波谐振。对谐振的发生原因进行了深入分析，并对 谐振发生时的瞬间电压波形运用a t p d r a w 软件进行了仿真。针对由于电磁式电压 互感器因铁一i i , 饱和引起的谐波谐振过电压的危害提出了预防和应对措施，通过减 少谐波源，增加回路损耗和改变参数避开谐振区域来预防和抑制谐波谐振的发生。 关键词：胶济铁路：供电系统；谐波；测试：谐波谐振 分类号：t m 7 1 l a b s t r a c t a f t e rj i a n j i r a i l w a yw a se l e c t r i f i e d ，h a r m o n i ce l e c t r i c a l c u r r e n t p r o d u c e db y e l e c t r i c a le n g i n eo fp 勰s 锄g c rt r a n s p o r ta n df r e i g h ti n f u s e se l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n d b r i n g se e r m i ni n f l u e n c eo fp o w e rq u a l i t yt oe l e c t r i cp o w e rs y s t e m t h ep r o j e c to f s p e c i a lr a i l w a yl i n e o fj i a o j ip a s s e n g e rt r a n s p o r th a sb e e nb u i l ta n de x i s t i n gj i a o j i r a i l w a yw i l lb et u m e di n t os p e c i a lr a i l w a y l i n eo ff r e i g h ta f t e rt h es p e c i a lr a i l w a yl i n eo f p a s s e n g e rt r a n s p o r ti sc o m p l e t e d h a r r n o m cf r o mo v e rl o a d i n ge l e c t r i c a le n g i n ew i l l a f f e c tp o w e rq u a l i t yt oe l e c t r i cp o w e rs y s t e mt h a nb e f o r e s m d y i n go nt h ei n f l u e n c et h a t t h ec h a n g eo fh a r m o u i cq u a n t i t yt oe l e c t r i cp o w e rs y s t e mw i l lo f f e rt h e o r yg i s tf o r h a r m o u i cc o n t r o lo f t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi nd i f f e r e n tp o d o do f j i a o j im i l w a y s t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ho r d e rt os t u d yo l lt h ei n f l u e n c eo ft h eu s i n gj i a o j ie l e c t r i cr a i l w a yt od i s t r i c t p o w e rs u p p l ys y s t e m ，w em e a s u r e dt h eh a r m o n i c so fp a r tt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n s s p e c i a lc i r c u i t r i e st h a tp r o “d ee l e c t r i c i t yf o rt r a c t i o ns u b s t a t i o na l o n gt h er a i l w a ya n d a n a l y z et h em e 勰u r ed a t ao fh a r m o n i cv o l t a g ea n dc u r r e n t c o n t r a s t i n gt h es w a t c h t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nt h a tw a n g j i aa n dp i n g d uw h i c h st o t a lh a r m o u i cd i s t o r t i o no f v o l t a g ee x c e e ds t a n d a r da n dh u s h a na n dj i n l i n gw h i c h st o t a lh a r m o u i cd i s t o r t i o no f v o l t a g ei sl o w e rd u r i n gt h ei n i t i a lp e r i o dw h e nj i a o j it r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi s r u n n m g ，w es t u d yt h ec h a n g ed i r e c t i o no fh a r m o u i cq u a n t i t yo ft r a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e ma tt h et i m ew h e nj i a o j ie l e c t r i cr a i l w a yb e c o m ei n t os p e c i a lr a i l w a yl i n eo f f r e i i g h ti n2 0 0 8y e a r w ec a l c u l a t et h eh a r m o n i ce l e c t r i c a lc u r r e n ta n dv o l t a g eo f p o i n to f c o m m o nc o u p l i n ga n dt h ec o m p o u n dt o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o no fv o l t a g eo fh a r m o n i c o fe l e c t r i cr a i l w a ya n db a c k g r o u n dh a r m o n i co fp o i n to fc o m m o uc o u p l i n gi nd i f f e r e n t e l e c t r i c a le n g i n e sr u n n i n gm o d ew h e nt r a c t i o ns u b s t a t i o n sf i l t e r sr u no rn o t t h r o u g h t h ea n a l y s i s ，w ed r a wac o n c l u s i o nt h a tt h eh a r m o n i co fq i n g x it r a c t i o ns u b s t a t i o na f f e c t p i n g d ut r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nb a d l ya n di t i st h ei n s p e c t e de m p h a s i s w ep u tf o r w a r d i d i o g r a p h i cm e a s u r e f o rh a r m o n i cc o n t r o lo f j i a o j it r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m i tr e s u l t si nh a r m o n i cr e s o n a n c ew h e ni n d u c t i v er e a c t a n c ea n dc a p a c i t i v er e a c t a n c e e f f e c t e db yh a r m o n i ci se q u a li nl o c a lc i r c u i to fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m s w es h o u l dn o t n e g l e c tt h eh a r mo f o v e r c u r r e n ta n do v e r v o l t a g ec a u s e db ys y s t e mh a r m o n i cr e s o n a n c e t os a f er u n n i n go f r a i l w a yp o w e rs u p p l ys y s t e m t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec a u s a t i o no fs e r i e sr e s o n a n c ea n dp a r a l l e lr e s o n a n c e j e 塞窑亟盔堂童些亟堂焦途塞曼ib ! e f f e c t e db yh a r m o n i cf r o mt h eh a r m o n i cs o u r c ei nl o c a lc i r c u i to f e l e c t r i cp o w e rs y s t e m ， d i s c u s s e st h et h e o r yt h a tc o r es a t u r a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cp o t e n t i a lt r a n s f o r m e rr e s u l t s i nh a r m o n i cr e s o a a n c ea n dt h eg i s to fj u d g i n gh a r m o n i cr e s o n a n c ei nt h er u n n i n go f r a i l w a ys i g n a lp o w e rs u p p l ys y s t e m , i n d i c a t e st h a th a r m o n i c sc x ，m ef r o mt h et y p eo f c o r es a t u r a t i o nh a r m o n i cs o u r c em o s t l ya n df e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c ei st h ep r i m a r y f o r mo fh a r m o n i cr e s o n a n c e ，a n dd i s c u s s e st h ei n f l u e n c eo fo v e r v o l t a g e sh a r mo f h a r m o n i cr e s o n a n c ei nj i a o j ir a i l w a ys i g n a lp o w e rs u p p l ys y s t e m ri sa n a l y z e dt h a t v a e u l l mc i r c u i tb r e a k e r sa s y n c h r o n o u sc l o s eo fe l e c t r i c a ls o r r c ec a b i n e tr e s u l t si n h a r m o n i cr e s o n a n c ed u r i n gt h ec h a n g e dl o k ve l e c t r i cp o w e r e q u i p m e n to fq i n g d a o x i s 3 5 l o k vt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nw a sr u n t l l i sp a p e ra n a l y s e sa n dc a l c u l a t e st h e p a r a m e t e r so fp a r a l l e lr e s o n a n c ec i r c u i ti n c l u d i n gc a p a c i t i v er e a c t a n c et og r o u n do f c a b l e sa n dg e n e r a t r i x s ，i n d u c t i v er e a c t a n c eo fp o t e n t i a lt r a n s f o r m e ra n dt h eh a r m o n i c s o u r c ew h i c hi sc o r es a t u r a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cp o t e n t i a lt r a n s f o r m e r , m a k e ss l l r e t h a tt h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e mh a p p e n e dh i g hf r e q u e n c yh a r m o n i cr e s o n a n c ea tt h et i m e o fr u n n i n g ，a n a l y s e st h ec a u s a t i o no fh a r m o n i cr e s o n a n c ea n ds i m u l a t e si n s t a n t a n e o u s v o l t a g ew a v e f o r mo fr e s o n a n c ew i t l la t p d r a ws o f t w a r e i ti sp u tf o r w a r dt h a t p r e c a u t i o n a r ym e a s u r ea n dc o u n t e r m e a s u r et o d e a lw i t l lt h eo v e r v o l t a g e sh a r mo f h a r m o n i cr e s o n a n c er e s u l t e db yc o r es a t u r a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i cp o t e n t i a lt r a n s f o r m e r f u r t h e rm o r e ，d e c r e a s i n gh a r m o n i cs o u l e ，i n c r e a s i n gm o pw 嬲t a g e ，a n dc h a n g i n g p a r a m e t e r st oo u to ft h er a n g eo fr e s o n a n c ec a np r e v e n ta n dr e s t r a i nh a r m o n i c r e n a n c e k e y w o r d s ：j i a o j ir a i l w a y ：p o w e rs u p p l ys y s t 卿；h a r m o n i c s ；t e s t ；h a r m o m c r e s o n a n c e c l a s s n o ：t m 7 1 1 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：董国震导师签名：和敬涵 签字日期：2 0 0 7 年6 月1 6 日签字e l 期：2 0 0 7 年6 月2 0 日 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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：董国震签字日期：2 0 0 7 年6 月1 6 日 致谢 本论文的工作是在我的导师和敬涵教授的悉心指导下完成的，和教授严谨的 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电气 工程学院的老师们对我的关心和指导。 山东省电力咨询院康东升高级工程师对于我的研究工作给予很大帮助，提出 了很多宝贵意见，在此向康东升高级工程师表示衷心的谢意。 济南铁路局机务处孙树光高级工程师对于我的研究工作和论文也提出了许多 的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在调查研究工作及撰写论文期间，胶济铁路沿线各供电公司对我论文中变电 站的谐波测试数据的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够专心完成我的学业和进行 研究并完成论文的撰写。 1 1 选题目的 1 引言 随着经济的快速发展，由于众多的家用电器和电力电子设备等非线性负荷的 不断增多和容量增大，电力系统中的谐波水平日益提高。谐波作为一个周期性电 气量的正弦分量，其频率是基波频率的整数倍。当电力系统向非线性设备( 所加 的电压与产生的电流不成线性关系而造成的波形畸变) 及负荷供电时，这些设备 或负荷在传递、变换、吸收系统发电机所供给基波能量的同时，又把部分基波能 量转换为谐波能量，向系统倒送大量的高次谐波，使电力系统的正弦波形发生畸 变，造成电能质量下降。铁路电气化是铁路运输现代化的主要方向。但牵引负荷 为单相整流负荷，是种呈随机特性、不对称的非线性负荷，牵引负荷所产生的 谐波分量，对电力系统的电能质量产生一定的影响。 胶济铁路电气化改造后，客、货运电力机车运行时产生的谐波电流注入系统， 给电力系统的电能质量带来了一定影响。随着胶济客运专线工程的开工建设，现 有胶济铁路将在客运专线竣工后转变为货运专线，重载货运电力机车产生的谐波 将对电力系统的电能质量造成更大影响，研究胶济铁路牵引供电系统不同时期谐 波含量的变化对电力系统的影响，将为牵引供电系统谐波的治理提供理论依据。 当电力系统局部电路中的感抗和容抗在谐波的作用下相等时，就会发生谐波 谐振现象，谐波谐振给电力系统的安全运行带来很大危害。在铁路运输生产中， 为确保列车安全正点运行，要求铁路供电系统要不间断供电，作为电力系统运行 中一种较常见的现象，由谐波引起的系统谐振所产生的过电流、过电压对铁路供 电系统的安全运行带来的危害不容小视。 1 2 胶济铁路供电系统的谐波与谐波谐振现状 胶济铁路供电系统中的谐波问题主要集中在电力牵引供电系统，运行中电力 机车的用电存在着单相、非线性、冲击性、波动性及谐波电流大的特点，产生的 谐波不仅使牵引变压器等主要电气设备产生附加损耗，而且影响了电网电能质量， 对电力系统的稳定、安全及经济运行构成了一定威胁。铁路信号供电系统主要为 铁路线路的信号系统提供电力具有负荷小、波动性小、谐波含量低的特点。因 韭塞銮垣盍堂童些亟堂焦监塞!l 直 此本文对谐波的研究主要围绕电力牵引供电系统展开，针对现有胶济铁路在2 0 0 8 年客、货分线成为货运专线前后供电系统中的谐波含量的变化进行研究分析。 谐波谐振在胶济铁路信号供电运行中时有发生，其发生时直接影响铁路信号 供电设备的安全运行，并对铁路信号供电系统的正常运行构成威胁。谐波谐振对 信号供电系统的危害主要有： ( 1 ) 串联或并联谐振会产生高于电源数倍的电压，施加在回路中的电容器、 互感器、断路器等设备上，引起高压电气设备绝缘损坏。在熔断器未及时熔断的 情况下会引起电压互感器喷油、绕组烧毁甚至爆炸。 ( 2 ) 谐振引起的过电压，还可以导致氧化锌避雷器的损坏。无间隙氧化锌避 雷器的过电压耐受能力有限，如果选用氧化锌避雷器的直流l m a 电压偏低，在过 电压的作用下连续动作，最终会发生热崩溃而损坏。 ( 3 ) 在电压互感器熔断器不能及时熔断的情况下，引起电压互感器二次电压 升高，对二次继电保护设备和计量仪表的绝缘造成损坏或引起继电保护设备的误 动。 ( 4 ) 基波谐振时，出现虚幻接地现象，易引起值班人员的误判断，表现为两 相电压升高，一相电压降低，线电压正常，其现象与单相接地相同。 ( 5 ) 谐振时电磁式电压互感器铁心的饱和会使变比误差增大，影响计量、测 量精度。 ( 6 ) 谐波谐振引起电网的谐波损耗增大。 开展预防和抑制谐波谐振方面的研究，对于铁路供电系统的安全运行意义重 大。 1 3 本论文的主要研究内容 围绕胶济铁路供电系统局部电路中谐波含量高的牵引变电所和发生谐波谐振 的变电所开展研究工作。 ( 1 ) 通过监测胶济铁路牵引供电系统投运前后供电变电站的谐波含量，从而 对谐波的变化情况进行研究分析。 ( 2 ) 对今后胶济铁路货运专线正式投入使用后牵引供电系统中谐波的变化情 况进行研究。通过对谐波含量较高的牵引变电所与谐波含量较低的牵引变电所的 分析对比，对胶济货运专线投运后，牵引供电谐波对电力系统的影响进行研究。 ( 3 ) 对胶济铁路发生谐波谐振的变电所的运行及测试资料进行分析，研究谐 振的发生原因。 ( 4 ) 研究发生谐波谐振时消除谐振的方法，为运行中谐波谐振的处理提供理 2 j e 夏窑堕盔堂主些亟堂焦诠塞!i ( 直 论依据。 ( 5 ) 根据胶济铁路供电系统的运行现状及变化情况，提出有效预防和抑制谐 波谐振的措施。 j e 哀銮逗太堂童些亟堂僮j 金塞 2 膣蕴筮堕垡电丕缝的谐遮皇造遗道拯担苤问题 2 胶济铁路供电系统的谐波与谐波谐振相关问题 2 1 研究背景 胶济线( 含胶黄铁路) 包括青岛一济南3 8 4 6 1 9k r n 及胶州黄岛3 9 5 6k m 铁路 线，是连接济南、淄博、潍坊和青岛等城市的重要运输线路。由于电气化铁路具 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，已成为我国 铁路运输发展的方向。对胶济线( 含胶黄铁路) 进行电气化改造工程被列为国家“十 五”重点项目，设计年度近期至2 0 1 0 年，远期至2 0 1 5 年。2 0 0 6 年下半年胶济线( 含 胶黄铁路) 电气化改造工程完工并进行试运行，目前胶济线电力牵引系统已经投 入使用，牵引动力既有普通电力机车，又有2 0 0 k m h 的动车组，电力机车与内燃 机车同时在线路运行。胶济铁路的供电系统包括两部分：铁路信号供电系统和电 力牵引供电系统，信号供电系统设有变、配电所1 4 座，电力牵引供电系统设有牵 引变电所1 l 座。 根据铁路电气化发展规划，已经于2 0 0 7 年1 月8 日开工新建的胶济铁路客运 专线，是我国铁路建设十一五规划中“四纵四横”之一的太原至青岛客运专线的重要 组成部分，将在2 0 0 8 年8 月奥运会开幂前投入运营，到时胶济铁路将实现客、货 运分线运行，目前的运输线路将专门用于货物运输，以最大限度地发挥胶济线的 通过能力，同时为其供电的牵引变电所的负荷也将大大增加。按照铁路“十一五， 运输设备技术改造规划的要求，“十一五”期间( 2 0 0 6 2 0 1 0 年) 为进一步提高运 输能力和铁路的竞争力，在确保运行安全的基础上，货物列车从现行的8 0 k m h 逐 步提高到9 0 l o o k m h ，快速货物列车提速到1 6 0 k m h ，到“十一五”末主要干线达 到1 0 0 1 2 0 k m h ，胶济货运专线还将开行双层集装箱列车。胶济客运专线将全部 采用动车组，列车运行最短追踪时间为5 m i n 、最高时速达到2 0 0 2 5 0 公里，j 、时， 济南至青岛最短约霉2 5 小时。 2 2 电力系统的谐波源 谐波产生的根本原因是由于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所 加的电压与产生的电流不成线性关系而造成的波形畸变。造成系统正弦波形畸变， 4 j e 廛变通盔堂童些亟堂焦丝塞 2 照蕴堡堕毯电丕红的造渡复造遮造拯担羞间匿 产生高次谐波的设备和负荷称为谐波源。电力系统中具有非线性特性的谐波源主 要分为三类： ( 1 ) 铁磁饱和型：各种铁芯设备，如变压器、电磁式电压互感器、电抗器等， 其铁磁饱和特性表现为非线性，产生的谐波以3 、5 、7 次为主。 ( 2 ) 电子开关型：主要是各种交直流换流装置( 整流器、逆变器) 以及双向 晶闸管、可控开关设备( 可控硅装置) 等，在电气化铁道、冶金、化工等工矿企 业及家用电器中广泛使用，其交流波形的开关切合和换向特性表现为非线性，产 生的谐波以奇次谐波为主。 ( 3 ) 电弧型：各种炼钢电弧炉在熔化期间、交流电弧焊机在焊接期间以及电 力高压断路器开合时断口拉弧瞬间，电弧的点燃和剧烈变动所形成的电弧电压与 电流的高度非线性，产生的谐波以2 、3 、4 j5 、7 次为主。 由于电力系统谐波源固有的非线性伏安特性决定了电流波形的畸变，使其产 生的谐波电流与基波电流具有一定的比例，因此非线性负荷一般都是谐波电流源。 2 3 谐波的危害 在电力系统中，各种谐波源产生的谐波对电力系统电能质量造成污染，影响 到整个电力系统的电气环境，其谐波污染具有范围广、距离远的特点。谐波污染 的危害主要体现在对电力与通信的干扰和影响上。 对电力方面的危害主要有： ( 1 ) 引起旋转电机( 发电机和电动机) 的附加功率损耗和发热，产生脉动转 距和噪声，缩短其使用寿命； ( 2 ) 在变压器绕组和线路传输中产生附加损耗； ( 3 ) 谐波谐振过电压造成电气元件( 如电容器和电缆) 和设备的故障与损坏； ( 4 ) 对继电保护设备和自动控制装置的正常工作造成干扰，引起保护装置的 误动或拒动。 ( 5 ) 引起电能计量和测量仪表的误差，使原有的电能测量定义和方法不适用。 对通信方面的干扰主要有： ( 1 ) 对通信系统产生电磁干扰，使电话通讯质量下降： ( 2 ) 造成重要的和敏感的通信自动控制与保护装置工作紊乱； 5 a e 夏窑重左堂主些亟堂焦逾塞2 膣蕴堡碴堡皇丕统的造速皇遁遮谐握担羞回题 ( 3 ) 影响功率处理器的正常运行。 2 4 牵引供电系统的谐波 2 4 1 牵引供电系统的构成 我国交流电气化铁道( 简称电铁) 的牵引供电制式全部采用单相工频2 5 k v 交 流制。其牵引供电系统由建立在铁路沿线上的多个牵引变电所、分区所、钢轨及 接触网组成的动态负荷网络。牵引变电所一般引接于电力系统l l o k v 或2 2 0 k v 独 立电源回路，经牵引变压器降压为2 7 5 k v ( 或5 5 k v ) 后通过牵引网向电力机车供 电。交直型电力机车经多段半控桥式整流后驱动直流牵引电动机，在架空接触网 与钢轨之间行驶。 。 由于电力机车采用单相供电，且具有流动性，为了减少其不对称运行对电力 系统的影响，运行中将各牵引变电所的高压侧三相换相接入系统，使全线的机车 负荷相对均匀地分布在系统各相上。 2 4 2 电力机车产生的谐波 牵引供电系统的接触网向运行中的交直型电力机车供给与横向坐标成镜对称 的非正弦电流，该正弦电流可分解为基波和奇次谐波电流。根据国内外交直交型 动车组的运行测试情况：3 次谐波含有率牛2 5 ，5 、7 次谐波更小，因而交直交 型动车组的谐波问题通常可忽略不计。电力机车是牵引供电系统的主要谐波源， 由电力机车产生的牵引电流中谐波的频率分布范围比较广，但主要是奇次谐波， 以3 、5 、7 次谐波为主，尤其是3 、5 次谐波，因此电力机车可理解为奇次谐波电 流源。 牵引变压器的每一供电臂上可以有多台电力机车同时运行，每台机车产生的 谐波电流经牵引网传递到供电臂送出端进行叠加后注入牵引变压器，通过牵引变 压器的合成和变换，成为牵引变电所高压母线的三相不对称谐波电流，注入高压 公用电网，在向电铁供电的公共连接点的等效相阻抗上产生三相不对称谐波电压， 其中最大一相的谐波电压可能会对电网中的一些电气设备产生不同程度的影响。 6 j e 丞褒塑盔堂童些亟堂僮迨塞 2 照叠迭堕送虫丕缠的萱遗皇遣这谐握扫羞回壁 由于电力机车运行方式的多样性和牵引网谐波计算的复杂性，实际分析过程中一 般对供电臂送出端的谐波进行实测统计，得到一组有代表性的统计值，作为谐波 计算的依据。 2 4 3 胶济铁路的电力机车运用 目前在胶济线电气化铁路运行的电力机车有韶山4 型、韶山7 e 型、韶山9 型 电力机车和c r h 2 型动车组。2 0 0 8 年胶济客运专线工程竣工投入运行后，现有胶 济线将成为货运专线，运行的货运电力机车采用交直型相控韶山4 型干线货运电 力机车。胶济线客运专线主要运行c r h 2 型动车组。 韶山4 型干线货运电力机车，代号s s 4 。是株洲电力机车工厂1 9 8 5 年设计试 制的8 轴货运电力机车。由各自独立又互相联系的两节车组成，每节车均为一个 完整的系统。主电路采用四段经济半控桥，相控调压。它具有恒压或恒流控制的 牵引特性和恒速或恒励磁控制的电阻制动特性空气制动采用d k l 型电空制动 机。该机车牵引及制动功率大、起动平稳、加速快、工作可靠，机车功率持续 6 4 0 0 k w ，最大速度l o o k m l h ，车长2 x 1 5 2 0 0 m m ，轴式2 ( b o - b o ) ，电流制为单相 工频交流。 韶山4 改进型电力机车，代号s s 4 g 。是在s s 4 、s s 5 和s s 6 型电力机车的基础 上，吸收了8 k 机车一些先进技术设计的。机车由各自独立的又互相联系的两节车 组成，每一节车均为一完整的系统。它电路采用三段不等分半控调压整流电路。 采用转向架独立供电方式，且每台转向架有相应独立的相控式主整流器，可提高 粘著利用。电制动采用加馈制动，每台车四台牵引电机主极绕组串联，由一台励 磁半桥式整流器供电。机车设有防空转防滑装置。机车功率持续6 4 0 0 k w ，最大速 度1 0 0 k m h ，车长2 x 1 5 2 0 0 m m ，轴式2 ( b o b o ) ，电流制为单相工频交流。 韶山7 e 型干线客运电力机车，代号s s 7 r 。是中国北车集团电力研发中心与大 同机车厂、大连机车车辆厂联合研制开发的时速1 7 0 k m h 六轴干线客运电力机车。 机车采用2 c 0 转向架，加馈i 乜阻制动厅式，三段不等分相控桥及复励牵引电机，机 车无级调速和无级磁场削弱，粘着特性好，牵引、制动转换方便。由微机实现对 机车的特性控制，逻辑控制单元替代了传统的有触点控制电路，同时机车采用了 7 i b 塞窒亟太堂主些亟堂僮途塞2 膣蕴毯堕迭生丞统的谐遮皇遣遮凿捱担羞回照 先进的辅助变流器，使其性能更加先进， 风系统，微机控制及l c u 逻辑控制单元 运用更可靠，检修更方便，采用独立通 辅助电路采用辅助逆变器供电。耐低温 设计，机车可以在高寒地区运用。机车功率持续4 8 0 0 k w ，最大速度1 7 0 k r n h ，车 长2 0 2 0 0 m m ，轴式c o c o ，交一直电传动方式，电流制为单相工频交流。 韶山9 型干线客运电力机车，代号s s 9 。以成熟的韶山型系列电力机车技术 为基础，采用了许多国际客运机车先进技术，是我国干线铁路牵引旅客列车功率 最大的机车。机车主电路采用三段不等分半控桥整流电路，三台电机并联，无级 磁场削弱及加馈电阻制动，实现了机车全过程的无级调速。机车内装有8 6 6 8 k v a 大容量主变压器，实现了六轴电力机车主变压器与平波电抗器及滤波电抗器的一 体化。机车具有向列车供电能力，供电电压d c 6 0 0 v 、容量为2 x 4 0 0 k w 。机车采 用了轮对空心轴六连杆弹性传动机构和牵引电机架承式全悬挂三轴转向架，并装 有全叠片机座机构的9 0 0 k w 脉流牵引电动机，能满足1 7 0 k m h 运用的要求，动 力学性能良好。机车采用恒流准恒速的特性控制方式，能较好地发挥机车最大起 动牵引力，可牵引1 8 节客车在1 6 、1 4 、1 2 0 、1 0 0 m 的长大坡道上，分别以 8 4 k m h 、9 2 k m h 、9 6 k m h 、1 0 5 k m h 的速度匀速上坡，大大的提高了平均运营速 度。机车功率持续4 8 0 0 k w ，最大速度1 7 0 k m h ，车长2 2 2 1 6 m m ，轴式c o - c o ，电 流制为单相工频交流。 我国铁路所采用的动力分散型式电动车组，具有安全、高速、高效、便捷、 环保等显著特点，是当今世界高速铁路重点发展的运输装备。我国时速2 0 0 k i n 动 车组主要有以下三种：长客动车组，引进阿尔斯通技术，由长春轨道客车股份有 限公司制造，8 辆编组，功率为5 5 0 0 k w ，交直交型；c r h l 型动车组，引进庞巴 迪技术，由青岛b s p 公司( 青岛四方庞巴迪鲍尔铁路运输设备有限公司) 制造，8 辆编组，功率为5 5 0 0 k w ，交直交型；c r h 2 型动车组，引进川崎重工技术，由中 国南方机车车辆工业集团公司四方机车车辆股份有限公司制造，8 辆编组，功率 为4 8 0 0 k w ，交直交型。2 0 0 7 年4 月1 8 日我国铁路实施第六次大面积提速后，动 车组将按新的运行图编组运行，时速达到2 0 0 公里至2 5 0 公里。 2 0 0 8 年胶济线客、货运分线后，s s 。型电力机车将成为货运专线的主要谐波源。 2 5 谐波的标准 j e 夏銮适友堂主些亟堂焦纶塞2 膣渣煞蹬毯虫丞堑的遁蘧皇道遮造嚣揎羞间匿 根据国家技术监督局1 9 9 3 年颁布的g b t1 4 5 4 9 - - 9 3 电能质量公用电网谐 波规定：谐波是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。 电力系统正弦波形畸变程度的定量表示可以用各次谐波含量及谐波总量表 示。 ( i ) 第h 次谐波电压含有率h r u h ： 舰= 鲁x 1 0 0 ( 2 1 ) 式中：以为第h 次谐波电压( 方均根值) ，v ；u 为基波电压( 方均根值) ， v ( 2 ) 第h 次谐波电流含有率h r j h ： 砜= l 慨 ( 2 - 2 ) 式中：厶为第h 次谐波电流( 方均根值) ，a ；，l 为基波电流( 方均根值) ，a 。 ( 3 ) 谐波电压含量【 r = 一 2 摈( 蚶 ( 4 ) 谐波电流含量如 ( 2 3 ) 驴函 q q ( 5 ) 电压总谐波畸变率强觋 t h d u = 鲁删 ( 2 5 ) ( 6 ) 电流总谐波畸变率腻q 购= 了i h x l 。0 ( 2 6 ) g b t1 4 5 4 9 - - 9 3 电能质量公用电网谐波给出了公用电网谐波电压、谐波 电流的限制值。公共连接点的全部用户在该接点谐波电压( 相电压) 限值如表2 - 1 。 表2 - 1 公心电网谐波电压( 相电乐) 限值 9 j e 夏窑垣太堂主些亟堂焦迨塞2 膣进丛堕堡电丕统的谐遮生造越遭握担羞回题 电网标称电压电压总谐波畸变率 各次谐波电压含有率 k v 奇次偶次 o 3 8542 6 43 21 6 1 0 3 5 32 41 2 6 6 1 1 021 60 8 公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量( 方均根值) 不应超过表 2 2 中规定的允许值。 表2 2 注入公共连接点的谐波电流允许值 基准 谐波次数及谐波电流允许值a 标准 短路 电压 容量 2345678 9 1 01 11 21 31 41 51 61 71 81 9 2 0 k v m v a o 3 81 07 8 6 2 3 9 6 2 2 6 4 41 92 11 6 2 81 32 4l l1 29 71 88 61 67 8 61 0 0 4 3 3 42 l3 41 42 41 1l l8 51 67 11 36 16 85 31 0479 0 4 3 1 01 0 0 2 6 2 01 32 08 51 56 46 85 19 34 3 7 9 3 74 13 26 02 85 42 6 3 5 2 5 01 5 1 27 71 25 1 8 83 84 13 1 5 62 6 4 72 2 2 51 93 61 73 21 5 6 65 0 01 61 38 11 35 49 34 14 33 35 92 75 02 3 2 62 03 8 1 83 41 6 1 1 07 5 01 29 66 o9 64 06 83 o 3 ，22 4 4 3 2 03 7 1 71 91 52 81 32 51 2 注：2 2 0 k v 基准短路容堂取2 0 0 0 m v a 第h 次谐波电压含有率h r 乩与第h 次谐波电流分量l 的关系近似工程估算按 公式2 7 计算。 h r u , = 等畅) ( 2 - 7 ) 式中：u 。为电网的标称电压，k v ；s 。为公共连接点的三相短路容量，m v a ； ，。为第h 次谐波电流，a 。 2 0 0 0 年5 月由国家质量监督局批准g b z 1 7 6 2 54 2 0 0 0 电磁兼容限值中、 高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估国家标准化指导性技术文件。该文件 由国家电力公司提出并由国家经贸委电力司上报国家质量技术监督局，国家质量 技术监督局在收到报批稿后通知铁道部提出书面意见。铁道部在复函中认为：该 报批稿在谐波电压规划水平中，将高压系统总谐波电压畸变率规定为3 是合理可 行的，并与国际上的电铁谐波电压标准接轨。报批稿中对畸变负荷的评估方法， 确定为三级评估法，通用性较强，其中第三级评估方法对电铁牵引畸变负荷是适 用的。 2 6 电力系统的谐波谐振 谐波谐振是电力系统运行中一种较常见的现象，由于它发生时对电力系统危 害较大，已经日益引起人们的重视。 当电力系统局部电路中的感抗和容抗在谐波的作用下相等时，便发生谐波谐 振现象。电力系统中的谐波谐振电路经简化后，可划分为串联谐振( 电压谐振) 和并联谐振( 电流谐振) 两种形式。 2 6 1 串联谐振 当系统中某些电感、电容元件与谐波源形成串联回路时，就可能发生串联谐 振。谐振回路简化后如图2 1 所示。 源 b r 图2 - 1 串联谐振回路 发生串联谐振的条件是：在谐波源产生的n ，次谐波的作用下，串联回路中的 感抗与容抗相等，即：* x 。= 丛。 v 刀 其中：z 。基波容抗：x 。基波感抗；月，谐振时谐波的次数， n ，2 鲁，厂，谐振时谐波频率， 基波频率。 拙夏窑