（电力系统及其自动化专业论文）基于三单相平衡变换的铁道新型牵引供电系统研究.pdf

j i 立窒望盔兰堂主堂焦堡奎茎王三! 璺塑塑銮垫盟壁望堑型奎! ! 堡垒墨堕堑塞 a b s t r a c t an o v e lp o w e rs u p p l ys y s t e mf o rr a i l w a yt r a c t i o ni sp r e s e n ti nt h i sp a p e r , i nw h i c h t h ea c h ” p o w e r f i l t e r si su t i l i z e dt oe l i m i n a t et h ed i s a d v a n t a g e so f t h es y s t e mw i d e l ya d o p t e d a tp r e s e n t b y c o m p e n s a t i n g t h en e g a t i v e r e a c t i v ea n dh a r m o n i cc u r r e n ts i m u l t a n e o u s l y , t h ep r o p o s e ds y s t e m c a n a v o i dt h ep o w e r q u a l i t yd e t e r i o r a t i n gp r o b l e m ，a n dt h eo v e r h e a dl i n ei so f t h es a m e p h a s e ，w h i c h e n a b l e st h el o c o m o t i v et oe x e l la l lo fi t sc a p a c i t ya n ds p e e da b i l i t yw i t h o u tc o n s i d e r i n gt h es a f e t y i s s u e s i nt h ep r o p o s e ds y s t e m ，t h ec u r r e n tf r o mt h et h r e e - p h a s eu t i l i t ys y s t e mi ss y m m e t r i c a l ，a n d i n p h a s e w i t he v e r yp h a s e - v o l t a g e ，w h i c hm e a n st h es i n g l e p h a s e ，i n d u c t i v el o a da c t s a sa s y m m e t r i c a lp u r e r e s i s t a n tl o a d i nc o r r e s p o n d i n gt ot h es y m m e t r i c a la n da s y m m e t r i c a lt r a n s f o r m e r st h a ta r eu s e di nt h et r a c t i o n s u p p l ys y s t e m ，t w os c h e m e sa r ed e v e l o p e dt o r e a l i z et h ep r o p o s e db a l a n c ec o n v e n i n gs y s t e m ( 8 c d ) t h ec o n f i g u r a t i o no f aa n i p h a s e db a l a n c i n gs u p p l ys y s t e mb a s e do nb c di ss u g g e s t e d t h es t r u c t u r eo f a c l i v ep o w e rf i l t e r ss u i t a b l ef o ri m p l e m e n t i n gt h eb c di sp r o p o s e d , o nas u r v e yo f t h ee x i s t i n gt o p o l o g yo f t h ep a s s i v e ，a c t i v ea n dh y b r i df i l t e r s ，a n dt h ec u r r e n t , v o l t a g e ，m u l t i - l e v e l a n dc a s e a d ec o n v e n e r s a ne v a l u a t i o no fm o s to ft h em e t h o d sp r o p o s e db yo t h e rp u b l i c a t i o nf o rg e n e r a t i n gt h e r e f e r e n c ec u r r e n t v o l t a g ei sd o n ei nt h ep a p e r , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a b i l i t yo ft h e s e m e t h o d si sa n a l y z e d ah i s hs p e e da n ds i m p l er e f e r e n c eg e n e r a t i n gm e t h o di ss u g g e s t e d ，w h i c hc a n e x t r a c tt h ep o s i t i v e s e q u e n c ev o l t a g ef r o mt h ea s y m m e t r i c a l ，d i s t o r t e ds o u r c ev o l t a g e ，a n dt h e r e f e r e n c ec u r r e n tc a nb eg e n e r a t e db yu f i l i m n gt h i sv o l t a g e t h e t o p o l o g yo fb o t ht h r e ep h a s ea n ds i n g l ep h a s ev o l t a g e - t y p ea c t i v ef i l t e ri sa n a l y z e d ，a n d t h ee q u i v a l e n c ec i r c u i tt h a tc a nr e v e a lt h ec o r r e l a t i o na n dr e l a t i v e i n d e p e n d e n c yb e t w e e nt h e c o n v e h sl e g si sd e d u c t e d av e c t o rm o d e lo f t h r e e p h a s ea c t i v ep o w e r f i l t e ra d o p t i n gb a n dc u r r e n t c o n t r o li se s t a b l i s h e d w h i c hc a ne x p l a i nt h e p r i n c i p l ea n dp r o b l e mo ft h ec o m m o nh y s t e r e s i s c o n t r o ls t r a t e g y as t a t eo p t i m a lv e c t o rc o n t r o l s t r a t e g y i s d e v e l o p e d ，i nw h i c ht h ec o r r e l a t i o n a m o n gt h el e g si sh a r n e s s e d ，l e a d i n gt ot h er e s u l to fl o ws w i t c h i n gf r e q u e n c y , h i f g h e rs w i t c h i n g e f f i c i e n c ya n da c c u r a c y , a n da v o i dt h es h a r pp u l s e sa p p l i e dt ot h eg a t eo f p o w e rd e v i c e s t h ee q u a t i o n sf o rc a l c u l a t i n gt h ep a r a m e t e r so fb c d s y s t e mi sd e d u c e df r o mt h ev o l t a g e ， c u r r e n ta n de n e r g yr e l a t i o n s t w oa p p r o a c ho f p a r a m e t e rc a l c u l a t i o nb a s e do nt h e s ee q u a t i o n sa r e s u g g e s t e d s o f t w a r es i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sh a sb e e nd o n e ，a n dt h er e s u l t si s i n c l u d e di nt h ep a p e l t h er e s u l t sh a ss u p p o s e dt h e s y s t e mc o n f i g u r a t i o n ，c o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ep a r a m e t e rc a l c u l a t i o n m e t h o dp r o p o s e di nt h ep a p e r , a n dt h e s y s t e m sf e a s i b i l i t yi sv e r i f i e ds i m u l t a n e o u s l y k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r , b a l a n c ec o n v e h i n g , e l e c t r i f i e dr a l l w a y p o w e rs u p p l ys y s t e m ， h a r m o n i c c o m p e n s a t i o n ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ! i 立奎塑盔兰攫主堂堡堡塞 薹王三! 兰塑王塑壅垫盟堡塑堑型空丑壁鱼至塑堕 第一章铁道牵引供电系统 1 1 电气化铁道牵引供电系统的发展与现状 电气化铁道是由电力机车和牵引供电系统组成的，它们之间相互制约、协调 发展的过程，构成了电气化铁道一百多年的发展历史，并从一个侧面反映了电气 技术和电力电子技术发展的进程。可以预见，随着科学技术的不断进步，电气化 铁道必将在这两个部分相互制约和协调的过程中，继续完善和发展。 1 1 1 牵引供电系统的地位和作用 牵引供电系统由牵引变电所和接触网两部分组成1 心，如图i - i 中虚线下方 部分所示。它处于三相的电力系统电力机车之间，起到变压、变频和变相的作用， 将电力系统的l l o k v ( 或2 2 0 k v ) 三相电能变换为特定电压、频率、相数的电能， 以满足电力机车的需要。由于电气化铁道是一级负荷，故每个牵引变电所的输入 侧都采用了双供电回路。 a _ 变电站；b 一发电厂；c 一区域变电站；d 牵引变电所；e 一接触网；卜分相绝缘器 圈卜1 牵引供电系统的组成与地位示意图 从图中可以看出，牵引供电系统既是电力系统的负载，又是电力机车的电源。 由于牵引供电系统所处的地位，决定了它的性能必须满足两方面的要求：作为 三相电力系统的负载，应表现出对称的、纯电阻的特性，即从电网吸取三相对称 的、纯有功的电流，而且不向电网注入谐波电流；作为电力机车的电源，必须 不间断地向负载提供满足特定指标的、充足的电能，包括负载的有功功率和无功 功率，并吸收负载可能产生的谐波电流。 因此，牵引供电系统的结构和制式，不仅受其本身技术水平的制约，同时也 受电力系统和机车性能指标的制约。 苎二兰垦望垩!i堡皇墨竺一 1 1 2 牵引供电系统的制式 在电气化铁道一百多年的发展过程中，对接触网的电压等级、频率和相数等 进行了研究、比较和实践，最终确立了现在普遍采用的供电模式【1 4 l 。 1 直流制 直流制是电气化铁道最早采用的一种电流制式。牵引网的电压等级主要有 7 5 0 v ( 地铁) 、1 5 0 0 v ( 地铁、工矿、干线) 、3 0 0 0 v 和6 0 0 0 v ( 干线) 等。牵引 变电所完成降压和整流功能，实现三相交流到直流的变换。机车采用直流电动机 牵引，具有牵引性能良好、机车设备简单以及对通讯干扰小等优点。而且，该制 式能够满足电力系统三相平衡的要求。 该制式的主要缺点，是由于受电动机端压的限制，牵引网电压较低，牵引电 流很大。为减小线路损耗，必须增大接触网导线截面积。为了保证牵引网的电压 水平，牵引变电所间的距离较短，变电所的数目较多。另外，地中直流电流腐蚀 周围的金属设备，必须采取防护措施。这些因素提高了直流制供电系统的造价， 限制了它的发展，使得在全世界电气化铁路里程中的份额，由原来的绝对多数减 少到目前的4 4 2 左右。 因为直流制具有电力系统三相平衡、牵引网不存在换相问题等优越性，而且 随着斩波调压、变频调速等技术大量采用，交流机车成为主型机车，电网电压有 了进一步提高的余地。如果在电腐蚀问题上获得突破，直流供电方案还可能得到 广泛的应用。 2 三相交流制 三相交流制是在直流制产生之后不久产生的。它利用二根接触导线及钢轨构 成三相供电电路，牵引变电所仅完成调压功能，机车采用三相异步电动机。尽管 该制式具有牵引变电所和机车设备简单、电动机可靠性高、维修方便等优点，但 是由于接触网结构复杂且不安全，而且受当时异步电动机调速技术的限制，所以 未能得到推广。目前这种制式只在个别国家极少量采用。 3 低频单相交流制 低频单相交流制出现在二十世纪初。目前在世界上约占全部电气化铁道里程 的1 6 ，6 ，在西欧一些国家运用较多。主要采用5 0 3 h z ，1 5 k v ( 西欧) 和2 5 h z ， 1 l k v ( 美国) 制式。与直流制相比，该制式的主要优点是提高了牵引网的电压， 从而使接触导线截面减小，变电所间的距离一般可以增加到5 0 k i n 左右。 j ! 查銮望盔堂堕主堂鱼鲨壅 薹王三! 兰塑里煎壅垫盐簦堂堑里至型垡皇墨! l 堕! 堑 低频单相交流制的主要缺点，是其频率与工业频率不同，因此需要专用电源 系统。一般采用三种形式：由铁路专设低频发电厂供电：利用工频三相电源 供电给集中的变频变电站，将三相工频变为单相低频，并用单相高压线将电能输 送给各个牵引变电所；设置分散的变频变电所，将三相工频变为单相低频后， 直接供给牵引网。变频装置通常由三相同步电动机一单相发电机组成，由于机组 的存在，使得供电系统设备复杂、效率低，经济效果反而不如直流制。 4 工频单相交流制 工频单相交流制发展较晚，1 9 3 3 年首先在匈牙利出现，网压为1 6 k v 。由于 当时机车采用三相异步牵引电动机。而由单相变为三相的换相结构复杂，机车的 牵引性能差，所以未得到很好的发展。直到法国在1 9 5 0 1 9 5 5 年，成功解决了 引燃管整流器电力机车的制造工艺问题，并在东南地区建成了电气化区段，工频 单相交流制才得到快速发展。由于工频单相交流制所表现出来的优良性能，以及 大功率整流二极管和晶闸管的出现，推动了这一制式的快速普及，并成为建造新 的电气化线路的首选制式。 多年来各国的研究和实践表明，工频单相交流制供电方式结构简单、技术先 进、经济合理，有下列突出优点： ( 1 ) 供电系统简单，它的一次供电系统构造和直流制相同，但牵引变电所内的 设备大为简化。不需要象低频交流制那样建设铁路专用的发电设备，或者在变电 所内安装变频机组。 工频交流牵引变电所还可以方便地向地区负荷提供三相电源。 ( 2 ) 牵引网电压可以大幅度提高，牵引网的电流大大减少，从而使牵引变电所 间的距离加大，数目减少，接触网有效截面减少，结构简化。不仅减少了一次性 投资，而且降低了运营成本。 ( 3 ) 泄漏电流对沿线地下金属建筑物的腐蚀作用极其微小，在一般情况下，不 需要象直流制那样采取特殊的防护措施。 ( 4 ) 只要机车配备所需的电能变换设备，直流电机和三相异步电机都可作为机 车的牵引装置；电能变换方式更为灵活、方便，机车具有较好的牵引和调速性能。 由于这些特点，不少国家在已经采用了其它电流制以后，又决定发展工频单 相交流制。近年来在世界电气化铁道中，该电流制的比重有了较大的增长，目前 己占世界电气化铁道里程的3 8 3 左右。 3 一 第一耄铁道牵引供电系统 1 1 3 我国牵引供电系统的制式 我国干线电气化铁路始建于1 9 5 8 年，一开始就采用了技术先进的2 5 k v 、5 0 h z 的工频单相交流制，为我国在简捷、经济、统一的制式下持续高速发展电气化铁 道创造了有利条件。截止到1 9 9 9 年底，我国电气化铁道总里程已达1 3 7 9 7 k m ， 居世界第七位，占全国铁路里程的2 3 2 ，承担客货运量的3 0 以上。 在城市交通系统中，还采用了直流制，其中城市无轨交通通常采用5 5 0 v 的 电压，地铁和轻轨主要采用直流7 5 0 v 和1 5 0 0 v ，在工矿运输中采用直流1 5 0 0 v 。 由于所占比例很小，而且与干线铁路关系不大，不作为本文讨论的内容。 综上所述，牵引供电系统经历了从直流到交流、从三相到单相、从低频到工 频的发展过程。目前在国外，直流、低频单相交流、工频单相交流制式并存；在 国内，则统一使用工频交流制式。由于工频单相交流制是牵引供电系统发展的方 向，因此，本文仅选择工频单相牵引供电系统作为研究的对象。 1 2 工频单相牵引供电系统存在的问题和采取的措施 1 2 1 工频单相牵引供电系统存在的问题 牵引供电系统的地位和作用决定了它一方面要满足电力机车牵引性能的要求 外，另方面还要满足电力系统供电性能的要求，并且不能对它所处的环境造成 不利的影响。尽管工频单相牵引供电系统( 以下简称单相牵引系统) 具有很多的 优点，但是离这些要求仍有一定的差距。负序电流、无功功率和谐波干扰，是单 相牵引系统一直在试图解决的问题，下面分别讨论。 一无功功率和谐波电流 1 机车负载的性质 在电力机车中，相控整流的直流机车目前占多数。采用“交一直”型机车的 铁道供电系统可以用图1 2 表示。其中b 1 是牵引变电所内的变压器，b 2 是机车 的主变压器a 通过调节直流牵引电动机m 的端电压和主极磁通，可以调节机车 的速度。端电压的调节由调节b 2 的输出电压及相控桥的触发角实现 6 1 。为了改善 牵引电动机的运行条件，在电机通路中还串入平波电抗器l 。此时，机车可以看 作一个感性的、具有反电动势的负载。由于电感的存在，以及相控整流的结果， 使得电流滞后于电压，而且近似于方波。因此，电流中富含各种奇次谐波 成分；机车的功率因数比较低，一般在0 8 o 8 5 之间。 北方交通大学博士学位论文墨至三! 兰塑! 煎壅垫塑壁鲎堑型至! ! 堡皇墨堑堡基 i l o k v变电所 2 5 k v机车 幻：l_ b “ 拓 jljl + l 莎 l l c 。l m 。分 b ib 2 j 图1 2 “交一直”型电力机车与牵引供电系统的联接示意图 电力机车是一个随机变化的感性负载，其基波电流滞后电压一定的角度；由 于变压器、牵引电机等设备的非线性，以及电力电子器件的非线性调节作用，使 得机车的电流中包含大量的谐波成分。该谐波成分在三相供电系统中的分布是不 对称的。由于牵引负载的功率大、空间和时间分布随机性强、三相不对称，牵引 供电系统是电力系统的一个主要无功源和谐波源。 2 无功功率的影响与危害 无功功率对牵引供电系统的影响：使系统的功率因数降低；牵引变压器、接 触网以及其它电气设备的容量大大增加；变压器和牵引网的电压降加大；设备和 线路的损耗增加。 对电力系统的影响： 降低了发电机的出力，使发电设备效率降低，发电成本提高； 降低了输变电设施的供电能力； 使电网的损耗增加( 网络的电能损失与功率因数的平方成反比) ； 增加了输电网络的电压损失，造成用户端供电电压的不足。 无功功率的变化可造成电压的剧烈波动，影响供电质量，并对系统中的用 电设备产生不良影响。 为弥补无功功率造成的损失，电力系统对用户功率因数的高低制订了相应的 奖惩指标：当用户的月平均功率因数比规定标准低0 0 5 时，增加月电费的2 5 ： 低0 1 时，增加月电费的5 ；当用户月平均功率因数比规定标准高0 0 5 时，减 少月电费的1 5 ( 取规定标准为0 , 8 5 时) 或2 5 ( 取规定标准为0 9 时) 。按照 这一指标，由于无功损失，铁道部门每年要向电力部门支付大量的额外”费用。 3 谐波电流的危害 牵引供电系统产生的谐波电流，对牵引系统和电力系统都造成严重的谐波污 染p 1 1 8 ，产生下列危害： 一5 一 在供电设备和元件中产生附加的谐波损耗，降低发电、输电设备的效率； 使电机产生机械振动、噪声和过电压，变压器局部严重过热； 使电容器、电缆等过热、绝缘老化、寿命缩短甚至损坏 在电网中引起并联谐振和串联谐振，并使谐波放大，威胁电容器和电抗器 的工作安全； 影响计量仪表的测量精度，影响继电保护和自动装置的正常工作，甚至使 其产生误动作，导致重大事故： 对铁路沿线的通信设备、通讯及广播信号产生严重的干扰。 我国交流电气化铁道谐波允许值：以电力系统的地区变电站的1 l o k v 为谐波 电压监测点，在监测点处，由电气化铁道谐波电流引起的相电压正弦波形畸变率 ( 不含电力系统原有的电压畸变率) ，应低于3 ，即： 瞻击j 歪疗蚰( 1 - 1 ) 其中，圪表示i 1 次谐波电压的有效值。 二负序电流 ( - - ) 不同联接形式下的负序电流及电流不对称系数 电压等级的变换是工频单相牵引变电所的主要任务，由安装于变电所内的牵 引变压器完成。牵引变电所通常分别采用单相联接、单相v 形联接、y d - 1 1 联接 等形式，如图i - 3 所示。 粤鹳艘 二4 二平二覃 ( a ) ( b )( c ) 图卜3 牵引变电所的基本联接形式 ( a ) 单相联结；( b ) 单相v 形联结；( c ) y , d 1 1 联接 单相牵引负载对三相供电系统的影响，与变电所的联接形式有关，下面分别 讨论。为讨论方便，设负载电流不含谐波成分；变压器的原、副边电压比为k ， 两个供电臂的电流为而和l 。 棼禧棼 北方交通大学博士学位论文基于三单相平衡变换的铁道新型牵引供电系统研究 1 纯单相联接 如图卜3 ( a ) 所示，单相牵引变压器的高压侧接在电力系统的a 、b 两相之间， 低压侧的一端接牵引母线上，另一端与接地网和钢轨联接。这种联结的主要优点， 是牵引变电所内设备及其布置简单，变压器容量利用率高，运营维修方便，造价 和运营费用比较低。 令，= ( j t + j ：协，则厶= j ，五= 一j ，是；o ，即三相电流处于不对称状态。将 电源电流分解为对称分量，可以得到： ， p | - 袁 卜+ j i z - 3 0 0 z 一1 5 0 。 i z 一2 7 0 。 1 a - ， j b j ：面 卜一j z z 3 0 0 1 l 1 5 0 0 眨2 7 0 0 ( 1 2 ) 由式( 卜2 ) 可以看出，电力系统的电流不对称系数为1 ，三相不对称现象严重 这是纯单相联结的主要缺点。 2 v 形联接 如图l 一3 c o ) n n ，两台单相变压器联接成开口三角形，高压侧接电力系统三 相，低压侧一端接钢轨和接地网，另两端分别接牵引网的两供电臂，中间用分相 绝缘器隔开。这种联结的优点是变压器的容量利用率较高，变电所设备比较简单。 由厶= ，班，b = j 班，站= 一( j - + j ：) 肛，三相电流用对称分量可表示为： 设j 滞后的角度为声，五滞后瞻c 的角度为庐：，可以画出正、 图，如图卜4 ( a ) f i f i ；示, 。厶】+ 、赴+ 、厶j 一和如一的相角分别是9 0 。一彩。、 3 0 。一西和一9 0 。- 庐2 ，所以正、负序电流的幅值分别为 i + = 印+ ，2 2 + 2 1 f f 2 c o s ( 0 2 一c t ) 1 3 t 2 1 【一- t l s l 2 + h2 + 2 1 1 1 ：c o s ( 1 2 0 0 + 2 一1 ) 】3 1 2 三相电流不对称系数为 x ：了_ 1 - ：，f h 2 + 1 ，2 2 + 2 ，1 1 1 2 c o s ( 1 2 0 0 + 2 - 一1 ) 负序相量 9 0 0 一西2 、 ( 1 - 4 ) ( i - 5 ) 2 2 2 1，j一 血胁妇刊 + + + 舢舷a州磐哆衄 讥觚肌 。斗 rll，l m m 1 ，lih0厶由尼 1hrl刊1 o 一 = 鬈删别刊 霉一等一 彩印埘 如m 必心哆化尬 _ ，l ： 一 一| 撅 上血 图l - 4 牵引负载的电压电流向量分布 ( a ) v - v 联结；( b ) y , d 一1 1 联结 3 y ，d 1 1 联接 如图卜3 ( c ) 所示，三相牵引变压器联接为y ，d 一1 1 ，高压侧为y 形结线，接入 电力系统，低压侧一端接钢轨和接地网，另两端分别接牵引网的两供电臂，这是 我国电气化铁道目前采用最多的形式。该联结的优点是变压器的次边仍为三相系 统，可以为变电所的自用电及地区电力负荷提供方便的三相电源。 由于变压器副边各绕组的阻抗相等，所以容易求出厶= ( 2 ，+ j z ) ( 3 ) ； 丘= ( 一i l + i z ) o k ) ；是= 一( j 1 + 2 j 2 ) ( 3 女) ，用对称分量可表示为： 设变压器原边中点为0 ，l 滞后执。的角度为，2 滞后绌的角度为：，可 以画出正、负序相量图，如图卜4 ( b ) 所示。厶l + 、凡+ 、厶1 和乱一的相角分别 是6 0 。一el 、6 0 。一矽：、6 0 。一咖和一6 0 。一：，正、负序电流的幅值及电流不对称 系数为 仁篙h娶+21，12cos(120。纽 ”， i ，一= j 、2 + 2+ 加一咖) 触 加胁他、叫l叫11 h h h 地胁殷叶慧兰旃，i10加，血m 妒酣l。 竺纠甜 跨孑一 上弦啦。孙j 爿1埘埘斗 竺 筹 土强 土弘 j ! 立塞望盔堂竖主堂丝鲨塞 董王三璺塑煎壅垫塑堡塑堑型童型堡皇墨垄l ! 墨 x ：生：牲! ；挈堡亟塑! 丝二盟 ( 卜8 ) ，+ ，1 2 + ，2 2 + 2 1 1 1 2 c o s ( # 2 一矿1 ) 对比( 卜4 ) 与( 1 7 ) 、( 卜5 ) 与( 卜8 ) 式可以看出：在v 形联接和y ，d 1 1 联接中， 正、负序电流的幅值不仅与两供电臂的电流的大小有关，而且与两供电臂的负 载的功率因数角的差值有关；在相同的负载情况下，两种联结的电流不对称系 数完全相同。 设a = ，以l ，占= 2 一庐l ，则( 卜8 ) 式可写为 由式( 卜9 ) 描述的不对称系数五的图形如图卜5 所示。 ( 卜9 ) 图卜5 v 联接和y ，d 一1 1 联接的电流不对称系数与供电臂电流之间的关系 由式( 卜9 ) 及图卜5 可以看出，在负载电流 和j ：的作用下，电源的电流不对 称系数五存在下列规律： 当j l 和丘的相角差j 一定时，在它们的幅值相等处的五最小： 当 和j 2 的幅值比一定时，五随j 变化： 当且仅当卢= l 、j = 6 0 。时，才有五= 0 ，即负序电流等于0 ： 当两供电臂具有完全相同的负载时，五= o 5 ，即三相电流仍不对称。 综合以上分析，可以得出下列结论： 一9 一 笙二兰鏊望至! ! 堡皇墨竺 ( 1 ) 牵引变电所采用上述三种基本接线方式时，都会在三相电力系统产生负序 电流： ( 2 ) 纯单相联接时，电流不对称系数为1 ； ( 3 ) v 形联接和y 1 l 联接的电流不对称系数，与两供电臂的负载电流的幅 值比，以及功率因数角的差值有关：电流不对称现象普遍存在。 ( 二) 牵引供电系统的负序电流对电力系统的影响 负序电流除产生无功功率，具有无功功率的上述危害之外，对电力系统和用 户还造成如下的影响【9 】： i 引起旋转电机的附加发热和振动，危及安全运行和正常出力。 从安全角度考虑，同步发电机定子各相的电流均不能超过其额定值。当定子 中流过负序电流时，为使各相电流不大于额定值，就必须降低发电机的出力。否 则，绕组将超过额定温升。 由于负序电流相序形成的旋转磁场以两倍于同步转速的速度旋转，一方面在 转子中感应电流，造成附加损失，使发电机温升增大；另一方面，该磁场与发电 机正序磁场相互作用，使发电机产生附加机械振动，影响其正常运行及寿命。 2 使变压器的额定输出功率降低，不能发挥最高的运行效率。 由于负序电流的存在，电力系统的变压器三相绕组中，必有一相电流最大， 这就使变压器各绕组不能全工作在额定状态，从而使变压器容量利用率降低。当 负序电流流过变压器时，变压器绕组的铜耗增大，增加了附加损耗。 3 ，降低了电力网的输电能力。负序电流在电力系统流过时，不仅不能作功， 还造成电能损失，并占用输电系统容量。 4 使电力系统中依靠负序分量起动的继电保护及高频保护误动作。 5 不对称的电流会增大对通信系统的干扰，影响通讯质量。 ( 三) 限制负序电流影响的有关标准 发电机运行规程第1 0 8 条规定“发电机的允许不对称电流值，应遵守制 造厂的规定，在无制造厂的规定时，对空气冷却和氢气表面冷却的发电机可按照 下列规定： 1 按额定负荷连续运行时，汽轮发电机三相电流之差，不得超过额定值的1 0 ， 水轮发电机和同期调相机三相电流之差，不得超过额定电流的2 0 ，同时任何一 相的电流不得大于额定值。 2 在低于额定负荷连续运行时，各相电流之差，可以大于上面所规定的数值， 一1 0 ! e 查窒望盔堂堡主皇垡堡塞 菱王三! 苎塑垩煎壅垫塑鳖垄堑型窆型堡鱼薹! l 曼 垦 但具体数值应根据试验决定。 国家科委颁布的国家标准电机技术要求规定“汽轮发电机的三相负载不 对称时，若每相电流均不超过额定值，且负序分量与额定电流之比，不超过8 应能连续运行。” 1 2 2 现有牵引供电系统解决问题的措施 对于无功功率和谐波电流的影响，电气化铁道已经采取了一些解决的措施。 这些措施主要是从两个方面发挥作用的：首先，改善机车的性能，尽量减少谐波 的产生，提高功率因数；其次，就近补偿机车产生的谐波电流和无功功率，尽量 减轻其危害。 至于三相不对称造成的负序电流问题，则采用三两相平衡变换的变压器和 相序轮换技术加以改善。 下面分别具体讨论牵弓l 供电系统曩前已采取的措施，以及这些措施的效果。 一无功功率补偿和谐波电流抑制的措施 】机车上采取的措施 为提高机车的功率因数，在机车上配餐功率因数校正装置( p f c - p o w e r f a c t o r c o r r c c t o r ) ，可以取得较好的效果 1 0 1 。对于谐波电流，则采用l c 无源滤波器和有 源电力滤波器( a p f - a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 予以滤除。另外，在“交一直交”机车 和“交直”机车上，当整流环节采用四象限p w m 整流器对，可以使机车的输入 电流的基波与电压同相位，从根本上解决低次谐波与功率因数问题。 2 牵引变电所采取的措施 对于机车上未补偿( 或未完全补偿) 的无功功率，通常可在牵引变电所采用 无源、有源及两者结合的混合补偿方案进行补偿。电容器分组投切是通常采用的 方案 1 1 】【1 2 】，但它补偿的无功功率是有级的：对于随时变化的机车负载，仍然会产 生欠补偿或过补偿的情况，因此效果不太理想，而且系统中的谐波电流有可能引 起并联谐振，造成电容嚣的损坏。静止的无功补偿装置( s v c 。s t a t i cv a t c o m p e n s a t o r ) 近年来得到了很大发展，在牵引供电系统得到了应用【1 3 1 【1 4 1 。s v c 的典型结构是“固定电容器+ 晶闸管控制的电抗器”( f i x e d c a p a c i t o r + t h y r i s t o r c o n t r o l l e dr e a c t o r f c + t c r ) 的形式，依靠调节t c r 豹触发角g 可以连续调 节补偿装置的无功功率。 采用s v c 和a p f 混合补偿的方案研究在牵引供电领域也取得了一些进展 苎二童壁堂堂! ! 堡皇蔓竺 一一 1 1 5 1 1 | 6 。利用s v c 和a p f 补偿机车的无功功率和谐波电流，可以大大提高补偿器 的性能并降低系统的造价。 目前，相控机车采用p f c 装置，可以使功率因数提高到0 9 以上；利用l c 无源网络及有源滤波器，可以滤除大部分的3 、5 次谐波成分；利用四象限整流 器的机车1 0 】，功率因数在理论上可以达到i ，电流中仅含开关次的谐波成分。因 此，随着电力电子器件和控制技术的发展，通过车载及地面无功与谐波补偿装置 的合理配置，由机车本身性质而产生的无功和谐波问题有望得到很好的解决。 二改善牵引负荷三相不对称的措施 ( 一) 利用变压器实现三两相的平衡变换 通常采用斯科特( s c o t t ) 变压器实现三相与“两相”的平衡变换f 1 7 9 1 ，如 图卜6 ( a ) 所示。斯科特变压器采用了特殊的绕组结构，原边接成倒“t ”形，水 平边匝数为2 n ，垂直边匝数为, f i n ，副边两绕组匝数均为1 1 。 副边两绕组分别向供电臂供电，设负载的电流为矗和知，功率因数分别为 c o s r # 和c o s p 2 。由于西比嘞超n - 辩9 0 。，所以副边相量图如图1 - 6 ( b ) 所示。由绕 组之间的变比和相位关系，可以列出变压器原、副边之间的电压、电流关系： 毫嘲刭靴埘拿鞘 汁 塞=。_v。n。i一-。11，：2-z43：2j1lu西。j1，；b=一。，n_|-f|，：2-zv3：2jlm，j c 一， 式( 1 1o ) 和( 卜1 1 ) 分别称为斯科特变换式和逆斯科特变换式。 韭立銮望盔堂! 璺主堂垡鲨壅 董王三! 兰塑王堑壅壅塑壁望堑型垩型垡皇至! 壅里 互 原边电流相量图如图卜6 ( c ) 所示。由对称分量法可以确定正、负序分量( 仅 考察a 相的情况) 分别为 j 5 ( ? + 霉)( 卜1 2 ) 【巧= k ( z t 一面f ) 其中，k = n ( 2 - , 3 n ) 。 正、负序电流的幅值及电流不对称系数为 卜侄! ：竺：竺竺 ( ，喝) 【，一；t 扭2 + m 2 2 i r m c o s ( 2 一咖) 设u = k ，t ，占= 2 一，由上式可得到电流不对称系数丑的表达式 x ：去：仁堡唑( 1 - 1 4 ) 扣i 2 i i 两 上式表示的不对称系数丑与及艿的关系曲线如图卜7 所示。 图卜7s c o t t 联接的电流不对称系数与供电臂电流之间的关系 由图1 7 可以看出，当两供电臂的功率因数相同、且负载电流的幅值相同时， 电流不对称系数为0 ，即电源电流三相平衡。与v 形和y , d 1 1 联接相比( 参见图 卜5 ) ，在负载电流相同的情况下，s c o t t 联接的三相不对称系数比前二者小，因此， 该联接对减小负序电流是有利的。 除s c o t t 变压器外，我国首创的阻抗匹配平衡变压器及其变型也可实现三相与 “两相”的平衡变换 2 m 2 3 1 ，它克服了斯科特变压器因为原边没有中性点而无法接 地的缺点1 2 4 1 ，在牵引供电系统中得到了应用。图1 8 ( a ) 所示为该变压器的结构原 理图。它是在y , d 一1 1 型变压器的基础上，在二次侧附加外延支臂构成的。一次侧 三相绕组的匝数都是1 ，二次侧三角形各绕组的匝数为n 2 ，两个外延支臂的匝 数均为0 5 ( 芎一1 ) 2 。 。 由电压比及绕组间的对应关系，容易得到两 可以看出，如和咖呈垂直关系，这与s c o t t 变压 阱去陶 汁，s ， 阱意陶 峋 由式( 1 一i s ) 、( 1 - 1 6 ) 洲变压器原边电流 厶o i c p 髟 ? 墨 ( c ) 图卜8 阻抗匹配平衡变压器原理 ( a ) 接线图；( b ) 次级电压矢量图 ( c ) 次级、初级电流矢量图 阻抗匹配平衡变压器与s c o t t 变压器的负载 平衡效果是相同的，在文献【2 3 中证明了二者存在等效关系。所不同的是：阻 抗匹配平衡变压器的中性点接地时，不存在中线电流，因此可以安全地接地：而 一1 4 ! ! 查銮垄丕堂璺主堂垡笙塞 薹至三! 苎塑! 堑壅垫丝矍垄堑型至翌垡皇墨篁! 塾 s c o t t 变压器高压侧没有中性点，敲不能直接接地渊。使应用受到一定的限制： 阻抗匹配平衡变压器的次边存在三角形绕组，能构成激磁电流三次谐波分量 的通路，改善了电势波形。因此，s c o t t 变压器有可能将逐渐被阻抗匹配平衡变压 器所取代。 尽管如此，由于s c o t t 变压器在原理上更便于叙述和理解，原、副边的对应关 系更为简单，所以本文在涉及三两相平衡变换变压器时，将以该变压器作为研 究模型，但结论也适用于阻抗匹配平衡变压器。 综合以上分析可以看出，利用变压器实现单相负载的平衡变换，变压器必 须采用三相不对称的电磁结构；利用s c o t t 变压器及阻抗匹配平衡变压器实现 平衡变换的条件，是两供电臂必须具备相同的负载，即负载的功率因数相同、电 流大小相等。这个条件在通常情况下是难以满足的，因此，直接利用变压器实现 平衡变换有很大的局限性，只能在一定程度上减轻负荷不对称造成的影响。 ( 二) 利用相序轮换技术实现牵引供电系统公共接入点的三相平衡 该方案的基本思想是将接触网沿铁道线路分成若干个部分( 供电分区) ，各部 分分别由电力系统的a 、b 、c 三相供电，当各相所接供电分区的负载之和相等， 且功率因数相同时，电力系统三相电流就可以达到平衡状态。由于铁路沿线各供 电分区的相序是交替排列的，故称为相序轮换【1 1 2 1 1 5 1 。 采用纯单相变压器及相序轮换的牵引供电系统，如图1 - 9 ( a ) 所示。牵引变电 所依次引入电力系统的不同相，各供电区段相位差6 0 0 ，各供电区段间用分相绝 缘器隔离，六个变电所可以完成一个相序循环。这种供电系统在哈尔滨大连的电 气化铁路上得到了运用【2 5 】。 图卜9 的( b ) 及( c ) 所示，分别是采用v 厂v 联接和y 1i 形联接的变压器在牵 引供电系统中的连接方法。两个变电所之间的供电臂相位相同，采用电分段隔离， 必要时可并联运行：同一个变电所的两个供电臂相序不同，其间采用分相绝缘器 隔离。相邻的不同相位的供电臂之间，存在6 0 0 的相位差。六个变电所完成一个 相序循环。 采用s c o t t 变压器或阻抗匹配平衡变压器的供电系统，也都采用相序轮换，以 最大限度地减轻对电力系统的影响。 以上分析表明，无论负载的性质如何，这些联接形式都会在单个变电所的供 电范围内造成电源电流不对称的现象。尽管如此，如果能在各个供电区段上合理 安排牵引负荷，使得在数个变电所与电力系统的等效公共接入点p c c 伊o i n to f 一1 5 c o i n l n o nc o u p l c ) 盘k ，三相都有相同的负载，就可以使得三相电流处于平衡状态。 因此，相序轮换技术在理想的情况下，在理论上是可行的。而且，即使不能保证 g r 僦p c c 处平衡，多个变点所综合作用的结果，也将大大降低整个系统的 电流不对称系数。从这个角度考虑，相序轮换技术仍具有很高的实用价值，因而 在单相工频牵引供电系统中得到了普遍的应用。 a a b c b c 扒。六人。从【l 犬 a b c i 一1 一 i 父 ca c a nc a父 c ay ca 、 c a ( c ) 图1 9 采用相序轮换的牵引供电系统示意图 ( a ) 纯单相联接；( b ) v ，v 联接；( c ) y , d 1i 形联接 ( 三) 相序轮换的缺点及其对列车运行的影响 在实际的供电系统中，通过采用相序轮换技术实现电力系统三相电流的平衡 一1 6 i 垦查窑望查堂竖主堂堡堡奎 苎至三! 苎塑! 煎壅垫堕壁望堑型空型堡皇墨竺里 旦 几乎是不可能的。因为列车流量受许多因素的影响，因而无法保证每个供电区段 都同时有机车运行；即使在同一时刻，每个供电区段都有机车运行，由于换算坡 道、列车编组、机车工况( 牵引、惰行、制动) 等影响机车电流的因素也不会完 全相同，因而还是无法保证电力系统各相电流的平衡。即使电力系统各相电流达 到了平衡状态，也只是相对于一个假想的公共接入点p c c 而言的，由于牵引变 电所分布的分散性，从一个或几个变电所的入线端口看，三相电流还是不对称的， 这种不对称状态对供电系统仍然会造成不可忽视的影响。因此，相序轮换并不是 保证三相电流平街的