（电力系统及其自动化专业论文）变电站补偿电容器的谐波问题研究.pdf

摘要 器的7 次和9 次谐波电流含有率偏高，原因可能是发生了谐波电流放大 现象。 本文在分析了汤阴变电站各元件的谐波参数。利用汤7 c 的实测数 据验证了将电容器的n 次谐波阻抗视为其基波容抗的n 分之一这种方法 的精确性。根据近似估算法。利用短路容量计算出了2 2 0 k v 侧系统的基 波阻抗。在此基础上，给出了该站的谐波分析等值电路图，确定了该站 关于谐波次数1 1 的导纳函数b ( n ) 的表达式。当两台主变低压侧补偿电容 器组具有不同的投切组合时，导纳函数b ( n ) 也相应地具有不同表达式。 据此对该站进行了串联谐振分析和并鞋谐振分析，并结合测试数据和 有关变电站的运行记录，指出了导致该站电容器汤6 c 频繁烧保险的主 要原因是5 次谐波电流含量偏高，引起汤7 c 放电p t 爆炸也是因为7 次 和9 次谐波电流被放大。 针对这些导致汤阴变电站补偿电容器故障的原因，提出了相应的谐 波治理措施，包括针对汤6 c 电容器5 次谐波电流含量偏高的原因，提 出了停运汤6 c 电容器或者通过把汤5 c 电容器的部分容量并入汤6 c 电 容器( 汤5 c 其余部分停运) 以增加汤6 c 谐波承受能力的措施；针对# 2 变低压侧7 次和9 次谐波电流被放大的现象，提出了在汤7 c 电容器上 加装一定百分比的串联电抗器的措旌。验算表明，采取措旄后，汤6 c 电容器的5 次谐波电流含有率有所降低，# 2 变低压侧的谐波电流放大 现象也得到改善，各电容器的电流都不会发生过载。 最后，还根据电力牵引负荷三相不对称的特点，分析了阻抗匹配平 衡变压器在不同负荷条件下的负序电流，对如何减小电力牵引负荷的负 序电流提出了点建议。 【关键词】：电力机车串联谐振并联谐振谐波放大 i i 摘要 a bs t r a c t i np o w e rs y s t e m s ，t h ew a v e f o r m so fv o l t a g ea n dc u r r e n ta r ed i s t o r t e d d u et on o n l i n e a rl o a d s ，a n dt h eq u a l i t yo fe l e c t r i c i t yw i l ld e c l i n ef o rt h e g r e a t d e a lo fh a r m o n i c sg e n e r a t e d w i t ht h ei n c r e a s i n gn o n l i n e a rl o a d s ， h a r m o n i cp r o b l e m sb e c o m em o r es e r i o u si np o w e rs y s t e m s ，e v e nt h r e a tt h e s a f e l ya n de c o n o m i c a lo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m s n o wi t s t i m et of i n d w a y st op r e v e n ta n de l i m i n a t et h e s eh a r m o n i c si nt h ep o w e rs y s t e m s f i r s t l y , t h i sp a p e rg i v e st h em a i nh a r m o n i cs o u r c e sa n d t h e i rh a r m st o p o w e rs y s t e m s ，a n dt h e nl i s t ss o m et e c h n i q u em e t h o d sn o w u s e dt oh a n d l e h a r m o n i c s t h i sp a p e rt a k e st a n g y i ns u b s t a t i o na st h es t u d yo b j e c t t a n g y i n s u b s t a t i o ni sa ni m p o r t a n ts u b s t a t i o nw h i c hh a st w ot r a n s f o r m e ro f1 2 0 m v a ， e i g h t2 2 0 k vl i n e s a n dt h r e e110 k vl i n e s t a n g q i a nl i n ei sa110 k vl i n e s p e c i a l l y f o rt r a c t i o nt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n b e c a u s et r a c t i o nl o a di s h i g h - p o w e rn o n l i n e a ra n da s y m m e t r y , i tw i l lp r o d u c em u c hh a r m o n i c a n d n e g a t v i es e q u e n c e c u r r e n t ，w h i c h h a v ed o n eh a r mt o c o m p e n s a t i o n c a p a c i t o r s o ft a n g y i ns u b s t a t i o n i nr e c e n t y e a r s ，t h et a n 9 6 cc a p a c i t o r o f t e ni n t e r r u p t e da n di n2 0 01 j u l yt h et a n 9 7 cc a p a c i t o r sd i s c h a r g ep t e x p l o d e d b e c a u s et h eh a r m o n i c si n t a n g y i n s u b s t a t i o na r e p r i m a r i l y f r o m e l e c t r i ct r a c t i o n l o a d s ，t h i sp a p e rg i v e st h e s t r u c t u r e so fs e v e r a lm a i n l o c o m o t i v em o d e l sa n d g e n e r a l h a r m o n i c s t h e yp r o d u c e t h e h a r m o n i c s p r o d u c e db ye l e c t r i cl o c o m o t i v eh a v eac h a r a c t e r i s t i ct h a tt h e i rr a n g ea n d p h a s ea r eb o t hd i s p e r s i v e t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e st h ei m p e d a n c e m a t c h i n g b a l a n c et r a n s f o r m e r ss t r u c t u r ea n dh a r m o n i c s i n j c o t e d i n t ot h e p o w e r s y s t e ma ti t sp r i m a r ys i d e a n ds u m su pt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eh a r m o n i c s f r o me l e c t r i ct r a c t i o nl o a d si nt h et a n g y i nt r a c l i o ns u b s t a t i o n d u et ot h ec o m p l e x i t yo fh a r m o n i cp r o b l e m s ，i t sn e c e s s a r yt ou s ea m e t h o do ft h e o r ya n a l y s i sa n df i e l dm e a s u r e m e n tt os o l v et h e m i nt h i s p a p e r ，t h e h a r m o n i cm e a s u r e m e n ta n dt h eh a r m o n i cd a t a p r o c e s s i n g s o f t w a r ed e v e l o p e db yu sa r ei n t r o d u c e d t h ew a yo fr e c e i v i n gh a r m o n i c d a t af r o mh a r m o n i ct e s t i n gi n s t r u m e n ti s i m p r o v e da n dt h i sw o r kg r e a t l y i n c r e a s e st h es a m p l i n gs p e e da n dt h ed a t ah a n d l i n ge f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r i u 摘要 i na c c o r dw i t ht h es t a t es t a n d a r da b o u th a r m o n i c ，t h eh a r m o n i cp e r m i s s i o n v a l u eo f t a n g q i a nl i n ei sc a l c u l a t e d s o m em e a s u r e m e n td a t aa r es h o w na n d a n a l y z e d ，a n ds o m em a i nc o n c l u s i o ni sd r a w e dt h a tt h e7 “h a r m o n i cv o l t a g e s o ft a n g q i a nl i n ei sn e a rt ot h ep e r m i s s i o nv a l u e ，t o t a lh a r m o n i cv o l t a g e d i s t o r t i o nr a t i oh a so v e r s t e p e dt h ep e r m i s s i o nv a l u e ，t h e3 ”h a r m o n i c ，t h e5 1 “ h a r m o n i c ，t h e7 0h a r m o n i ca n dt h e9 山h a r m o n i cc u r r e n tf r o mt a n g q i a nl i n e a l lo v e r s t e pt h ep e r m i s s i o n ，t h el a r g e s t5 ”h a r m o n i cc u r r e n tr a t i oi nt a n 9 5 c r e a c h e s4 4 t h e7 “h a r m o n i ca n dt h e9 “h a r m o n i cc u r r e n ti nt a n 9 7 ca n d t a n 9 8 c i s l a r g em a y b e b e c a u s et h eh a r m o n i cc u r r e n ti sm a g n i f i e d t h i sp a p e rs t u d i e st h em o d e lo fe a c he l e m e n ti n t a n g y i ns u b s t a t i o n t h ew a yo f t a k i n go n en “o u to fc a p a c i t o r st h ef i r s th a r m o n i cc a p a c i t i v e r e a c t a n c ea si t sn ”h a r m o n i c i m p e d a n c ei s v e r i f i e dw h i rt h ed a t af r o m t a n 9 7 c + a c c o r d i n g t ot h e a p p r o x i m a t e l ye s t i m a t i n gm e t h o d ，t h e f i r s t h a r m o n i ci m p e d a n c eo f2 2 0 k vs y s t e mi sc a l c u l a t e d o nt h eb a s i so ft h e m o d e l s ，t h i sp a p e rg i v e st h eh a r m o n i ce q u i v a l e n tc i r c u i to fs u b s t a t i o na n d g i v e st h eb ( n ) f u n c t i o no ft h eh a r m o n i ct i m en w h e nt h ec a p a c i t o r sh a s d i f f e r e n t c o m b i n a t i o n ，b ( n ) sv a l u ew i l l a l s oc h a n g e w i t ht h e i n p u t t i n g l o c a lm e a s u r e m e n td a t a ，t h ep a p e rs t u d i e st h es e r i e sa n d p a r a l l e lr e s o n a n c e a tt h es u b s t a t i o n ，a n dd e d u c e st h a tt h er e a s o nt h ec a p a c i t o r sf u s eo f t a n 9 6 c i sf r e q u e n t l yi n t e r r u p t e di st h a ti t sc a p a c i t o rc u r r e n tc o n t a i n sal a r g en u m b e r o f5 ”h a r m o n i c s ，a n dt h a tt h er e a s o nt h e d i s c h a r g i n g p to f t a n 9 7 c c a p a c i t o rb e i n ge x p l o d e di sa l s ot h a tt h e1 山a n d9 t hh a r m o n i cc u r r e n t sa r e a m p l i f i e d a sar e s u l t ，t h i sp a p e rg i v e sac o r r e s p o n d i n gh a r m o n i cp r e v e n t m e a s u r e f i n a l l y ，a c c o r d i n g t ot h e a s y m m e t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i c a l t r a c t i o n l o a d s ，t h i sp a p e rs t u d i e st h en e g a t i v e s e q u e n c e c u r r e n t su n d e r d i f f e r e n tl o a d sa n dm a k e sa p i e c e o fa d v i c ef o r r e d u c i n g t h e n e g a t i v e s e q u e n c ec u r r e n t sp r o d u c e db ye l e c t r i ct r a c t i o nl o a d s k e y w o r d s ：e l e c t r i c a ll o c o m o t i v e ，s e r i e sr e s o n a n c e ，p a r a l l e lr e s o n a n c e ， h a r m o n i c sa m p l i f i e d i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 在一个理想的电力系统中电能是以单一恒定的工业频率( 5 0 h z ) 和规定的 电压水平向用户供电，电能质量也只是用频率和电压来衡量。但是在实际的电力 系统中，由于各类非线性负荷的作用，会使电压电流的波形发生畸变，从而在电 力系统中产生高次谐波，这就给电能质量带来了新的问题。过去由于各类非线性 负荷所占比例很小，谐波对电力系统的影响不是很明显，因此没有引起供电部门 和电力用户的重视。近年来，各种大功率可控硅整流设备、变流设备、电弧炉、 感应炉和各种电力电子设备不断地接入电网，还有千家万户的各类家用电器以及 其它非线性负荷也大量地投入使用，从而使电网中出现了大量高次谐波，严重时 还会威胁到电力系统的安全和经济运行。从目前情况来看，电力系统的谐波“污 染”问题已经到了必须采取有效措施进行治理的时候了。 众所周知，各类非线性负荷是在电力系统谐波的主要来源因此，通常将其 称之为“谐波源”，要想解决好电力系统的谐波污染问题，首先必须对各种谐波 源的特性进行深入的研究，目前电力系统中主要的谐波源有 1 , 9 , 1 9 1 ： ( 1 ) 电力电子装置。电力电子装置近年来迅猛发展，是最严重的谐波源。它 有多相和单相之分。大型的有达百万千瓦级的h v d c 装置和大型铝厂的整流装置， 小型的有电动机节能器、一些家用电器。电力机车是影响面较大的单相换流装 置。 ( 2 ) 电弧炉。通常所谓的电弧炉是指交流电弧炉，用于钢铁冶炼。大型电弧 炉的发展方向是采用更经济有效的直流电弧炉。在谐波源分类上，直流电弧炉由 整流器馈电，故应列入电力电子装置。铁台金矿石炉、电石炉和电弧炉虽都采用 石墨电极来注入熔化电流，但用电特性差别很大。 ( 3 ) 家用电器。例如日光灯、电视机、调速风扇、空调、电冰箱等。 ( 4 ) 高新技术应用的多种设备。例如电子计算机、敏感电子器件、功调器、 激光切割设备、卫星传送器、核磁共振设备、节能灯( 如高压钠灯) 等。 非线性负荷所产生谐波会在整个电网中传播，从而“污染”整个电力系统的 电气环境，给电网的安全运行和广大用户的正常用电都造成不利影响。谐波对电 1 墨二里堕堡 力系统的危害归纳起来主要有以下几个方面【1 ： ( 1 ) 对旋转电机( 发电机和电动机) 产生附加功率损耗和发热，并可能引起 振动。 ( 2 ) 引起无功补偿电容器组谐振或谐波电流放大：从而导致电容器因过负荷 或过电压而损坏；对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿。 ( 3 ) 增加变压器和电网的损耗。当发生谐振或放大现象时，损耗可达到相当 大的程度。 ( 4 ) 对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。 ( 5 ) 造成电能计量误差以及对通讯线路产生干扰。 国外的经验和预测表明各种非线性用电设备容量的增长率大大超过电网发 电设备容量的增长率。这一事实决定了谐波监督和治理工作的长期性和艰巨性。 例如。在英国自6 0 年代以来由于电力电子技术的发展，如果不加有效控制，在8 0 年代末英国的供电电压畸变率有可能高达1 0 4 7 , 4 8 。 表卜l t g 列出了1 9 8 0 年、1 9 8 5 年、1 9 9 0 年我国发电装机容量、发电量和电气 化铁道长度及其用电量的统计值，此表表明电气化铁道用电量的年增长率远高于 装机容量和发电量的年增长率，与此相应，电气化铁道负荷较重的电网，自2 0 世 纪8 0 年代以来，谐波的污染和危害都比较明显。 表i - 1 中国发电装机容量、发电量和电气化铁道长度及萁用电量统计 t d o l e l 一1t h es t a t i s t i co f t 瞳a 1 髑p 扯姆o f 群m a t o r , g e n e r a t e de k c t l i c n x k r 时ho f e l e c t f i z d m o 删n w e d 捌y 臣e l e c t r i c i t y 年统计值年增长率( ) 项目 1 9 年1 9 8 5 皇1 9 9 0 年1 9 8 0 。1 9 8 5 年1 9 8 5 - 1 9 9 0 年 发电装机容量g 寸的印0 08 4 9 51 3 如07 297 l 发电量( 亿k w h )加0 6舢6 1 5 06 28 甜 电气化铁道长度( k 柚1 6 6 74 l 如56 9 4 0g加01 0 s 3 电气化铁道用电量( 亿k w h )2 8 6 71 2 9 j 23 7 8 7 l22 4 9 4 电力系统运行部门包括一些电力用户针对设备所出现的谐波问题，开展了分 析和治理工作，减小谐波的影响应优先对谐波源本身或者在其附近采取适当的技 术措施。目前，治理谐波“污染”的主要技术措施和评价列于表卜2 t 吼。 2 第一章绪论 表1 2 i 自理谐波的主要技术措旖和评价 t a b l e l1 - 2 t h e r c a i n t e d u f i q u eo f m t r a i r l 岖h a m 妇sa u ：l i t sc o m m e 出 序号名称内容评价 增加换流装置可有效地碱小港 蝗 豹脉动数( 相 改造按流装置或稠相蜘有窟落泪 按；l c 装置备曼应丰目等 l 角白勺按流竟医器 使睦置复穗化数) 加装交琉滤波在盛臻韩嘎埘近茧曲旨旨千单诵i 旨及商蛋澹 印茸妻喇蜮“女渡量 应同 寸考虑无璇h 掌阳电压渭彰墩应 2 装置 渡蓟瞎，嘲目镀电虎 装置营厅维护简单，但需割谢 3 加装串联电抗在用户进线处加串联e 宦抗旨鲁，叫噌戈和 。可孺如i 哥呀搿攫黼匪潦扫闩 应同球鼽新髓拂惭电眶潞留虎匣 器系蜿的电气距离，撼悄戳曲勺f 瞄向 装蜀引亍耋曲啪单，但需制1 设汁 4 改善三相不平从皂漕剖匠蛙路阻# 0 盘葡特牲等拢 可有效地碱小3 演谐i 囱自静目 掰f 盱设积巍e 龋j 电，荆、才自耗 般 出三相不平衡原因，加咀消陈 有时需要用平衡装置 。可有效地荆吨蚴c 龄责 慝撷皆渡量 5 加装静止无采用t rh 玎或s r 型静 埕耐真 胥噼4 电医游苏闲变、三十嗣喇种韶 珊h 尝装置割生| i b f 搬i 十磷日b 女器倦无功自锄能，具有综台的 矧磋掰岗嗌 _ 、船魁 丰壹大- 需专门设汁 增加系壳承将落礴盛* 奶氍滢舶洪电点或由商一。可恻吨蜘拦鼢向 6 受谐询描2 力缓电压的电阿洪电 祧! 黼i 十骱i 舅旨意 避免电力电芍喳电容器锄q 串联e 皂抗器，或将电容 。可有女啪、减小电鹄翩扛惜谪| 螂呔僳 7 茗器蛆对谐渡器组的蘖些劐i 宕己妇蜘髓e 支路- 郫艮定电 证电容器蛆受垒运行 的放大容麟蝴 窖量 需专门设计 提高设备抗改进设备或装置啪皂，对谐波敏感 蜮0 i 置用于对谐演坟驰毵断殳 捌糍置 8 谐波千扰能力鲁秘蹦量采用灵敏的浩渡f 男f 蝗置端f 1 e 腕 采用有谭滤波 正在岍$ # 瞄蛩射盯_ 压朔中 目前还只胃j 于小窑尉翱贲 匣的 h 尝，且造 9 器等新型装置价较高 改革开放以后，我国经济的发展速度令世人瞩目。可以预见，今后还会有更 多的非线性负荷接入电网，如果不采取有效措施进行治理，必将给电网带来更严 重的谐波污染。与此同时，随着我国高新技术产业的不断发展和人民群众生活水 平的不断提高，电力用户对电能质量的要求也越来越高。因此，减少非线性负荷 对电力系统的影响，保证为用户提供高质量的电能，将是一个很有意义的研究课 题。 1 2 本文的主要工作 本文主要以汤阴2 2 0 k v 变电站为实际研究对象，对变电站无功补偿电容器谐 波问题进行研究，其中包括对电力牵引负荷和汤阴变电容器的谐波进行测量和分 析、对电容器的过电流、过电压和谐波放大等问题进行分析，并提出相应的治理 措施。另外还根据汤阴牵引变电站的特点，对电力牵引负荷所产生的负序电流也 作了一些分析和计算。 汤阴2 2 0 k v 变电站是豫北一座枢纽变电站，有2 台1 2 万k v h 主变，8 条 2 2 0 k v 线路和3 条1i o k v 线路，其中的汤牵线是专为电气化铁路牵引变电所供电 第一苹绪论 的1 1 0 k v 线路。由于电力机车属大功率的非线性负荷。而且三相不对称，在其运 行过程中必然会产生较大的高次谐波和负序电流，并通过牵引变压器和汤牵线注 入汤阴变电站。这些高次谐波电流已经给该站的无功补偿电容器带来一些不利的 影响。近年来，汤6 c 频繁烧保险，使该组电容器不能正常运行：2 0 0 1 年7 月1 7 号 9 时3 5 分，汤阴变电站汤7 c 电容器的放电p t 爆炸着火，汤7 c 开关爆炸。经过谐波 测试和分析计算，可以肯定出现这些故障的原因都与电力牵引负荷所产生的谐波 有直接的关系。 ( 1 ) 谐波测量工作 鉴于电网谐波问题的复杂性，必须采取理论分析和实际测量相结合的方法 去处理。因此在论文的开始阶段，周老师就多次带我到汤阴2 2 0 k v 变电站、汤 阴牵引变电站、新乡电业局和安阳电厂等地进行谐波测量工作，其中包括进行 现场谐波测量和远程谐波测量，并且查看了汤阴2 2 0 k v 变电站的运行记录和 2 0 0 1 年7 月1 8 号9 点3 5 分汤7 c ( 电容器1 放电p t 发生爆炸的有关记录，了解 电容器( 汤6 c ) 烧保险的情况，取得了大量的第一手资料，为论文的顺利进 行奠定了基础。 ( 2 ) 谐波数据处理软件的开发 针对我们配备的由河北保定长方电力电子公司生产的谐波分析仪，开发了 功能较全的谐波数据处理软件，大大提高了谐波测试数据的处理和分析工作的 效率。另外，我还针对省电力试验研究所的谐波分析仪的测试数据，也开发了 相应的谐波数据处理软件，其中包括查询某次谐波幅值、相位，分解出各次谐 波的正负序分量，接线校正，可以显示、打印有关报表。 ( 3 )汤阴变电站的谐波分析工作 分析变电站无功补偿电容器、变压器数学模型，以及确定系统的谐波阻 抗：根据电力机车的电路结构、汤阴牵引变电站和汤阴变电站的接线方式，分 析电力牵引负荷通过汤牵线注入汤阴变电站谐波的特点。建立了汤阴变电站谐 波导纳阵，根据谐波测试数据确定从1 1 0 k v 母线注入的谐波电流的正负序分 量，用m m l a b 编写的谐波计算程序分析各节点的谐波电压和各支路的谐波电 流。 4 第一章绪论 ( 4 ) 提出汤阴变电站谐波治理措施 根据工作( 3 ) 所分析得出的汤阴变电站电容器谐波问题的原因，提出了相 应的调整无功补偿电容器汤6 c 容量以及汤7 c 加装串联电抗器的治理措施，并 进行了验算。计算分析表明，采取上述有关治理措施后，可提高汤6 c 容量承受 谐波电流的能力，大大改善了汤阴变电站# 2 变低压侧谐波电流放大的情况。 ( 5 )电力牵引负荷负序电流分析 由于电力机车属于大容量单相负荷，能产生加大的负序电流。针对汤阴牵引 变电站变压器接线方式，分析了电力牵引负荷通过汤牵线注入汤阴变电站的负序 电流推导出相关的公式，提出了减小负序电流的建议。 改革开放以后，我国的电气化铁路发展很快。至u 2 0 0 1 年8 月底，我国电气化 铁路的总里程已达1 6 3 万公里，电气化铁路的运量占铁路总运量的1 3 。“十 五”期间铁道部将继续建设和改造电气化铁路8 0 0 0 多公里，电力机车对电力系统 影响的范围将进步扩大。因此，铁路部门和供电部门今后应该加强协作，力求 把电力牵引负荷谐波对电力系统的影响降到最低。 第二章谐波源分析 第二章谐波源分析 根据测试和分析，汤阴2 2 0 k v 变电站的谐波主要来自汤阴牵引变电 站的电力牵引负荷。在进行谐波分析时，从电力系统的角度来看，可以 把整个牵引变电站作为一个谐波源。因此，谐波测试点就选在汤阴2 2 0 k y 变电站内。本章主要分析电力机车产生的谐波以及谐波从汤阴牵引变电 站经过汤牵线注入汤阴2 2 0 k y 变电站规律和特点。 2 1 电力机车的主要结构 铁道运输采用电力机车牵引，比蒸汽机牵引和内燃机牵引有较大的 优越性。许多发达国家，尤其是欧洲，铁道电气化率发展较快，例如瑞 典的铁道电气化率在2 0 世纪8 0 年代初即达到6 2 。到2 0 0 1 年8 月底， 我国电气化铁路已达1 6 3 万公里，占铁路总运量的1 3 ，“十五”期间铁 道部将继续建设和改造电气化铁路8 0 0 0 多公里，这将给国民经济带来巨 大的经济效益，但与此同时，电力牵引负甫也对电力系统和广大电力用 户带来较大的、有时是严重的谐波干扰和其它不利影响( 如负序干扰) 。 目前我国国产的电力机车车型主要有韶山一1 型、韶山一3 型和韶山一4 型等，更新的车型，如韶山一8 型，也在陆续交付使用；此外还成批进口 了法国制造的8 k 型、6 g y 型，前苏联制造的8 g 型和日本制造的6 k 型。 电力机车采用单相整流桥，其脉动数只有2 ，特征谐波包括全部奇次谐 波单台容量相当大。韶山一1 型、韶山一3 型和韶山一4 型原理性结构图 分别如图2 1 、图2 - 2 、图2 3 所示。 l g z - i 韶山一l 型电力机车原理性结构圉 魄2 - 1 t kb 仃u c t mo f e k t 由l o c o m o t i v e o f s m o s l m - l z a o d e l l r ，”峥 。1 l ，畸 ：划 ，”峥 卜“峥 卜争 b 围2 2 韶山_ 3 越电力机车原理性结构围 飚柏t s * n m c t m m o f e h ：t 血l o c o m o t i v e o f s h a o s h a u - 2m o d a l 韶山1 型电力机车全部采用二极管整流，靠变压器有载调压来调节 第二章谐波源分析 负荷，属于非相控型电力机车。和相控型电力机车相比，韶山1 型电力 机车的谐波电流含有率和谐波电流相角的分散性都较小。 韶山一3 型电力机车和韶山4 型电力机车采用晶闸管整流，属于分段 相控型电力机车其谐波含有率比非相控型要高。分段相控型机车在轻 载时的谐波电流含有率和谐波电流相角的分散性都很大。表2 1 列出韶 山1 、韶山3 和韶山4 型电力机车在满载和半载( 或4 0 负荷) 时的主 要谐波电流。( 第3 、5 、7 、9 、1 1 次) 和基波负序电流【1 1 ( 2 ) 】。 5 k - v 围2 3 韶山q 型车头的一个单元 f i g _ 2 3a p 哪o f e l e c t r ol o c o m o t i v e o f s h 野6 n4 “l o d e l 表2 - i 韶山型机车的2 b k y 侧的1 3 、1 5 、1 7 、b 、i n 和1 1 1 2 ) 单位( a ) t a b l e2 - it h e h a n m o n i c c t e m t l 3 ，1 5 ，b 1 9 , 1 n i i ( 2 ) a t2 5 k v s i d eo f t h e s h a o s h a n m o d e l 谐、嵌电流 基波负基、瘐 车型负荷序电流电流 1 31 5 1 71 91 1 1 1 1 0 ) i l 韶山 满载，4 2 肼 4 b2 11 15 52 81 2 12 0 6 1 型 半戟，2 1 盯2 右1 384 。92 76 0 51 0 3 韶山 满载，4 8 m 5 0 2 41 263 61 3 42 3 0 3 型 半载，2 4 h 2 81 484a 26 71 1 5 留山 满载，6 4 7 6 i3 21 7 6 3 61 7 63 0 5 4 型4 负荷，2 5 6 肼 2 81 2 一1 87 c p v l o 3 2 2 6 7 01 2 2 2 2 牵引变电站 牵引变电站是连接电力系统和电气化铁道供电系统的桥梁，其高压 侧与1 l o k v 级电网连接，低压侧向馈电臂下运行的各台电力机车供电。 各台电力机车的谐波电流经馈电臂汇总到牵引变电站再注入电力系统。 因此电力牵引负荷注入电力系统的谐波不但取决于电力机车的型式和数 量，也取决于牵引变电站的电压等级、牵引变压器的类型和接线型式， 以及接触网的长度和制式等。 7 弟二覃谮波源分析 我国当前电气化铁道供电系统采用的牵引变压器主要有y 一1 l 接 线的三相变压器、v f v 接线的单相变压器和t 形接线的斯考特( s c o t t ) 变压器，汤阴牵引变电站采用了两台新型的阻抗匹配平衡变压器为电力 机车供电，两台互为热备用，其高压侧由l l o k v 汤牵线供电，然后经牵 引变压器降压为2 7 5 k v ，为两条供电臂供电。每一供电臂上的电力机车 均属非线性单相负荷，它们所产生的三相不平衡谐波经由供电臂、牵引 变压器及汤牵线注入汤阴2 2 0 k v 变电站。 汤阴2 2 0 k v 变电站是豫北电网的枢纽变电站，该站共有两台1 2 万 k v a 的变压器( y y 一1 1 接线) 、8 条2 2 0 k v 线路和3 条1 1 0 k v 线路， 1 0 k v 侧主要是无功补偿电容器。汤牵线是其中专为电气化铁路供电的 1 l o k v 一条出线。汤阴牵引变电站与汤阴2 2 0 k v 变电站连接情况如图2 4 所示。 h r 0b 0 ；0 田2 4 洒阴变电站及牵引变电站示意图 f j g2 - 4t l 螬t b t c hr m 甲o f t 啦p o m r s j 。n t r c t i s t a t 岫 阻抗匹配平衡变压器的内部接线如图：一5 所示，高压侧采用星型接 线，每相绕组匝数为w 1 ，低压侧采用三角形接线，每相绕组匝数为w 2 ， 并且还在a b 绕组的两端各接一个外延绕组，其匝数为w = o 3 3 6w 2 ，这 样可使两供电臂的电压u a c 和u b c 形成9 0 。的相位差。 c 围2 - 5 阻抗圜e 平衡受压器的攫竣方式 f i e2 - 5 c o n a l c t io no ft h i 哪l - d u c r m i t c h i n d n c t r n i t o fi i - l t r 当只有a d 供电臂上有机车( 即i b c n = o ) 时和当只有b e 供电臂上有 机车( 即i a c n = 0 ) 时，牵引变压器低压绕组中的电流分布分别如图2 - 6 ( a ) 和( b ) 所示。 r 第二章谐波源分析 告k 。 ( a )( b ) 固2 - 6 牵引变压器f 吲玉绕蛆中的电流分布 f i 9 2 6 t h ec a r n m t sd i 暑t i 玉u l i 。n h t h e b w v o n 字州缸吨d f t z l c t 沁t r a 璐f o 珊r 由于电力机车在供电臂上运行情况具有随机性，根据图2 - 6 ，可以 近似地得出牵引变压器电压绕组中的谐波电流表达式2 一l 。假设电流以 流出同名端为正，则有： ，= ，。+ k 。 i 。，= 一i 。+ 号ib en t = 一 j 。一号屯。 由于一个供电臂上可能同时有不止一台的电力机车在运行，所以 ，。和j 。应该是这多台电力机车供电电流中第n 次谐波电流向量的迭 加。两个谐波源的同次谐波电流在某条线路的同一相上迭加，当相位角 己知时可按2 2 式计算5 1 ： i 。= e + 吃+ 2 ，l 2 c o s 日 ( ! 2 ) 式中：i 。1 一一谐波源1 的第n 次谐波电流； i 。2 一一谐波源2 的第n 次谐波电流： 0 。一一谐波源l 和谐波源2 的第n 次谐波电流之间的相位角。 当相位角不确定时，可按2 3 式计算5 1 l ： ，。= ，三+ 最+ e ，1 ，。2 【2 - 3 ) 式中系数k 。按表2 - 2 选取。 表2 - ! 公式中系数k 。的值 t a b l e 2 - 2v a l u eo ft h ec o e f f i c i e n tk n 3571 l1 3 9 ， 13 ，偶次 k n 1 6 21 2 80 7 20 180 0 80 将牵引变压器的变比记为k ，根据2 1 式，牵引变压器高压侧的第1 1 次谐波电流为： 9 第二章谐波源分析 l = 警( l + 厶。) l = 譬( 一 l 。+ j 。) j 。= 譬( 一t 。一号气。) 按照式( 2 - 4 ) 即可计算出电力机车注入电网的高次谐波电流。 2 3 电力机车注入汤阴变电站的谐波 在电力机车的运行过程中，机车与牵引变的电气距离和路面的坡度 都在不断变化，机车的速度根据需要也在不断地调节，其有功功率和无 功功率波动的幅度很大，供电电流中各次谐波的含有率及其相位都是不 断变化的，为了掌握谐波电流的变化规律，还需结合现场测量，进行综 合分析。表2 3 给出汤阴2 2 0 k v 变电站汤牵线部分谐波实测数据。 表2 - 3汤阴变电站汤牵线谐波电流实测数据单位( a ) t a b l e2 l3s o m em e a s u r e dd a t af r o mt a n g q i a nl i n eo ft a n g y i nt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n 样本相别基波3579l l 13 a3 66 324 52 9 81 130 4 60 4 002 0 lb8 1 0 l9 8 71 0 2 04 3 7i 7 21 4 608 6 c4 27 272 26 9 63 1 81 1 91 0 60 6 0 a3 6 9 63 0 52 8 50 6 00 4 60 3 30 3 3 2b8 0 151 22 598 027 81 7 91 1 9 12 6 c4 2 3 99 0 76 6 220 51 2 608 607 9 a9 3 46 8 25 9 602 61 7 91 7 906 6 3b2 17 93 5 14 5 7i 7 208 605 307 3 c1 47 l64 92 7 8l5 91 7 915 904 6 a2 i 5 96 4 96 6 22 7 83 8 41 5 92 6 5 d b3 7 4 34 6 46 4 31 7 92 3 81 8 51 3 2 c4 0 6 19 2 l6 7 642 42 7 21 4 61 6 6 a1 4 7 11 8 545 71 3 22 381 2 602 6 5b2 6 8 949 04 9 02 5 22 581 1 910 6 c2 31860 93 5 1i 7 90 2 015 909 9 a2 8 5 52 2 54 7 72 5 83 1 82 3 80 9 3 6b 1 7 3 52 2 53 6 42 0 51 3 91 3 20 7 9 c3 7 8 23 1836 42 6 52 3 21 1 90 6 0 第二章谐波源分析 a4 56 46 5 68 0 83 9 l0 9 315 20 4 6 7b 139 l2 5 234 42 7 2o 9 312 60 5 3 c5 06 75 8 37 2 91 6 61 3 20 5 3o 4 0 a5 79 61 0 0 049 75 9 62 3 21 4 604 6 8b1 68 95 3 03582 9 8i 132 0 504 0 c5 6 3 083 56 8 93 5 834 41 3 903 3 a3 86 272 95 5 62 9 822 51 3 20 7 3 9b3 52 479 545 73 9 71 2 6 1 7 9 013 c3 79 69 0 76 7 62 5 827 2o 5 306 0 a2 74 25 9 034 43 3 l10 62 0 50 2 6 l o b2 5 5 74 3 72 7 21 4 61 0 629 81 7 2 c2 66 98 0 83 3 11 8 51 9 208 61 7 9 a2 0 1 43 0 52 5 81 7 20 9 3o 9 30 5 3 1 1 bi3 9 823 82 7 81 7 91 13 13 21 2 6 c2 0 0 033 i3 182 0 517 2o4 609 3 图2 7 和2 - 8 给出了汤阴2 2 0 k v 变电站汤牵线的一个测试样本电压、 电流的波形和频谱图。 u ，i i： ： ， ，、。 1。-