（电力系统及其自动化专业论文）电牵引及供电系统中的谐波污染研究.pdf

同济大学硕士学位论文 电牵引及供电系统中的谐波污染研究 a b s t r a c t a l o n g 、析t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , a p p l i c a t i o no fm a n y k i n d so fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c ei np o w e rs y s t e m ，i n d u s t r y , t r a f f i ca n df a m i l yi s i n c r e a s i n ga b r o a d s o ，t h eh a r m t op o w e r s y s t e mc a u s e db yh a r m o n i c si sm o r es e v e r e al o to fr e s e a r c h e r sf r o mm a n yc o u n t r i e sp a yf u l la t t e n t i o nt ot h ep r o b l e mo f h a r m o n i c s ，a n dh a v ed o n ed e e pa n de f f e c t i v er e s e a r c h a tp r e s e n t ，h o wt od e a lw i t h h a r m o n i cp o l l u t i o ni nt h ep o w e rs y s t e mh a sb e c o m et h ep r o b l e mt h a th a st ob es o l v e d i nt h ef i e l do fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya b o u te l e c t r i c i a n e l e c t r i f i e dr a i l w a y , a st h en o n l i n e a rl o a do fp u b l i ce l e c t r i cn e t ，h a sb e c o m eo n e o fm a i nh a r m o n i cs o u r c e sc a u s i n gh a r m o n i cp o l l u t i o ni nt h ep o w e rs y s t e m ，w h i c hi s m a i n l yb e c a u s et h a t e l e c t r i c l o c o m o t i v er u n n i n go nt h ee l e c t r i f i e dr a i l w a yi s s i n g l e - p h a s er e c t i f i e rl o a d o na c c o u n to fi t sg r e a tp o w e r , w i d ed i s t r i b u t i o na n d t h r e e p h a s ea s y m m e t r i c ，i tw i l lp r o d u c e ag r e a td e a lo fh i g h o r d e rh a r m o n i c sa n do n t h ec o n t a c tn e tw i l le x c i t eh i 曲一o r d e rv o l t a g ea n dc u r r e n th a r m o n i c sd i s t r i b u t i n ga l o n g t h el i n e w h i c hw i l li n t e r f e r e s e r i o u s l y 、析t 1 1t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma l o n gt h e e l e c t r i f i e dr a i l w a y t od e c r e a s et h i sk i n do fi n t e r f e r e n c e ，a i le f f e c t i v em e t h o di st o a d o p tt h ea u t o t r a n s f o r m e rp o w e r - s u p p l ym o d e ，o rc a l l e da tm o d e i nt h i sa r t i c l e ，w e s i m u l a t ea n dr e s e a r c ht h es t a t u so fh a r m o n i cp o l l u t i o na sar e s u l to fl o c o m o t i v ed r i v e i nt h ea te l e c t r i ct r a c t i o np o w e r - s u p p l ys y s t e m i nt h i s a r t i c l e ，t h ee q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e l so f 5 5 4i m p r o v e de l e c t r i c l o c o m o t i v e ，a tt r a c t i o nn e ta n dt r a c t i o ns u b s t a t i o na d o p t e d nc o n n e c t i o na l es e tu p 。 t h et i m ed o m a i nm e t h o da n dt h e o r yo ft h es y m m e t r i c a lt r a n s m i s s i o nl i n ea r eu s e dt o a n a l y z et h e s e c i r c u i tm o d e l s ，c o n s e q u e n t l y , t h em a t h e m a t i cm o d e l sa b o u tt h e c o m m u t a t e da n dv o l t a g e a d j u s t e dc i r c u i to fe l e c t r i cl o c o m o t i v ea n dp o w e r - s u p p l y s y s t e ma d o p t e da tm o d eo nt h ec o n d i t i o no fm u l t i l o c o m o t i v ea r es e tu p t h e s o f t w a r e ”m a t l a b ”i su s e dt os i m u l a t ea n dc a l c u l a t et h eh a r m o n i cc u r r e n t sa n dt h e i r c o n t e n ti nt h ee l e c t r i cl o c o m o t i v e ，t r a c t i o nn e ta n dt r a c t i o ns u b s t a t i o n f i n a l l y , w ec a n 2 同济大学硕士学位论文电牵引及供电系统中的谐波污染研究 d r a wac o n c l u s i o nt h a tt h ea tm o d ea d o p t e di nt h ee l e c t r i ct r a c t i o np o w e r - s u p p l y s y s t e md o e s n tm a k et h es t a t u so fh a r m o n i cp o l l u t i o no ft h ee l e c t r i cn e tc a u s e db y l o c o m o t i v ed r i v ew o r s e a n da tt h es a m et i m ec a nd e c r e a s et h ei n t e r f e r e n c ew i 也t h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma l o n gt h er a i l w a y i ns u m ，a tp o w e r - s u p p l ym o d ei sw o r t h g e n e r a l i z i n g k e yw o r d s ：h a r m o n i c s ，s i m u l a t e ，e l e c t r i cl o c o m o t i v e ，t r a c t i o np o w e r - s u p p l y 格式： 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文“蜱墨l 是堡垒歪鲤丝整茎爹够 除论文中已经注明引用的内容外，对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确 注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：易延 弘口多年多月3 , o 日 电牵引及供电系统中的谐波污染研究 i 绪论 1绪论 1 1引言 在电力系统中，正常的电压和电流波形应当是5 0 h z 正弦波。但是，实际的 波形总有不同程度的非正弦畸变，这种波形畸变会产生高次谐波。电力系统的谐 波问题早在2 0 世纪2 0 年代就引起了人们的注意。7 0 年代以来，由于电力电子 技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日 益广泛，主要表现为：各种换流设备的大量应用、电气化铁路的运营范围越来越 广，以及家用电子电器的广泛普及等等，使得谐波及其所造成的危害也日趋严重。 世界各国都对谐波问题予以了充分的关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学 术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的 标准和规定。国际电工委员会( i e c ) 和国际大电网会议都相继组成了专门的工 作组，开展了这方面的工作【1 】【2 】【3 1 。 我国对谐波问题的研究起步较晚。吴竞昌、孙树勤、宋文南等人于1 9 8 8 年 编写了一本我国有关谐波问题较有影响的著作【3 】，这也是国内第一本论述电力系 统谐波的书，堪称国内在电力系统谐波这一领域的先驱。此外，唐统一等人1 9 9 1 年翻译了j a r r i l l a g a 等人的著作【9 j ，也在国内有较大的影响。我国也先后于1 9 8 4 年和1 9 9 3 年分别制定了限制谐波的规定和国家标准【2 l 。 电力系统的谐波分析是以电力系统为对象，当系统中有一个或多个谐波源 时，就要计算和分析系统中各处的谐波电压和谐波电流的分布情况。高压直流输 电工程的建立及静止无功补偿装置( s v c ) 的应用有力地推动了这方面研究工作 的进展，我国学者夏道止在这一领域的研究在国际上产生了广泛的影响【5 】【l o 】【l i 】。 其研究的主要特点是将交直流电力系统作为一个整体，考虑交流系统和直流系统 中谐波电压和电流之间的相互影响，进行统一求解，使计算结果更为准确。目前， 在电力系统的谐波分析和抑制这一领域还存在一些问题有待进一步研究解决【2 】， 例如，当系统的谐波源为时变或同时存在多个谐波源时，如何进行建模和分析； 如何计算或估计负载及系统的等效谐波阻抗等等。 电牵引及供电系统中的谐波污染研究l 绪论 电气化铁道作为公用电网的非线性负载，随着运营能力和各类负荷的增加， 已成为引起电力系统谐波污染的主要谐波源之一。这主要是由于在电气化铁道上 行驶的电力机车是单相的整流型负荷，其功率大，分布广，在其运行过程中必然 会产生大量的高次谐波：并且我国的电气化铁道采用交流供电，距离长，而且三 相不对称，在接触网上也将激发起沿线分布的高次电压和电流谐波。这种谐波对 电气化铁道沿线的通信系统会造成严重的干扰，为了减少这种干扰，一种有效的 办法就是采用自耦变压器供电方式，那么在采用这种方式的电牵引供电系统中由 于机车驱动造成的对电网的谐波污染情况又如何呢? 本论文以韶山4 改进型电 力机车为例，对其进行了建模和谐波分析。并且通过研究牵引网的等效谐波阻抗 和导纳，进一步分析了在多机条件下采用自耦变压器供电方式的电牵引供电系统 自身及其注入电网的谐波情况。这对于保证电力系统正常运行和减少对铁路沿线 通信系统的干扰都具有十分重要的意义。 1 2谐波 在电力系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。但当正弦电 压施加在非线性电路上时，或者非正弦电压施加在线性电路上时，电流就会变为 非正弦波。下面用f ( c o t ) 代表周期为t = 2 万c o 的非正弦电压或电流。 1 2 1 非正弦周期函数分解为傅里叶级数 式中： ( 1 ) 当f ( c o t ) 满足狄里赫利条件时，可分解为如下形式的傅里叶级数： f ( c o t ) = a o + ( 口。c o s n c o t + b s i n n c o t ) ( 卜1 ) n 盲l = 去广f ( c o t ) d ( c o t ) 口。= f ( c o t ) c o s 胛c o t d ( c o t ) 2 电牵引及供电系统中的谐波污染研究l 绪论 吃= ! g r ”f ( c o t ) s i n 刀c a d ( c o t ) 0 = 1 , 2 ，3 ，) 或者，也可以写成以下形式： f ( r _ - o t ) = f o + es i n ( m o t + 。) 式中： f n = 踊 虬= a r c t g ( a 。b )( 色 0 ) y 。= a r c t g ( a 。b ) + 1 8 0 。 ( 包 1 时，频率为基波频率大于1 整数倍的正弦波分量称为谐波， 谐波次数刀为谐波频率和基波频率的整数比。 ( 2 ) 傅里叶级数的复数形式 根据式( 1 - - 2 ) ，贝l j f ( c o t ) 的第，2 次谐波相量 f = f 么y 。 ( 1 3 ) 1 2 2 与谐波有关的基本概念 ( 1 ) ，z 次谐波电压含有率舰乩和甩次谐波电流含有率碱分别定义为： h r u = 瓷枷。c ， ( 1 4 ) 电牵引及供电系统中的谐波污染研究1 绪论 式中： h r i = 扣唧， u 。第n 次谐波电压有效值 u 。基波电压有效值 l 第，z 次谐波电流有效值 ，。基波电流有效值。 ( 1 5 ) ( 2 ) 电压谐波总畸变率t h d 和电流谐波总畸变率t h d , 分别定义为： t h d 。= t h d - - 1 0 0 ( ) o o ( ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) 1 2 3 特征谐波和非特征谐波 电力电子装置的谐波有特征谐波和非特征谐波之分。特征谐波是装置运行 于理想条件下所产生的谐波( 理想条件是指电源三相电压是对称系统，供电回路 是三相对称回路，各相控制角及特性没有差异等) 。若电力电子装置运行于非理 想条件下，除产生特征谐波外，还有非特征谐波产生【4 】。 电力电子装置的特征谐波次数由其相数或脉波数决定，并且谐波电流的有 效值大体上与谐波次数成反比。谐波次数可以用一个简单的通式玎- - - p k 1 来表 示( p 代表相数或脉波数，k 为正整数) 。 比如：单相全控桥式整流装置聆= 4 k 1 三相全控桥式整流装置n = 6 k 1 三相半控桥式整流装置厅= 3 k 1 4 厨丁辱丁 电牵引及供电系统中的谐波污染研究l 绪论 1 3 谐波分析 以上介绍了谐波及与谐波有关的基本概念，式( 1 1 ) 和式( 1 - 2 ) 是用傅 里叶级数进行谐波分析时最基本的一般公式。在进行谐波分析时，常常会遇到一 些特殊波形的周期性函数，这些函数的谐波分析公式可以简化【5 1 。 ( 1 ) f ( a , t ) 为奇函数，其波形以坐标原点为对称，满足f ( c o t ) = 一厂( 一耐) 。 此时式( 1 - - 1 ) 中只含正弦项，直流分量吼和余弦项系数口。均为零。b 。的 计算可简化为： 6 。= 昙f r 厂( 耐) s i 姗c a d ( c o t ) ( 门= 1 ，2 ，3 ，) ( 1 - 8 ) ( 2 ) f ( c o t ) 为偶函数，其波形以纵坐标为对称，满足f ( c o t ) = 厂( 一耐) 。 此时式( 1 1 ) 中只含直流分量和余弦项，正弦项系数以为零。a 。和c l 。的 计算可简化为： = 1 兀f f ( c o t ) d ( c o t ) 口。= 昙i r ( 研) c 。s 刀删( 耐) ( ，2 = 1 , 2 ，3 ) ( 1 9 ) ( 3 ) f ( c o t ) = 一厂( 耐+ 7 t ) ，即把波形的正半波向右平移半个周期后，和负 半波是以横轴为对称的。常把具有这种波形的函数称为对称函数。电力机车的电 流波形正是如此。 此时式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 中只含基波分量和奇次谐波分量，口。和吃的 计算可简化为： 电牵引及供电系统中的谐波污染研究1 绪论 铲昙i r 似) c o s 耽c o t d ( c o t ) b n - 2 儿j r f ( c o t ) s i n 刀耐d ( c o t ) ( 以- - 1 , 3 ，5 ) ( 1 1 0 ) ( 4 ) f ( c o t ) = 一厂( 甜+ 万) ，且在正半周期内，前后氕2 的波形以2 轴 线为对称。常把这种波形称为1 4 周期对称波形。 此时式( 1 1 ) 只含基波和奇次谐波中的正弦项，且6 。的计算式可简化为： 以= 4 厂( 耐) s i n ，2 蒯( 研) ( 刀= l ，3 ，5 ，) ( 1 - 1 1 ) 1 4 谐波源 电力系统中的谐波来源于非线性负载。从能量的观点看，发电机向电力系统 提供基波功率；由于非线性特性的影响，这类负载产生了谐波电流，成为“谐波 能量”的源( 这些能量实际上全都是发电机提供的) 。电力系统中会产生谐波的 设备就称为谐波源。 1 4 1 谐波源的分类 电力系统高次谐波源可分为电压源型和电流源型。对于各种换流设备、电气 化铁道、电弧炉及数量很大的电子节能设备、家用电器等典型非线性负载，即使 供给理想的正弦电压，它们也将产生非正弦电流；并且，其谐波成分基本上只与 其固有的非线性特性及工况有关，而与这些负载外部阻抗的变化无关。因此，非 线性负载可认为是谐波电流源。典型的谐波电压源则是发电机。由于结构上不可 能完全对称、空气隙的磁导不可能完全均匀等因素，发电机在正常运行时总会产 生一些谐波分量：谐波电势只决定于发电机本身结构及工况。因此，发电机是一 个谐波电压源。 6 电牵引及供电系统中的谐波污染研究 l 绪论 电力系统的谐波电流源，按其非线性特性主要分三大类【6 】： ( 1 ) 铁磁饱和型：各种铁心设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性 呈现非线性。 ( 2 ) 电子开关型：主要为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等：在系统内部，如直流输电中的整流阀和逆变阀等。其 非线性呈现交流波形的开关切合和换向特性。随着电力电子装置在化工、冶金、 矿山、电气铁道等大量工矿企业以及家用电器中广泛使用，它们已成为电力系统 中最主要的谐波源。 ( 3 ) 电弧型：如各种炼钢电弧炉，其非线性呈现电弧电压与电弧电流之间 不规则的随机变化的伏安特性。 1 4 2 电气化铁道主要谐波源之一 在电气化铁道中，现行的电力机车有传统的交直型和新发展起来的交直交型 两种，以交直型为主体。我国现行的电力机车主要是交直型的。交直型电力机车 的牵引负荷是单相整流非线性的，其功率因数偏低，含有较丰富的奇次谐波，还因 牵引变电所接线方式和两馈线负荷的随机波动性在电力系统中产生负序潮流。因 此，在目前电气化铁道牵引供电系统进行综合治理的过程中，有效进行无功补 偿、减少负序电流的影响以及抑制谐波已成为研究和应用的三个重要技术课题。 本文将讨论电气化铁道的高次谐波问题。 随着运营能力和各类负荷的增加，作为高压单相非线性负载的电气化铁道， 已成为引起电力系统谐波污染的主要谐波源之一。使用交直型电力机车的电气化 铁道产生的谐波与其他非线性负荷的谐波相比具有以下特点【7 】： ( 1 ) 单相独立性。虽然我国铁路的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。 ( 2 ) 随机波动性。牵引供电系统产生的谐波电流随基波负荷剧烈波动，且范 围很大。 ( 3 ) 相位广泛分布。谐波向量可在复平面4 个象限上广泛分布。 7 电牵引及供电系统中的谐波污染研究 l 绪论 ( 4 ) 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，不受变压器接线方式的阻碍。 ( 5 ) 稳态奇次性。单相整流负荷在稳态运行时只产生奇次谐波，只在涌流 中含有偶次谐波。 1 5 谐波研究的意义 谐波研究的意义，首先是因为谐波的危害十分严重。谐波的主要危害有： ( 1 ) 谐波使公共电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电 及用电设备的效率。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对旋转电机和变压器的影响 主要是引起附加损耗和过热，其次是产生机械振动，噪声和过电压。这些将缩短 电机的寿命，情况严重时甚至会损坏电机。 ( 3 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大， 这就使上述( 1 ) 和( 2 ) 的危害大大增加，甚至引起严重事故。 ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量 不准。 ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量： 重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术 是未来科学技术发展的重要支柱。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为 阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波 问题进行更为有效的研究。 谐波研究的意义，更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度来认 识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色 的主要标志之一。目前，对 地球环境的保护已成为全人类的共识。对电力系统谐波污染的治理也己成为电工 科学技术界所必须解决的问题。 电牵引及供电系统中的谐波污染研究1 绪论 1 6 谐波限带l j 1 6 1 公用电网谐波标准 由于公共电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很 大的危害，世界上许多国家都颁布了限制电网谐波的国家标准，或是由权威机构 制定限制谐波的规定，这已成为解决电力系统谐波危害和影响的重要措施。制定 这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流，把电网谐波电压 控制在允许范围内，使接在电网中的电气设备避免受谐波干扰而能正常工作。 世界各国及国际组织所制定的谐波标准大都比较接近。在国际上，各个国 际组织，如国际电气电子工程师协会( i e e e ) 、国际电工委员会( i e c ) 和国际 大电网会议( c i g r e ) 纷纷推出了各自建议的谐波标准，其中较有影响的是 i e e e 5 1 9 1 9 9 2 和i e c 5 5 5 2 。我国原水利电力部于1 9 8 4 年根据原国家经济委员会 批准的全国供用电规则的规定，制定并发布了s d l 2 6 - - 8 4 电力系统谐波管 理暂行规定。国家技术监督局于1 9 9 3 年又发布了中华人民共和国国家标准 g b 厂r 1 4 5 4 卜9 3 电能质量公用电网谐波，该标准从1 9 9 4 年3 月1 日起开始实 施。具体内容见参考文献【2 j 。 1 6 2 电网谐波的限制措施 限制电力系统的谐波，应对谐波源本身或在其附近采取适当的技术措施。 由于谐波源主要为电流源，因此要根据谐波国家标准的规定，限制谐波源注入电 网的谐波电流，把电力系统的谐波电压抑制在允许范围内，以保证电能质量和电 力系统的安全、经济运行。其主要方法有以下两个。 1 对谐波源本身进行改造，减少其谐波含量 这只适合于作为主要谐波源的电力电子装置。比如：增加换流装置的脉波数， 可以减少特征谐波的组成成分并提高最低次特征谐波的次数，从而使谐波含量减 少【8 】。但是，高脉波数的换流装置一般只在容量较小的用电设备中使用，这是因 为，如果采用较高的脉波数，则为了得到相应的换相电压，换流变压器的结构和 接线将非常复杂，对于高电压、大容量的换流装置来说，不但增加了设备制造的 9 电牵引及供电系统中的谐波污染研究 i 绪论 困难而且增大了投资，通常是不经济的。所以，实际上针对系统中的谐波，能采 用的是方法2 。 2 装设谐波补偿装置来补偿谐波 这对各种谐波源都是适合的。设置谐波补偿装置就是采用交流滤波器就近吸 收谐波源产生的谐波电流，这是抑制谐波污染的一种有效措施，也是迄今为止对 谐波进行抑制的一种比较实用的方法。交流滤波器分为无源和有源两种【6 】。 ( 1 ) 采用无源型交流滤波装置 该装置由电力电容器、空芯电抗器和电阻器按要求组合而成。它既可补偿谐 波，又可补偿无功功率，而且结构简单，维护方便，因此得到了广泛的应用。这 种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐 振，导致谐波放大，使滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波， 补偿效果也不甚理想。尽管如此，无源型交流滤波器当前仍是补偿谐波的最主要 手段。其主要类型有以下四种： 1 ) 单调谐滤波器利用r 、l 、c 电路串联谐振的原理构成。在实际工程应 用中接线和具体结构可以灵活多样。其主要特点是：任何一个电容器被击穿时， 短路电流较小；在系统单相接地时，电抗器对地电压为相电压，不承受短路电流 的冲击；便于分相调谐。 2 ) 双调谐滤波器在谐振频率附近相当于两个并联的单调谐滤波器，它能同 时吸收两种频率的谐波。 3 ) 高通滤波器也为r 、l 、c 组合而成，在高于某个频率后很宽的频带中 呈现低阻抗特性，用于吸收若干较高次的谐波。其中二阶减幅型的基波损耗较 小，结构简单，且具有较好的阻抗频率特性，故工程中用得最多。 4 ) c 型滤波器可用来补偿较低次谐波，具有较宽的频带，而基波损耗也小。 ( 2 ) 采用有源电力滤波装置 采用有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf il t e r ，简称apf ) 是牵引供电系统谐 波抑制的一个重要发展趋势。apf 的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流， 由补偿装置产生一个与谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电 流中仅含有基波分量。由于apf 可对频率与幅值都变化的谐波进行跟踪补偿， 1 0 电牵引及供电系统中的谐波污染研究l 绪论 且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的关注。 采用有源一无源混合滤波器方案，可充分发挥lc 无源滤波器和apf 各自 的优势，尽量减小apf 的容量，解决了绝缘和最佳投资问题，对于电气化铁道牵 引供电系统的谐波抑制将是一个比较理想的方案。 1 7 本文内容提要 本论文全文内容如下： 第二章首先说明了电牵引供电系统的定义与组成，然后分别介绍了牵引变 电所的分类和牵引网的供电方式，并对本文所研究的a t 电牵引供电系统进行了 介绍； 第三章建立了s s 4 b 型电力机车的电路模型，并运用时域方法对其在正常 牵引工况下的整流调压电路进行了电路分析，从而确定了电力机车在受电弓处的 电流，并对其进行了谐波分析； 第四章论述了牵引网中的电流分布、均匀传输线、a t 牵引网肛次谐波单 位阻抗乙和单位导纳e 等方面的知识，并运用这几方面知识，分析了由于机车 驱动造成的a t 电军引供电系统中的谐波电流情况，包括牵引网及牵引变电所中 的谐波电流： 第五章以m a t l a b 软件作为仿真工具，对a t 电牵引供电系统中的机车 驱动谐波污染进行仿真研究，包括s s 4 b 型电力机车、牵引网和牵引变电所中的 谐波电流仿真研究，得到了仿真结果，并对结果进行了分析。 1 8参考文献 1 许克明等电力系统高次谐波重庆大学出版社，1 9 9 1 2 王兆安等谐波抑制和无功功率补偿机械工业出版社，1 9 9 8 3 吴竟昌等电力系统谐波水利电力出版社，1 9 8 8 4 陆廷信供电系统中的谐波分析测量与抑制机械工业出版社，1 9 9 0 5 夏道止等高压直流输电系统的谐波分析及滤波水利电力出版社，1 9 9 3 电牵引及供电系统中的谐波污染研究l 绪论 6 王海涛等电力系统谐波分析黑龙江电力，2 0 0 2 ，2 4 ( 3 ) ：2 3 9 - 2 4 2 7 李群湛电气化铁道谐波问题的思考铁道学报，1 9 9 9 ，2 1 ( 增刊) ：i , - - , 6 8 翁利民等配电网的谐波问题电气时代，2 0 0 2 ( 5 ) ：3 6 3 8 9 阿里拉加j 等电力系统谐波唐统一等译中国矿业大学出版社，1 9 9 1 1 0 x i ad ，h e y d tgt h a r m o n i cp o w e rf l o ws t u d i e s ，p a r ti ：f o r m u l a t i o n a n ds o l u t i o n i e e et r a n sp o w e ra p p s y s t ，1 9 8 2 ，1 0 1 ( 6 ) ：1 2 5 7 - 1 2 6 5 1 1 x i ad ，h e y d tgt h a r m o n i cp o w e rf l o ws t u d i e s ，p a r ti i ：i m p l e m e n t a t i o n a n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n i e e et r a n sp o w e r a p p s y s t ，1 9 8 2 ，i 0 1 ( 6 ) ：1 2 6 6 , - - , 1 2 7 0 1 2 电牵引及供电系统中的谐波污染研究 2 电牵引供电系统介绍 2电牵引供电系统介绍 在进行谐波分析和仿真研究之前，首先应该了解研究的对象，所以，在这一 章中，将对本文所研究的电牵引供电系统进行介绍。主要阐述电牵引供电系统的 一些基本概念和相关知识，并说明为何要研究采用自耦变压器供电方式的电牵引 供电系统。 我国的干线电气化铁道均采用单相工频交流制，额定电压为2 s k y 。完成对 电力机车供电的属于铁路部门管辖的装置称为电气化铁道牵引供电系统，简称为 电牵引供电系统。它主要由牵引变电所和牵引网组成。下面将分别介绍牵引变电 所和牵引网的情况。 2 1 牵引变电所 牵引变电所由电力系统1 1 0 k v 网以双电源方式供电，经牵引变压器降压为 2 5 k v 单相电，并供给牵引网。 2 1 1牵引变电所的分类 目前我国采用的工频单相交流制牵引变电所，按其中牵引变压器的接线方式 不同可分为三相牵引变电所、单相牵引变电所和三相一二相牵引变电所【。 1 三相牵引变电所 三相牵引变电所的牵引变压器线圈采用y 一l l 接线，原理电路如图2 1 所示【2 1 。 电牵引及供电系统中的谐波污染研究2 电牵引供电系统介绍 7 月b ： k 、 卜，r 一 a 臂i ay 、b 立 b 臂 萌￥萌 a b c 图2 1y 一l l 接线时的原理电路图 图2 1 中，变压器副边c 端接轨道地回路，由a c 相和b c 相分别供应左、 右两边供电分区的牵引网。线圈a c 与高压侧a 相线圈同相，b c 与c 相线圈同相。 三相牵引变电所的优点是变压器牵引侧保持三相，因而有利于供应牵引变电 所三相自用电和地区三相电力。另外，两台变压器并列，当一台变压器停电时， 供电不致中断。采用三相变压器供应单相牵引负载也有缺点，主要表现为变压器 容量不能得到充分利用及高压侧负荷不平衡等。 2 单相牵引变电所 同三相牵引变电所比较，单相牵引变电所的突出优点是变压器的容量利用率 可达到1 0 0 。其中的单相牵引变压器常采用v 接线和单相接线。 ( 1 ) v 接线：v 接线是从三相接线脱胎而来的一种特殊接线方式。两 台变压器作v 接线时的原理电路如图2 2 所示。 1 4 电牵引及供电系统中的谐波污染研究 2 电牵引供电系统介绍 a b c 图2 2v v 接线时的原理电路图 图2 - - 2 中，变压器高压端仍接入电力系统中的三相。左边供电分区的牵引 网由b c 相供电，右边由c a 相供电。由于变压器线圈电流等于馈线电流，所以后 者的长期容许值就等于变压器的额定电流，变压器容量可以得到充分利用。 v v 接线的单相牵引变电所一般采用容量相同的两台变压器。必要时两台变 压器也可视情形选用不同的容量。 v v 接线的单相牵引变电所在正常运行时，变电所牵引侧保持三相，所以可 用来供应变电所自用电和地区三相负载。但两台变压器不是并列运行。当一台变 压器因故停电时，另一台必须跨相供电，即兼供左右两边供电分区的牵引网。这 就需要一个倒闸过程。此时，地区三相电力供应中断，变电所三相自用电必须改 由劈相机或单一三相自用变压器来承担。 ( 2 ) 单相接线：单组接线又称简单单相接线，原理电路如图2 - 3 所示。两 台变压器并列，接线完全相同。 电牵引及供电系统中的谐波污染研究 2 电牵引供电系统介绍 l j 弋严 j o ( )bd a b c 图2 3 单相接线时的原理电路图 图2 3 中，变压器高压端只接入三相电力系统中的两相。变压器副边一端 接轨道地回路，另一端接入接触网。牵引变电所两边供电分区都由同一相供电。 牵引负载对电力系统而言属于纯单相负载。 单相接线变压器容量利用率也可达1 0 0 。且由于两台变压器并列，供电可 靠性比v 接线牵引变电所提高。单相接线的弱点是不能供应地区三相电力负载和 变电所自用三相电力。另外，单相接线负序电流也较大。所以这种接线只适用于 电力网比较发达，三相电力可以可靠地由地方电网得到供应的场合。 3 三相一二相牵引变电所 这种变电所通常把两台单相变压器接成斯柯特( s c o t t ) 接线，或称t 接线。 这种接线方式把对称三相电压变换成对称二相电压，用其一相供应一边供电分 区，另一相供应另一边供电分区，原理电路如图2 4 所示。 电牵引及供电系统中的谐波污染研究 2 电牵引供电系统介绍 7 r 三一厂 a 百一 c 飞z 图2 4t 接线时的原理电路图 a b c 图2 4 中，变压器t 。原边接b c 相；变压器t ：一端接a 相，另一端接到t 原边的中点。原边的匝数要求t ：为t ，的孚，t 。、t ：副边匝数相同。 这种三相一两相接线式变压器的突出优点是当两个供电臂上的馈线电流相 等时，一次侧的三相电流对称，从而大为降低了三相系统的不对称状态。 2 1 2 不同接线的牵引变压器高、低压侧谐波电流关系 不同接线方式时各种牵引变压器高压侧和低压侧谐波电流之间的关系可表 征如下【3 】【4 1 ： 设牵引变压器变比为k ，低压侧供电臂刀次谐波电流幅值分别为l 和l ， b 臂和a 臂参照于各自供电臂电压的谐波电流初相角为纸和沙。，高压侧输入电 力系统的谐波电流数值为，月。、，砌和乇。 ( 1 ) 牵引变压器为y 一1 1 接线时： 1 7 电牵引及供电系统中的谐波污染研究2 电牵引供电系统介绍 。去属雨i 瓦面再丽 。去压可面万面鬲忑丽 小去瓜丽耳瓦面再丽 当纸= 虬、刀= 3 、i 。= l 时： i 瓴叱i i c ，= 去i 。 ( 2 ) 牵引变压器为v v 接线时： ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 乏三i豢k一(2-3)ic - 2 iik i8 n = b n 、 = ，三+ ，主 。拥c o s ( 纯一y 。+ 刀1 2 0 。) l i 白= ( ，。一i s ) l g ( 3 ) 牵引变压器为t 接线时： i 彻= 去i 研 。去厅两习霸蕊再丽 l = 去厄面习霸丽万丽 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 由上面各种牵引变压器高低压侧谐波电流的关系式可见，牵引变压器高压侧 注入电力系统的谐波电流大小基本上与注入牵引变压器低压侧谐波电流大小成 1 8 ： 土瓜 时 l l n k = l | 厶 b 妙 | l 织 当 电牵引及供电系统中的谐波污染研究 2电牵引供电系统介绍 正比。因此，减少注入牵引变压器低压侧的谐波电流值，能按比例地减少牵引变 压器高压侧注入电力系统的谐波电流值。 2 2牵引网 2 2 1 牵引网的组成 牵引网是由接触网和轨道地回路构成的供电网的总称。牵引电流经由接触网 供给电力机车，然后沿轨道和大地流回牵引变电所。 电气化铁道的接触网常采用架空式单链形悬挂或采用简单悬挂。其特点和适 用场合可参见文献【5 】。接触导线大都用钢铝合金导线g l c a 一果。链形悬挂承力 索用钢绞线g j 一7 0 【。 钢轨重量一般采用5 0 k g m ，某些支线和运量较小的区段采用4 3 k g m ，大运量 的干线区段逐步采用6 0 k g m 。型号有p 5 0 、p 4 3 等。每根钢轨标准长1 2 5 m ，长 钢轨每根长2 5 m 。 接触导线、承力索和钢轨等所用的类型和它们的参数可详见文献【5 1 。 2 2 2 牵引网的供电方式 1 一般供电方式 单线区段的牵引网的供电可分为单边供电和双边供电两种方式，复线区段的 牵引网又分为单边分开供电、单边并联供电和双边纽结供电【l 】。 我国电气化单线区段牵引网普遍采用单边供电方式，即接触网供电分区由牵 引变电所从一边供电，如图2 5 所示。每个接触网供电分区常称为一个供电臂。 1 9 电牵引及供电系统中的谐波污染研究2 电牵引供电系统介绍 变电所变电所 图2 5 单线区段牵引网的单边供电原理图 图2 5 中，两牵引变电所之间相邻的两个接触网供电臂相互绝缘，电力机 车只从一个牵引变电所取用电流。按现行设计，两个牵引变电所之间毗连的供电 分区属于同相。这样，在必要时，也可在分界点设置分区亭，将供电分区连通， 由一个牵引变电所越区供电，或实行两边供电。 2 两种改进的供电方式 交流牵引网的高压电场和交变磁场会对沿线通信线产生静电感应和电磁感 应，从而对周边的通信线路造成干扰，降低通信质量。对通信线的防护，可以采 用将通信线迁移或改用屏蔽电缆的方法，但在通信线甚多的地区，由于通信改造 投资过大，适宜采用治本的方法，从牵引网本身中采取措施。目前有效的方法有 两种：一种是在牵引网中架设吸流变压器一回流线，称为b t 供电方式；另一种 是在牵引网中采用自耦变压器一正馈线回路，称为a t 供电方式1 1 。 ( 1 ) b t 供电方式 在牵引网中架设吸流变压器一回流线，可使牵引电流沿回流线流回牵引变电 所而不经由轨道和大地，其原理可示于图2 6 。图中，吸流变压器设在分段的 中央，其原边串入接触网l ，副边串入沿铁路架设的回流线3 。回流线通常就悬 挂在铁路沿线的接触网支柱外侧的横担上。吸流变压器是l ：1 的变压器。采用吸 流变压器后，只有吸流变压器原边的激磁电流仍流经轨道和大地，但这个电流数 量很小。 电牵引及供电系统中的谐波污染研究2 电牵引供电系统介绍 图2 6 牵引网b t 供电方式的原理图 这种装置的防护作用在于：它把本来是尺寸很大的接触网一轨道大地回路 ( 返回电流经轨道和大地流回的回路) ，改变成尺寸相对很小的接触网一回流线 回路( 返回电流经回流线流回的回路) 。这样就极大地减弱了周围的磁场，从而 使牵引电流在邻近的通信线中的影响大大减弱。但这种方式也有缺点，即电力机 车处于吸流变压器附近时防护效果差。 ( 2 ) a t 供电方式 在实行交流电气化的前期，在牵引网中普遍应用了b t 供电方式。为了克服 高速大功率机车在这种电路中通过吸流变压器分段时，在受电弓上产生强烈电 弧的缺点，后来发展了一种新的牵引网供电方式- - - a t 供电方式。 采用a t 供电方式的牵引网，简称为a t 牵引网；采用a t 供电方式的电牵引 供电系统，简称为a t 电牵引供电系统。 a t 牵引网的原理如图2 7 所示。 5 0 k v a t la t 2a t 3 2 3 图2 7a t 牵引网的原理图 图2 7 中，l 代表接触网，2 代表钢轨，3 代表正馈线。a t 表示自耦变压器， 2 l 电牵引及供电系统中的谐波污染研究2 电牵引供电系统介绍 变比为2 ：l ，其端接入接触网1 ，中点接入钢轨2 ，另一端接入正馈线3 ，将 5 0 k v 交流电变换为2 5 k v 交流电。电力机车负荷接在接触线和钢轨之间，由2 5 k v 电压供电。正馈线沿供电分区架设，与回流线相似。自耦变压器为低阻抗变压器， 即低漏磁变压器，其具有漏磁低，相应涡流损耗、结构损耗低，空载电流小，无功损 耗低，体积小，重量轻，节省材料等特点。 a t 牵引网不仅能防止接触网上的谐波对电气化铁路沿线的通信系统造成干 扰，还大大降低了牵引网中的电压损失，从而扩大了牵引变电所间隔，减少了牵 引变电所的数目。所以，本文以a t 电牵引供电系统为例，分析其谐波情况。 2 3 所研究的a t 电牵引供电系统介绍 不。 本文研究的是一个单线电气化区段，其电牵引供电系统的结构如图2 8 所 abc ，f 爿l b | t c 一i i i 霉 r i i 11 0 2 2 1 耐