（电力系统及其自动化专业论文）基于实测数据的牵引变电所运行特性仿真及评价.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t c h i n e s ee l e c t r i f i e dr a i l w a yc o n s t r u c t i o nh a s s t e p p e d i n t oa n e w l y b o o md e v e l o p m e n tp h a s e h o w e v e r , s e r i e so fa d v e r s ei n f l u e n c e o fp o w e rq u a l i t yi m p o s e db ye l e c t r i f i e dr a i l w a yt r a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e m ，s u c ha sv o l t a g ef l u c t u a t i o n & f l i c k e r , h a r m o n i c sv o l t a g e & c u r r e n t ， n e g a t i v es e q u e n c ev o l t a g e & c u r r e n t ，r e a c t i v ep o w e re t c ，h a v eb e e np u t m o r ea t t e n t i o nt or e s e a r c h c o n s i d e r i n ga c t u a ld i v e r s i t ya b o u tt r a c t i o n l o a dl e v e l ，e x t e r i o rp o w e rs u p p l yl e v e l ，c o n n e c t i o nt y p eo ft r a c t i o n t r a n s f o r m e re x i s t e di nd i f f e r e n tr e g i o n so fc h i n a ，s e r i e so fn u m e r i c a l c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s o fd i f f e r e n tt r a c t i o nl o a dl e v e le l e c t r i f i e d r a i l w a yl i n e s ( s i n g l e - l i n e ，d o u b l e l i n eo fh i g hl o a dl e v e l ，d o u b l e - l i n eo f l o wl o a dl e v e l ) ，a n dt h ei n f l u e n c eo fp o w e rq u a l i t yi m p o s e db yt r a c t i o n l o a du n d e rt r a c t i o ns u b s t a t i o no p e r a t i o na r ea l lw o r t ht ob er e s e a r c h i n g i tw i l lb eau s e f u la n dh e l p f u lg u i d a n c et oc o n s t r u c tn e we l e c t r i f i e d r a i l w a y so rt r a c t i o ns u b s t a t i o n su n d e rs i m i l a ro p e r a t i o n a lc o n d i t i o n s ， b e s i d e s ，t op r o c e s ss i m u l a t i o n & c a l c u l a t i o na b o u tt r a c t i o nl o a d i nt h i s p a p e r , t h e m a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft r a c t i o nl o a da r e d i s c u s s e df i r s t l y n e x t ，s e r i e so fn u m e r i c a lc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f t r a c t i o nl o a db a s e do nq u a n t i t i e so ft r a c t i o ns u b s t a t i o n st e s td a t ao n d i f f e r e n tl o a d1 e v e lo fe l e c t r i cr a i l w a yl i n e sa r ec a r r i e do u ts t a t is t i c s a n da n a l y s i si nd e t a i l s 。t h e nd e p e n do nb a rc h a r t sa n dd i s t r i b u t i o n c u r v e so fd i f f e r e n tt r a c t i o nl o a dl e v e ll i n e s ，t of i tt h et r a c t i o nl o a db y a p p l y i n gc o m m o nc o n t i n u o u sd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n s ，a n dt os a m p l et h e t r a c t i o nl o a dr a n d o m l yf o rs i m u l a t i o nd a t ao fl o a db ya p p l y i n gm o n t e c a r l os i m u l a t i o n m e t h o d c o n s e q u e n t l y t h el o a d ss i m u l a t i o nd a t a p r o c e s sa t r a n s f o r m a t i o nd e p e n d e do ne x c h a n g em a t r i xo fd i f f e r e n t c o n n e c t i o nt y p e so ft r a c t i o nt r a n s f o r m e r ，t oa c h i e v et h e t h r e e - p h a s e l o a d ss i m u l a t i o nd a t ao np r i m a r ys i d eo ft r a c t i o ns u b s t i o n ，t h e nt o p r o c e s s t h es i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o no ft r a c t i o ns u b s t a t i o n s o p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sr e l a t e dt os o m ep o w e rq u a l i t yi n d e x ，a n dt o b ec o m p a r e df r o mt h er e s u l t sc a l c u l a t e db yt e s td a t a 。f i n a l l y ，ab r i e f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l l 页 a n a l y s i s a n de v a l u a t i o nf o rs i m u l a t i o n & c a l c u l a t i o n sr e s u l t si s p r e s e n t e d t h e p a p e ra i m s t o p r e s e n t an e w m e t h o df o rs u b s t a t i o n s o p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sb a s e do ns t a t i s t i c s & a n a l y s i st oq u a n t i t i e so f t e s td a t a ，a n do nt r a c t i o nl o a d ss i m u l a t i o nd a t at h r o u g hf i t t i n g ， s a m p l i n g ，t r a n s f o r m a t i o na b o u tt e s td a t a t h em e t h o da n dp a r t so fs t a t i s t i c so ra n a l y s i sp r e s e n t e di nt h e p a p e rw i l lp a v eab a s i cw a ya n do f f e r ah e l p f u lg u i d a n c ef o rf u r t h e r i n t e r r e l a t e dr e s e a r c h 。 k e yw o r d st r a c t i o ns u b s t a t i o n ；t r a c t i o nl o a d sn u m e r i c a lc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s ；t r a c t i o n l o a d ss i m u l a t i o n ；m o n t ec a r l o s i m u l a t io nm e t h o d 西南交通大学曲南父迥大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密西使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：知r 日期： 功只参、5 | 指导老师签名： 日期： 撒，叼 节d 世 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文基于大量牵引变电所实测数据的统计分析，对于不同运量水 平、不同接线方式的牵引负荷，用拟合抽样得到的仿真数据进行了牵 引变电所运行特性的仿真计算，并与实测数据的计算结果进行了比较。 学位论文作者签名： 日期： 关眇 1 b 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 中国电气化铁路正朝着客运高速化、货运重载化的方向快速发 展。到2 0 10 年，我国的电气化铁路总里程将达3 5 ，0 0 0 公里；国家 的中长期铁路网规划明确到2 0 2 0 年，我国铁路总里程将达到 1 0 0 0 0 0 公里，其中电气化铁路为5 0 ，0 0 0 公里，铁路电气化率为5 0 ， 承担的运量比重在8 0 以上【8 】。随着中国城市化发展和各经济圈的交 流日益频繁，城市地铁、轻轨和城际高速客运铁路等轨道交通也获 得了迅猛发展。同时为减少2 0 0 8 年爆发的世界金融危机对我国经济 发展造成的冲击和影响，国家加大了对铁路等基础设施的投资建设 力度，总投资累计超过了2 万亿元，中国铁路进入了新一轮繁荣发 展的时期。 电气化铁路在快速发展的同时，牵引供电系统对电力系统电能 质量的诸多不利影响，如电压波动与闪变、谐波、负序、无功等一 系列电能质量问题，正被越来越多地关注和研究【6 】【7 】【】【14 1 。据不完全 统计，国内自电气化铁路自投运以来，谐波和负序已引发2 0 0 m w 发 电机跳闸；山西、河南和贵州等省电网大面积停电或系统解；电网 产生局部谐振，网损明显加大；发电机转子损坏，继电保护和自动 装置非正常频繁启动，用户电机和电容器大量烧坏或不能正常运行， 小火电厂不能就近并网等一系列危害【8 】。随着电气化铁路的快速发 展，如何使牵引供电系统对电能质量的影响降到最小，成了亟待解 决的重要研究课题。国内有关专家学者对此进行了深入地探索研究， 提出了同相供电、高压直流供电等新型供电技术和解决方案，取得 了重要的研究和应用成果【7 】s 】。 众所周知，电气化铁路牵引负荷是一种单相的非线性负荷。牵 引负荷特性与电网的水平紧密相关，速度越快，运载量越大，运行 越频繁，对电网的要求也就越高【1 5 一，】；除此之外，不同接线方式的 牵引变压器对电力系统电能质量的影响程度也各不相同f 4 1 6 6 7 0 】。我国 地域辽阔、各地区的地理气象条件、电网建设水平、经济发展水平 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 各有不同，这就使得我国电气化铁路的牵引负荷特性在实际运行过 程中呈现出明显的地区差异。因此针对目前我国各地区电气化铁路 的牵引负荷水平、线路的外部供电电源水平、以及牵引变压器接线 方式都不尽相同的现实情况下，统计分析不同运量水平的牵引负荷 数字特征参数，对其进行拟合抽样；以及在牵引变电所运行中，研 究不同运量水平、不同接线方式的牵引负荷对电力系统电能质量的 综合影响，这对在相近或相似的运行条件下，进行牵引负荷或牵引 供电系统的仿真和计算，以及设计和建设新的电气化铁路或牵引变 电所，将提供重要的参考作用和指导意义。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 牵引负荷的研究方法 由于牵引负荷的随机波动性，使得测量和抽取个别的负荷变得 没有意义。有效的一种方法是将牵引负荷过程视为随机过程，利用 实际测量的数据，研究其数字特征和分布特征，从而进一步得到与 其数字特征和分布曲线相符的负荷曲线【2 4 】。 文献 3 1 】基于大量牵引负荷实测数据，对牵引负荷的分布特征进 行了分析，采用最佳平方逼近法对牵引负荷的谐波概率密度函数进 行了曲线拟合，得到了牵引负荷谐波的概率模型。这种求取概率密 度函数方法的前提是获得大量的实测数据，作为随机变量函数的样 本。文献【3 2 4 1 是根据列车运行图、操作图和牵引计算结果，考虑 牵引负荷主要的随机因素，利用蒙特卡洛模拟方法得到牵引负荷的 概率密度函数，这种方法的运用离不开列车运行图和列车牵引计算 结果的支持。 目前的研究表明，牵引负荷特性，除了与牵引变电所的结构、 接触网参数以及机车类型有关外，还与列车负荷、速度、线路坡度 以及运输调度等各种因素相关。总体来说，牵引变电所具有负荷量 大、负荷波动频繁、负荷大小不均衡、负载率低的特点。而高速客 运专线则具有牵引负荷大，可靠性要求高；短时负荷特征明显；列 车负载率高，受电时间长；越区供电能力要求高的特点【引。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 2 随机变量概率密度函数产生方法 产生随机变量概率密度函数的方法一般有三种1 3 0 】： 1 数值形式定义概率分布的方法：这种方法又细分为直方图法和经 验、半经验法等； 2 理论解析模型拟合分布的方法：这种方法又称为统计推断法，包 括对分布类型的推断和分布参数的估计；其中分布类型的推断有 经验法和统计法两种，分布参数的估计有矩法和极大似然法。 3 工程近似法：当不能用前两种办法来产生随机变量概率密度函数 时，可以考虑使用工程近似法，其中常用的有类比法和特征点法。 图1 1 随机样本统计推断过程流程图 这三种方法的选取主要决定与随机变量的容量大小和观测数据 来源的可信程度等。工程近似法一般应用于随机变量的容量很少的 情况下；对小容量样本产生概率密度函数缺少处理同类随机事件的 经验时，需要试用几种理论分布，并从中选出最合适的一种分布； 样本容量较大时，用直方图通常是拟合偏差最小的一种方法，也是 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 推断理论分布的一种最好直观方法；本文采用的方法就是用直方图 拟合的方法来得到牵引负荷的概率密度函数。图1 1 给出了随机样 本统计推断过程的流程图。 得到随机变量的概率密度函数后，对随机变量的模拟抽样，就 是从已知的概率分布的总体中任意抽取一定容量的样本值。通常只 要随机变量存在连续单调递增的分布函数，且其反函数可用解析形 式表示时，就可以用随机数对已知的随机变量进行直接抽样。但并 非所有随机变量的概率密度函数都可以求得其分布函数的解析式， 或者虽然存在其反函数，却不能以解析的形式给出，或计算量很大。 因此在随机变量的模拟中也运用其他一些抽样方法，如变量抽样法、 复合抽样法、值序抽样法、极限近似抽样法等等【3 0 】。 1 2 3 牵引负荷对电能质量影响的研究 目前研究牵引负荷对电能质量影响的一种主要方法就是通过测 试手段，对不同运量水平的牵引负荷特性和电能质量进行了解，从 而掌握电网和电气化铁道电能质量的相互作用规律1 2 4 。西南交通大 学电气工程学院通过现场测试，已积累了这方面的大量测试数据， 这为深入研究这项课题奠定了良好的基础。 电气化铁路对电力系统电能质量的影响主要存在负序、谐波、 无功、电压波动与闪变四大方面 13 1 d 4 。 从外部供电水平来看，不同的系统短路容量对电压降落有着重 要的影响。研究表明，系统的短路容量越大，电力系统的电压降越 小，越有利于机车的供电；另外牵引变电所一次侧的电压奇次谐波 含有率和总谐波畸变率与进线的短路容量成反比，与进线的电压无 关。文献 9 1 5 1 7 对普通、重载货运、高速客运电气化铁路给出了 建议的短路容量和接入电网的电压等级。从国外高速铁路的情况看， 由于高速铁路负荷电流大，为减少电气化铁路对电力系统的影响， 国外都尽量采用较高的供电电压。日本采用15 4 k v ，2 2 0 k v 和2 7 5 k v 三种电压等级，法国采用2 2 5 k v 和4 0 0 k v 电压等级，德国采用1 1o k v 电压等级( 电气化铁道专用网) ，意大利采用1 3 0 k v 电压等级，西班 牙则采用1 3 2 k v 和2 2 0 k v 两种电压等级。 牵引变压器是牵引供电系统中的重要设备。研究表明，不同接 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 线方式的牵引变压器表现出不同的负序特性，如单相变压器注入系 统的负序电流较大，而平衡变压器产生的负序电流则比较小。目前 国内通常采用的是纯单相i i 、三相v v 、y n d l1 、三相一两相平衡变 ( 如s c o t t 、y n d v 、阻抗匹配等) 等接线方式的牵引变压器；日本 采用s c o t t 接线和变形w o o d b r i d g e 接线的三相变压器；法国、德国、 意大利和西班牙则采用的是单相牵引变压器 6 6 6 9 】。 1 3 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容是基于实测的数据，用m a t l a b 编程统计分 析得到不同运量水平线路的牵引负荷的数字特征参数，并根据统计 得到的负荷特征参数，用蒙特卡洛模拟方法进行负荷仿真，然后对 牵引变电所运行时，牵引负荷对电能质量的影响进行仿真和计算， 并与实测的结果进行比较验证，最后做出评价和结论。本文各章主 要内容如下所示： 第1 章：总体介绍本课题的研究意义、研究方法和现状等。 第2 章：对牵引供电系统负荷进行综述，介绍牵引负荷的特性、 牵引负荷对外部电源的要求、外部电源对电能质量的限制等； 第3 章：先总结牵引供电系统计算和设计中所涉及到的一系列 牵引负荷数字特征，如均值、平均有效值、最大值、9 5 概率大值、 短时最大平均有效值等；然后编程对实测的数据进行分类统计和分 析，总结得到不同运量水平的牵引负荷的数字特征； 第4 章：在对牵引负荷特征参数统计分析的基础上，运用蒙特 卡洛模拟方法对各运量水平的牵引负荷进行模拟仿真； 第5 章：先建立几种不同接线方式的牵引变压器的原次边电流、 电压变换关系矩阵；然后根据实测和仿真得到的数据，对电能质量 的影响进行仿真和计算，最后对仿真计算的结果进行评价总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章牵引供电系统负荷综述 2 1 牵引供电系统负荷特性及其影响因素 牵引负荷是一种随机波动的不对称性负荷，不同于电力系统三 相对称负荷，有着不同的负荷特性，并受多种因素综合影响【2 1 【2 9 1 。 2 1 1 牵引供电系统负荷的特性 1 随机波动性：由于列车在运行过程中的加速、恒速、惰行、制动 等各种工况以及运行中坡道、弯道、站场、道岔、自然气候、司 机操作过程等因素的影响，使得牵引负荷随机波动。主要表现在 其基波即时有效电流大幅度剧烈波动，取流很难保持在半分钟内 平稳不变，有时会在短时间里由零变到满负荷或者相反，这种波 动及其发生的时间都具有随机性。 2 非线性：现行的电力机车多为交直整流型的，即用于牵引电机的 直流电是经交流电全波整流得到的，这是一个非线性过程，故称 牵引负荷为非线性负荷。牵引负荷电流含有明显的谐波成分，由 于半波对称，其中主要含有奇次谐波。牵引负荷的谐波具有幅值 波动大、相位分布广泛的特点。 3 单相独立性和不对称性：目前的牵引变电所大多是两相供电，一 条馈线取流对另一馈线电压损失的影响是很小的，可以认为牵引 变电所各供电臂的取流具有单相独立性，i 相对于三相系统而言， 牵引负荷具有不对称性，对电力系统存在负序的影响。 2 1 2 牵引供电系统负荷的影响因素 牵引供电系统负荷的特性，取决于电力机车的电气特性、列车 的负荷特性、铁路运行组织方案、牵引变电所的负荷特性等因素的 综合影响i s 。 1 电力机车的电气特性 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 目前我国使用的电力机车分为交直型和交直交型两种。交直型 电力机车采用半控桥式整流装置，通过控制晶闸管的导通角来控制 机车出力的调节；交直型机车的功率因数较低( o 8 左右) ，并产生 较大的高次谐波( 三次谐波电流分量占18 以上) 。交直交型电力机 车采用四象限整流技术，通过可关断的大功率电力电子器件如i g b t 控制导通和关断角，给机车提供频率、幅值都可控的交流电源，交 直交型机车谐波含量很少( 三次谐波电流小于2 5 ) ，且功率因数 也较高( 网侧的功率因数接近1 ) ，但其负序电流及有功冲击负载引 起的电压波动的问题仍然存在。 2 列车的负荷特性 列车的负荷大小，主要与列车牵引重量、运行速度、线路坡度 等因素有关。在运行速度、线路坡度相同的情况下，列车负荷与牵 引重量成正比；列车运行速度越高，空气阻力越大，空气阻力随速 度呈几何级数增长；在牵引重量、线路坡度相同的情况下，运行速 度越高，牵引功率和能耗大幅度提高。 3 铁路运行组织方案对负荷特性的影响 铁道部根据线路运行条件编制运行组织计划，列车由行车调度 统一指挥。单线铁路一般采用站间闭塞方式，一个区间只能有l 列 车运行：复线铁路一般采用划分区段闭塞方式，按固定间隔时间追 踪运行；目前货车一般追踪时间间隔为8 分钟，最小追踪时间间隔 为5 分钟；客运专线高速列车设计最小追踪时间间隔，近期为4 分 钟，远期为3 分钟。 4 牵引变电所的负荷特性 牵引变电所的负荷特性，除了与牵引变压器接线形式、接触网 参数以及机车类型有关外，还与列车负荷大小、速度、线路坡度以 及运输调度等各种因数相关。列车负荷越大、速度越快，则用电量 就大；而列车通车流量大，则牵引变电所供电范围内的负荷也大。 总的来说，牵引变电所负荷具有负荷量大、负荷波动频繁、负荷大 小不均衡、负载率低、无功冲击大的特性。 5 高速客运专线的负荷特性 高速客运专线是我国为加大城际客运输送能力而大力发展的新 型交通形式。高速客运专线的负荷具有单台机车牵引负荷大、可靠 性要求高、短时集中负荷特征明显、列车负载率高、受电时间长、 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 越区供电能力要求高的特性。 2 2 牵引负荷对外部电源的要求 电气化铁路作为电力系统的一级负荷，必须保证可靠的供电质 量，保证电力机车的正常运行。牵引负荷对供电质量的要求集中体 现在对供电电压的要求上，即要求在任何负载情况下，尤其是重载 情况下，保证足够高的系统供电电压，使电力机车能正常运行。 2 2 1 外部电源的供电能力 外部电源供电能力一般用短路容量来衡量，短路容量是指三相 短路时系统等效电源供给短路点的容量。式( 2 1 ) 表明了电力系统在 牵引变电所进线处短路时的短路容量s 虻为： s s s c = 号( m v a ) ( 2 - 1 ) a z 式中，s ，一为系统基准容量( m v a ) ； x 。，一电力系统的等效电抗标幺值( q ) 。 理论上来说，系统短路容量越大，所引起的电压降低越小；另 外电力系统的短路容量同电力系统的发电容量有关与负载所在地点 也有关。一般电力系统的发电容量越大，短路容量越大；负载点距 离电力系统电源越近，短路容量也越大t ，】。 供电电压也是反映外部电源供电能力的重要指标。在系统短路 容量一定的情况下，提高供电电压，可以减小电流，从而降低线路 压损和能耗；但供电电压提高，电气设备的投资就要增大，因此选 择合适的电压等级有重要意义。表2 1 所示的是电压等级与输送功 率和输电距离的关系l ， 1 9 1 ： 表2 1 电压等级与输送容量、输送距离的关系 额定电压( k v )输送容量( m w ) 输送距离( k m ) 11 0 1 0 - 6 05 0 1 5 0 2 2 0 1 0 0 5 0 01 0 0 - 3 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 3 3 02 0 0 一1 0 0 02 0 0 6 0 0 5 0 01 0 0 0 1 5 0 01 5 0 8 5 0 2 。2 。2 牵引负荷和系统的条件假设 根据有关的参考资料和经验数据，电气化铁道牵弓| 负荷和系统 的条件可按表2 2 所示，对牵引负荷做出如下假设1 7 1 1 8 | ： 表2 2 牵引负荷和系统的条件假设 铁路类型普通l 电气化铁路高速铁路 电压等级( k v ) 11 0 2 2 0 短路容量( m v a ) 5 0 q 2 0 07 50 6 0 0 0 供电设备容量( m v a ) 1 8 0 3 5 01 8 0 3 5 0 牵引变压器容量( m v a ) 2 0 、2 5 、3 1 5 、5 06 3 、7 5 、1 2 0 牵引变压器接线方式 y n d ll 、l i 、举相v v y n d l1 、i i 、单相v v 供电方式带回流线直供、a t复线a t 供电臀长度( k m ) 2 0 2 5 3 0 每供电臂最大列车数 44 列车传动方式交直传动交塞交传动 列车时速( k m h ) 1 2 02 5 0 3 5 0 追踪闯隔( r a i n ) 53 列车功率因数大了：0 8大于0 9 3 机车额定功率( k w ) 4 8 0 0 6 4 0 0 13 2 0 0 2 3 0 0 0 谐波电流总畸变率( ) 2 l5 做出这样的条件假设可以方便在研究资料缺乏时，对牵引负荷 实际运行的有关基本特性徽出科学地估算。 2 。2 。3 牵引负荷对电网供电电压的要求 g b l 4 0 2 铁道干线电力牵引交流电压中规定：牵引变电所牵 弓| 侧母线上的额定电压为2 7 。5 k v ，a t 供电方式为5 5 k v ：电力机车、 动车组受电弓和接触网的额定电压为2 5 k v ，最高允许电压为2 9 k v ( 持续时间不大手5 r a i n 的电压最大值) ；电力机车、动车组受电弓 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 上最低工作电压为2 0 k v ，在供电系统非正常( 检修或事故) 情况下 运行时，受电弓上的电压不得低于19 k v ，瞬时最小值为17 5 k v ( 持 续时间不大于10 m i n 的电压最小值) 【”】。 牵引网的电压损失与列车功率因数、供电臂长度有关。列车功 率因数越低，供电臂长度越长，压损越大；牵引变压器的压降与变 压器的容量、变压器的漏抗、负载电流的大小和低压侧功率因素都 有关，变压器的漏抗越大，低压侧功率因数越低，其压损越大。牵 引网压损和牵引变压器压损与系统短路容量无关，常速列车两者之 和在6 5 0 0 v 左右，高速列车两者之和在7 0 0 0 v 左右。为保证电力机 车受电弓上的最低电压水平在正常情况下为2 0 k v ，在非正常情况下 不低于19 k v ，要求牵引变电所处应保证电力系统的电压损失不超过 系统额定电压的1o 。表2 3 给出了不同牵引变压器安装容量在典 型负荷配置条件下的最低水平与电力系统短路容量的基本关系【，】： 表2 - 3 牵引变压器安装容量与系统短路容量的基本关系表 铁路类别常速电气化铁路重载货运高速客运专线 牵引变压器安装容 量 2 02 531 54 05 06 38 06 37 51 2 0 s r ( m v a ) 系统短路容量 5 0 07 5 0 1 2 0 015 0 019 0 0 2 8 0 03 8 0 018 0 0 2 5 0 04 5 0 0 s s c ( m v a ) s s c s r2 53 03 83 83 84 44 82 93 33 8 2 3 外部电源对电气化铁道电能质量的限制 2 3 1 系统短路容量与电压偏差的关系 g b l 2 3 2 5 9 0 电能质量一供电电压允许偏差中规定：3 5 k v 及 以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10 t 1 9 1 。表 2 4 所示的是按最大负荷为牵引变压器容量的2 倍、常速和重载线路 按功率因数为0 9 ，高速客运专线功率因数为o 9 3 得到的 1 1 0 ( 2 2 0 ) k v 供电母线上的电压偏差【，1 1 8 表2 4 牵引负荷引起电力系统供电母线的电压偏差 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 铁路类别常速电气化铁路重载货车高速客运专线 牵引交安装容量 2 02 53 1 54 05 06 38 06 37 5 1 2 0 ( m v a ) 系统短路容量 5 0 0 7 5 01 2 0 0 1 5 0 0 1 9 0 02 8 0 0 3 8 0 0l8 0 0 2 5 0 0 4 5 0 0 ( m v a ) 电笨偏差( ) 6 0 45 。0 33 。9 64 。0 33 9 73 。4 03 。1 84 4 93 。8 53 。4 2 由表2 4 可见，当系统的短路容量越大，则牵引负荷引起的电 压波动也就越小；系统短路容量越太，电力系统压降也越小。但只 通过提高系统短路容量来提高供电电压，效果也是有限的。 2 3 。2 三相电压不平衡度对系统短路容量的要求 g b t 1 5 5 4 3 19 9 5 电能质量一三相电压允许不平衡度的规定， 电力系统公共连接点的正常电压不平衡度允许值为2 ，短时不得超 过4 t ：2 0 】。牵引负荷在变电所高压侧引起的三相电压不平衡度，可由 式( 2 2 ) 得到： 最，= 氅些( ) ( 2 - 2 )r ，= - z ) 。 l s 。、 、。 式中，z ，牵引变电所注入电网的负序电流( a ) ； u ，一线电压( k v ) ； s s c 一牵引变电所进线短路容量( m v a ) 。 由上式可知：当牵引负荷和牵引变压器结线方式一定时，变电 所高压侧的三穗电压不平衡度氏与进线的短路容量成反沈，焉与 进线的电压无关；。与负序功率3 u ：i ：成正比，负序功率又与牵引 负荷的大小、牵弓l 变压器的结线型式等因素有关。在负序功率一定 的情况下，三相电压不平衡度只与公共连接点的短路容量有关，短 路容量越大，系统承受负序影响的能力越强。 2 。3 。3 谐波电压、谐波电流与系统短路容量的关系 牵弓| 变压器高压侧的h 次谐波电压含有率南式( 2 3 ) 近似计算i 2 l 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 舰u 。= 、f 3 h u n i , ( 2 3 ) ” 1 0 5 虻 式中，u 一电网标称线电压( k v ) ； ，。一牵引变电所注入电网的h 次谐波电流( a ) ； s 妒一牵引变电所进线短路容量( m v a ) 。 由上式可知，当牵引负荷和牵引变压器结线方式一定时，牵引 变电所高压侧的电压单次谐波含有率和总谐波畸变率近似与高压进 线的短路容量成反比，而与进线电压无关。 当公共连接点处的短路容量不同于基准短路容量时，第h 次谐 波电流允许值，。应按式( 2 4 ) 进行换算： c i = 等i 坳 ( 2 4 ) ) 七2 式中，& ，一公共连接点的最小短路容量( m v a ) ； s 。：一基准短路容量( m v a ) ； j 。一国标中第h 次谐波电流允许值( a ) 。 根据国标规定，牵引负荷接入系统公共连接点的正常电压不平 衡度允许值为2 ，短时不超过4 。对应1 1 0 k v 和2 2 0 k v 时的国标 限值并依照短路容量、供电设备容量、用电协议容量及负荷条件进 行换算。换算后的谐波电流允许值如表2 5 所示【7 】： 表2 5 电气化铁道谐波电流允许值 接入电压等级 铁路类别3 次5 次7 次9 次 ( k v ) 11o1 9 72 2 51 9 61 3 4 普通铁路 2 2 01 0 81 2 91 2 20 9 6 1 1 04 3 34 6 33 6 42 6 4 高速铁路 2 2 0 2 3 7 2 6 62 2 61 8 3 表2 6 、表2 7 列出的是典型普通电气化铁路( 牵引变容量取 31 5 m v a ) 和典型的高速铁路注入电力系统的谐波进行分析计算的 结果【9 】： 表2 - 6 普通铁路典型系统的电能质量计算结果 电压l 牵引变接线l 主要电能质量计算数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 等级 谐波 来装滤波装置 装设1 2 电抗率补偿电 ( k v ) 电流容器时昀谐波电压 ( a ) 的谐波电压( t h d ) ( t h d ) 纯单裙接线超标7 。0 2 )6 1 ( 2 ) ll o v v 接线 超标 5 0 ( 2 )4 7 ( 2 ) 纯肇楣接线超标2 6 ( 2 ) 2 3 ( 2 ) 2 2 0 v v 接线 超标 1 9 ( 2 )3 7 ( 2 ) 纯单相接线超标 2 1 p 2 )1 8 ( 2 ) 2 2 0 v v 接线超标 1 6 ( 冀) ，电压波动呔韵为： 波动。a q f ( 一a s ) 1 0 0 ( 3 1 1 ) o s c 式中，q 一负荷的无功功率的变化量( k v a r ) ； 笛一负荷容量的变化量( m v a ) ； s 跖供电系统p c c 的短路容量( m v a ) 。 3 6 三相电压不平衡度 设u ，、巩分别为电压麴正序、负序分量，则三榴电压不平锈度 钆定义式为1 6 l ： ，r 勤= 詈x 1 0 0 ( 3 一1 2 ) u 1 文献 2 0 】中给出了不同情形下三相电压不平衡度的计算公式，对 不对称负荷在p c c ( p c c 正序阻抗和负序阻抗辐等) 造成的三相电 压不平衡度日，的计算式可参考本文第2 章的式( 2 2 ) 。 3 1 7 谐波电压、谐波电流 谐波电压含量u h ，第h 次谐波电压含有率h r 、电压总谐波 畸变率t h d 定义式分别为【6 】： ( 3 13 ) ( 3 1 4 ) 一尸 一u _，j、 - 一。脚一u = i i 以 眨 u ， 耿 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 ，气f 帆) 2 t h d = 挚1 0 0 ( ) = 旦 x l o o ( ) ( 3 一l 5 ) u iu 1 式中，玩一第h 次谐波电压方均根值； u 一基波电压方均根值。 将上面三式中的电压换成电流，就能锝到谐波电流含量、第h 次谐波电流含有率、电流总谐波畸变率的定义式。 牵引变压器高压侧第h 次谐波电压含有率的计算式可参考第2 章式( 2 3 ) ，由其可得到p c c 三相最小短路容量时，第h 次谐波电 流允许值的计算式；当p c c 三相最小短路容量不同于规定的基准短 路容量时，按式( 2 4 ) 进行修正。 3 。2 不同运量水平的牵引负荷特征参数统计 牵引负荷是一种随机剧烈波动的非线性不对称负荷，由于其随 机性和复杂性，对单个牵弓| 交毫所的实测数据进彳亍统计分析并没有 太多的实际意义，有效的一种做法是将牵引负荷过程视为随机过程， 研究其数字特征参数( 文中简称为特征参数) 帮分布特性t ：朝。本节 将对大量牵引变电所实测数据进行特征参数统计，以寻求不同运量 水平的牵引负荷特征参数的统计规律。 3 2 1 牵引负荷的典型特征参数 一般来说，随机过程最典型的特征参数是均值( 数学期望) 、均 方值( 二阶骧点矩) 、方差( 二阶中心矩) 等。在随机变量的概率密 度函数或概率分布函数不易求出的情况下，这些特征参数可以近似 或部分地描述随机变量的分布特性。 通常牵弓l 供电中最常用的负荷特征参数是平均值和方均根值 ( 平均有效值) 。平均值反映了负荷的平均水平，主要用于估算平均 牵零| 能耗，牵弓| 变压器静容量利焉率，并联补偿下系统容量损失或 功率损失等；平均有效值则主要用于计算发热和计算系统及设备的 容量等。出于电气化铁道负荷按运行图运行，其过程具有日周期性， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 故其平均值和平均有效值通常是针对典型日负荷过程的日平均值和 日平均有效值。 由于牵引负荷的波动剧烈，只统计日平均值和日平均有效值有 附显得不足，还需要统计一些特殊的特征参数。例如负旖的最大值， 9 5 概率大值，最大1 分钟、l0 分钟、半小时短时负荷平均值等。 这些特，征参数常用于系统及设备容量的校验和选择，负序对系统的 影响分析等方面1 2 9 1 。 下面给出几个需要统计的典型负荷特征参数，例如平均值，一、 方均根值( 平均有效值) 王。、最大值? 一、最大短时平均值削、 9 5 概率最大值，一刚的数学定义【2 3 1 ： t厶； ，一= l ( a ) ( 3 - 1 6 )搠删、， 、 ， i = ，帮( a ) i m p , = m a x i i ( a ) | 黼，t = m a x 式中，0 一每个采样点的电流有效值( a ) ； ( 3 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) a ) ，k = l - n ( 3 - 1 9 ) 髓一全冒受荷的采样点数； 胛，一t 时间跨度内的采样点数。 9 5 概率最大僮z 一。，纵的定义是：一个周期内的采样点按数值从 小到大排列，去掉后面5 的数值后，余下数列中的最大值即为牵引 负荷的9 5 概率最大值。 在实际运行中，菜些线路( 如单线) 的运量通常较小，空载率 较高。因此除了研究全圈负荷的特征参数外，还需要对其带电运行 情形下的负荷特征参数进行统计分聿厅，这对后西研究牵辱| 负荷的概 、，lr， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 率密度函数和分布函数将会有重要的作用。 设日平均电流和带电平均电流分别为，。和，：一，日平均电流 和带电平均电流分别为，。和，二，线路的空载概率为r ，根据其定 义，可以得到它们的关系式为【：，】： ，一= ，二( 1 一p o ) ( 3 - 2 0 ) j 。= ，二1 一p o ( 3 - 2 1 ) 3 2 2 牵引负荷实测数据来源 本文实测数据的来源是2 0 0 6 2 0 0 8 年期间，西南交通大学电气 工程学院电气化铁道电能质量课题研究组的成员，对全国主要铁路 干线，包括大秦线、陇海线、内昆线、贵昆线、宝成线等线路上的 众多牵引变电所进行现场测试获得的数据。测试仪器每3 秒钟采样 和记录一次数据，记录的数据为测试量的l 2 0 ( 5 0 ) 次基波、谐波的 幅值与相角，一个完整的测试周期( 通常取为2 4 小时) 共记录了 2 8 8 0 0 个采样点的数据。本节将对牵引变电所二次侧的全日和带电 运行两种情形下的基波电流幅值进行特征参数的统计。 根据不同线路的设计资料和实际运量水平大小，本文选取了4 0 个牵引变电所进行统计。不同线路根据其运量大小可分成单线、运 量大复线、运量小复线三类。为本文的统计和叙述方便，首先对选 取的4 0 个牵引变电所进行分类编号，其中单线、运量大复线各有 16 个牵引变电所，运量小复线有8 个牵引变电所。不同线路上的牵 引变电所的编号和名称详见表3 1 所列： 表3 1 不同运量水平线路上牵引变电所的编号和名称 变电所编号123 4 56 78 单线白银两 大湾子金马村昆明西梅花山石板滩 石林南 铜鼓溪 运量大复线白石渡 东城乡东域乡