（电力系统及其自动化专业论文）电气化铁路对公用电网的影响研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a bs t r a c t s i n c et h e19 61 o p e n i n go fc h i n a sf i r s te l e c t r i f i e dr a i l w a y , t h ec o u n t r yc o m p l e t e dt h e e l e c t r i f i e dr a i l w a ym i l e a g em o r et h a n2 4 ，0 0 0k i l o m e t e r s ，a c c o u n t i n gf o rr a i l w a yt r a n s p o r t v o l u m eo fn e a r l y5 0p e r c e n t , b e c a m et h ew o r l d ss e c o n dl a r g e s te l e c t r i f i e dr a i l w a yc o u n t r i e s a f t e rr u s s i a r a i l w a ye l e c t r i f i c a t i o ni nd e v e l o p i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft r a n s p o r tc a p a c i t y ， b r i n gt r e m e n d o u se c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t sa tt h es a m et i m e ，i th a sa l s ob r o u g h ts e r i o u s p r o b l e m si np o w e rq u a l i t y , t h es a f eo p e r a t i o no fp o w e r 鲥d sa n dp 6 w e r 商d si no t h e ru s e r so f e l e c t r i c i t y e l e c t r i cl o c o m o t i v ei st y p i c a l l yt h es i n g l e - p h a s eu n b a l a n c e dl o a d ，s ot r a c t i o ni nt h e o p e r a t i o no fp o w e rg r i d s ，w i l lg e n e r a t eal o to fn e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t s a n dt r a c t i o n p o w e rg r i dl o a do fs p e c i a le l e c t r i cl o c o m o t i v e ，t h ee x i s t e n c eo f b o t ht r a n s f o r l n e r sa n dr e c t i f i e r d e v i c e s ，c o v e r i n ga l m o s ta l la s p e c t so fh a r m o n i cs o u r c e s i ti st h et r a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e mi no n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts o u r c eo fh a r m o n i c s ，i nt h ec o u r s eo fi t so p e r a t i o nw o r k , b u ta l s ob r i n gal o to fh a r m o n i ct ot h ep o w e rg r i d e l e c t r i cl o c o m o t i v eo p e r a t i o no ft h el a r g e n u m b e ro fn e g a t i v es e q u e n c ea n dh a r m o n i cc o m p o n e n t so ft r a c t i o na g a i n s tt h em a j o rp o w e r 嘶d s ，t h r o u g ht r a c t i o ns u b s t a t i o nt h e s en e g a t i v es e q u e n c ea n dh a r m o n i cc o m p o n e n t sw i l lb e i n j e c t e di n t ot h ep o w e rg r i ds y s t e mc o l n n l o nc a u s eg r e a t e rh a r m s ot h es t u d yo fc h i n a s r a i l w a yt ot h ep r o m o t i o no fr a p i dd e v e l o p m e n t ，i m p r o v ep o w e rq u a l i t y , p r o t e e t i o no ft h es a f e o p e r a t i o no fp o w e rg r i d si so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nas t u d yo ft h eu t i l i t yg r i de l e c t r i f i c a t i o no ft h er a i l w a yt h ei m p a c to ff a c t o r sd i s c u s s e d i ne l e c t r i c i t y , i r o nl o a di nt h ec o u r s eo fah a r m o n i cs e q u e n c ea n dt h en e g a t i v ei m p a c to nt h e p u b l i cp o w e r 鲥d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm e a s u r e st or e d u c et h ee l e c t r i cp o w e rg r i d i r o no nt h ei m p a c to fl o w e rt h ee l e c t r i f i e dr a i l w a yh a z a r d s ，a n dc o n t r o lw i t h i nac e r t a i n r a n g e b a s e do np r e v i o u ss t u d i e s ，t h ep a p e rs t u d yo nt h ee l e c t r i f i c a t i o no ft h er a i l w a yr u n n i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r i cl o c o m o t i v et r a c t i o nl o a da n dt h es p e c i a ln a t u r eo fe l e c t r i f i e d r a i l w a y si no p e r a t i o nh a v ean e g a t i v es e q u e n c ea n dh a r m o n i cc u r r e n tm e c h a n i s m i ta l s o s u m m e du pt h ee l e c t r i f i e dr a i l w a yo nt h ei m p a c to ft h ec o m m o n p o w e rg r i d ，r e s p e c t i v e l y , o n t h en e g a t i v es e q u e n c ea n dh a r m o n i cc u r r e n ti n j e c t i o na f t e rt h ep o w e rg r i d so ft h ei m p a c t s u m m a r i z e d ；i n t r o d u c e dh u n i n go ft h ee l e c t r i f i e db e i j i n g - s h a n g h a ir a i l w a yr e c o n s t r u c t i o n p r o j e c t , a n dt h r o u g ht h ep r o j e c ta c c e s st oas y s t e mo fc a l c u l a t i o na n a l y s i sa n dq u a n t i t a t i v e a n a l y s i so fe l e c t r i f i e dr a i l w a yp o w e rg r i do nt h ea c t u a li m p a c t t h ea r t i c l ef m a l l ye l e c t r i f i e d r a i l w a yf r o mi t so w np o w e rs y s t e ma n dt h et w oa s p e c t so ft h ea n a l y s i s ，t h ee l e c t r i f i e dr a i l w a y 摘要 a n dh a v ean e g a t i v es e q u e n c eh a r m o n i cc u r r e n t si nt h ee o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm e a s u r e sa n d k e yw o r d s ：e l e c t r i f i e dr a i l w a y , t r a c t i o np o w e rs t a t i o n s ，e l e c t r i ct r a c t i o nl o a d ，h a r m o n i c ， n e g a t i v es e q u e n c e ，g o v e r n a n c em e a s u r e s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 世界上第一条电气化铁路诞生于1 8 7 9 年5 月3 1 日，是由西门子和哈尔公司在德国柏林举 办的世界贸易博览会上铺设的，长度为3 0 0 米。由于电力牵引具有污染少、能源利用率高、 功率大等优点，世界上许多国家均十分重视电气化铁路的发展，经过1 2 0 多年，目前全世界 已经有6 8 个国家和地区修建了长j j 2 5 万公里的电气化铁路【l 】。 我国自1 9 6 1 年建成开通第一条电气化铁路以来，至_ 2 0 0 6 年9 月底，全国共建成开j 恿_ 4 9 条 电气化铁路，总里程超过2 4 万公里，成为继俄罗斯之后世界第二大电气化铁路国家( 俄罗斯 现有电气化铁路4 4 5 2 6 公里，位居世界第位，德国现有电气化铁路2 11 0 2 公里，位居中国之 后) 。由于电气化铁路在现代综合交通运输体系中有着显著的优越性，电气化将成为铁路牵 引动力的发展方向。我国铁道部十分重视电气化铁路的发展，将继续加速电气化铁路的建设 和改造，计划至1 1 2 0 2 0 年，全国电气化铁路总里程将达5 万公里，占全国铁路营业里程的一半【2 】。 铁路电气化的飞速发展在拓展运输能力、促进经济发展的同时，也带来了严重的电能质 量问题，对电网和电网的用户，以及电气化铁路本身都产生了不良影响。据资料显示，国内 自电气化铁路投运以来，其谐波和负序分量已引发发电机跳闸，部分省电网大面积停电或系 统解列，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频繁启 动，用户电机和电容器大量烧坏或不能正常运行等一系列危害，使国民经济蒙受了巨大的损 失。 1 2 问题的提出及研究意义 电气化铁路由一次供电系统、牵引供电系统、电力机车和电动车组等部分组成。一次供 电系统主要包括发电厂、区域变电所和电力传输线。牵引供电系统主要包括牵引变电所和牵 引网( 接触网) 两部分；牵引变电所设在铁道附近，它将从发电厂经高压输电线送来的电流， 送到铁路上空的牵引网上，牵引网是向电力机车直接输送电能的设备，沿着铁路线的两旁， 架设着一排支柱，上面悬挂着金属线，即为牵引网，它也可以被看作是电气化铁路的动脉。 电力机车是电气化铁路的牵引动力，机车本身不带能源，所需能源利用车顶的受电弓从牵引 网获得。电动车组是指靠电能驱动运行的机车车组。 电气化铁路的供电是在铁路沿线建立若干个牵引变电站，一般由电力系统1 1 0 k v 或 东南大学硕士学位论文 2 2 0 k v 双电源供电，经牵引变压器降为2 7 5 k v 或5 0 k v 后通过牵引网向电力机车供电。牵引供 电制式按牵引网的电流制分有直流制和交流制两种。最早发展的电流制式是直流制，它是将 高压电力在牵引变电所降压和整流后，向接触网供直流电，到2 0 世纪5 0 年代以后已较少使用。 交流制是将高压三相电力在变电所降压和变成单相后，向牵引网供交流电，交流制供电电压 较高，发展很快。我国电气化铁路的发展起步较晚，牵引供电制式从一开始就采用单相工频 ( 5 0 赫) 2 5 千伏交流制，电力机车采用2 5 k v - 单- - 向工频交流电压，经全波整流后驱动直流牵引 电动机，在架空接触导线和钢轨之间行驶。 - + 。 电气化铁路电力机车是波动性很大的大功率单相整流负荷，对于三相对称的电力系统来 说，电铁牵引负荷具有非线形、不对称和波动性的特点，用电过程中将产生大量三相不平衡 的谐波电流，且由于电铁机车沿铁路移动用电，其危害性远比其他谐波源更为广泛和严重， 一旦注入电网，将影响全网的安全运行。随着电铁运量的增加和电铁向东部发达地区扩展， 如果不及时治理电铁谐波，其产生的危害将会更加严重。 。 由于电铁牵引负荷的特殊特征，电气化铁路在用电过程中将产生大量的谐波和负序分 量，注入电网以后，将对电力系统的安全性、可靠性、经济性和电气设备等方面有如下不同 程度的影响【3 司： ( 1 ) 影响电网的安全性和可靠性 电气化铁路单相整流型机车运行所产生的大量高次谐波分量通过牵引变压器的高次侧 注入牵引变电站，引入电力系统，并与系统的“背景负荷 产生的负序源叠加，使得系统内 部电网的3 次、5 次谐波在谐振时严重放大。 ( 2 ) 影响电力设备的安全稳定运行 电气化铁道牵引负荷产生的谐波和负序分量会造成设备损坏，减少设备寿命或者降低出 力，甚至会对计算机、通讯、电力系统继电保护装置、故障录波等设备造成工作失误或性能 劣化，可能导致越级跳闸而扩大事故或者导致主变、线路跳闸。 ( 3 ) 影响电能质量、对经济性造成影响 电气化铁道牵引负荷在运行过程中产生的大量高次谐波和负序分量注入电网，以及电气 化铁道牵引负荷引发的电网波动将影响电网的电能质量，而由于电网中常用电能表的计费方 式，谐波源用户不仅向系统中注入了谐波功率，危害了电力系统和其他用户，且少支付了该 部分对应的电费。 因此本文结合陇海和沪宁两项电气化铁路工程项目，研究电气化铁路对公用电网的 影响因素，探讨电铁负荷在用电过程中产生谐波及负序电流对公用电网的影响，提出相 应的治理措施，减少电铁对电网的影响，降低电铁产生的危害，并将其控制在一定范围 2 第一章绪论 以内。该项研究对促进我国电铁快速发展，提高电能质量，保障电网的安全运行都具有 重大的现实意义。 1 3 本课题研究现状 早期的相关研究主要集中于电气化铁路产生谐波的污染及治理方面，近年来电气化铁道 发展迅速，国内外与电网运行有关的研究内容主要集中在电力机车的机理和数学模型描述、 电力机车负荷的谐波产生机理和谐波传输过程分析、谐波治理方法等方面，以及对电力机车 不对称负荷产生负序电流的研究。研究目的是期望对电气化铁道的谐波、功率因数进行有效 的管理和控制并制定合理的谐波限制标准及功率因数要求。在研究方法上，有以确定性的方 法计算牵引负荷的谐波电流，也有用随机模拟的方法对电力机车主电路进行精确、直观、高 效的仿真，此外还有少量利用实测方法进行的研究。总体来看，电气化铁道对公用电网运行 状况影响的研究尚不系统，亦不深入，尚没有站在全局的高度、从电力系统的角度定量地研 究电气化铁道对电网运行工况的影响 7 1 。 1 。3 1 国内研究现状 我国电气化铁路建设起步比较晚，但是发展十分迅速，目前已经成为继俄罗斯之后的世 界上第二大电气化铁路国家。b k 2 0 世纪9 0 年代中期开始，我国对电气化铁路的牵引供电技术 进行了一系列的研究和试验工作，在牵引供电、变电所设备、远动控制及接触网设备等多个 方面基本形成了具有特色的技术模式，在某些方面接近世界领先水平。国内早期对电气化铁 路的研究，主要集中在电气化铁路接入方案的技术性和经济性比较、电铁牵引负荷的特性以 及仿真过程、电铁谐波污染的产生以及治理措施、负序电流的产生以及治理措施等方面。近 年来随着电气化铁路的迅速发展，电气化铁路工程的增加，研究主要集中在与电网运行有关 的电力机车的机理和数学模型描述、电力机车负荷的谐波产生机理和谐波传输过程分析、谐 波治理方法等方面，以及由于电铁负荷产生负序电流的机理和治理方法等。在研究方法上， 国内大部分的研究工作都以确定性的方法计算牵引负荷的谐波电流，与国外的研究相比尚有 一定的差距。 1 3 2 国外研究现状 国外的电气化铁路建设较早，相关的研究也开展的比较深入，也主要是集中在电力机车 的机理和数学模型描述、电力机车负荷的谐波产生机理和谐波传输过程分析、谐波治理方法 3 东南大学硕士学位论文 等方面，以及关于电力机车负荷引起的不对称潮流分析的研究。在研究方法上，国外在研究 牵引负荷谐波时大多采用随机模拟的方法，对电力机车主电路进行精确、直观、高效的仿真， 如美国m a t h w o r k s 公司推出了基于m a t l a b 软件平台的动态系统通用仿真软件s i m u l i n k ，利 用该软件中的电力系统工具箱( p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ，简称p s b ) 可对电力机车主电路进行仿 真；除了仿真手段，还有少量利用实测方法进行的研究。 1 4 本文主要工作 对电气化铁道对公用电网影响的深入研究，将是电气化铁路与电力系统领域未来的主要 研究工作。本文广泛收集国内外相关的技术资料，充分吸取前人的研究成果并总结自身 前期研究工作的经验和教训，结合陇海和沪宁两项电气化铁路工程项目，研究电气化铁 路对公用电网的影响，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 电气化铁路运行特征 阐述并详细研究电气化铁路的运行特征，分析电气化铁路牵引负荷对电力系统产生 影响的机理。 ( 2 ) 电气化铁路对电网的影响 充分调研和查阅国内外相关资料，介绍电气化铁路在用电过程中产生的谐波及负序 电流对公用电网中其他电力设备的影响，总结电气化铁路对电网的影响。 ( 3 ) 电气化铁路工程实例分析 简单介绍陇海和沪宁电气化铁路工程背景，通过陇海和沪宁电气化铁路工程实际情 况的分析，计算最小方式短路容量、负序电流及谐波电流等相关量，定量分析对电网的 影响。 ( 4 ) 治理措施及对策 总结谐波和负序的治理措施，提出切实可行的方案以减少电气化铁路对电网的影 响，并对实施方案的结果进行比较分析。 4 第三章电气化铁路对电网的影响 2 1 引言 第二章电气化铁路运行特征 电气化铁路是指从外部电源和牵引供电系统获得电能，通过电力机车牵引列车运行 的铁路。和传统的蒸汽机车或柴油机车牵引列车运行的铁路不同，电气化铁路具有运输 能力大、行驶速度快、消耗能源少、运营成本低、工作条件好等优点，对运量大的干线 铁路和具有陡坡、隧道的山区干线铁路实现电气化，在技术上、经济上均有明显的优越 性。而且电力牵引有利于提高能源的利用率，可利用劣质煤，降低燃料消耗及防止环境 污染，故铁路电气化是铁路运输现代化的主要方向，也是世界各国铁路现代化的重要标 志。但是电气化铁路的运行有其自身的特征，研究电力牵引站、电力机车等的运行特征， 有助于对其产生的谐波和负序电流的治理。 2 2 电气化铁路特征 电气化铁路由一次供电系统、牵引供电系统、电力机车和电动车组等部分组成。一次发 供电系统主要包括发电厂、区域变电所和电力传输线；牵引供电系统主要包括牵引变电所和 牵引网两部分；电力机车和电动车组是指靠电能驱动运行的机车车组。电气化铁路的供电是 在铁路沿线建立若干个牵引变电站，一般由电力系统1 l o k v 双电源供电，经牵引变压器降为 2 7 5 k v 或5 0 k v 后通过牵引网( 接触网) 向电力机车供电。电力机车采用2 5 k v 单向工频交流 电压，经全波整流后驱动直流牵引电动机，在架空接触导线和钢轨之间行马史【7 - 1 1 】。 电铁牵引负荷是移动、幅值变化大而且频繁的特殊负荷，其负荷日波动的特征非常 明显，引起这种日波动的原因与线路条件、机车类型与操纵、机车速度、牵引重量等因 素有关，而这些因素又具有随机性，因此电铁牵引负荷是一个典型的日波动负荷，具有 短时冲击负荷的特征；电铁牵引负荷又是不平衡负荷，它引起三相电力系统不对称，产 生负序电流；形成负序电压；电铁牵引负荷由整流型电力机车产生，含有丰富的谐波， 属于谐波电流源。 2 2 1 电力牵引站 目前国内j l - 牵引站的接线型式主要考虑有如下五种，分别为：单相变压器接线，v 、 v 变压器接线，斯科特变压器接线，普通y 、d 三相变压器接线，平衡变压器接线，详 5 东南大学硕士学位论文 见图2 1 。 a b c 系统电涿线 匕竺竺竺竺 供电臂供 供 单相交压器接线 斯科特变压器结线 蕾拙山蔷i 。萋饲 。聚删2 7 。5 i | | | 供电臂a 供电臂b 普通y d 三相交压罨结线 2 2 2 电力机车 统) a 8 c v v 变压器接线 系统电源线 供电臂a 供电臂b 平衡变压器结线 图2 - 1 国内牵引站主要接线型式 我国自主研发的、具有代表性的电力机车型号主要有韶山1 型( s s l ) 、韶山3 型( s s 3 ) 、 韶山4 型( s s 4 ) 、韶山8 型( s s 8 ) 和最新研制出的韶山9 型( s s 9 ) 。国产韶山型( s s l ) 电力机 车采用直流串激牵引电动机，机车功率为4 2 0 0 k w 。机车上的整流变压器与硅整流器， 将牵引网的2 5 k v 、5 0 h z 交流变为1 5 0 0 v 直流。这种机型为早期的机型。目前我国电气化 铁道干线上运行的电力机车p a s s 8 型电力机车为主。以国产s s 8 型电力机车为例，电力机 6 第三章电气化铁路对电网的影响 车的负荷主要由直流电动机、异步电动机、电热负荷和空调负荷等车厢用电负荷组成， 其中的直流电动机主要是牵引电动机，异步电动机包括压缩机、制动风机、变压器风机 等辅助设备的动力源 7 1 。 s s 3 - 9 型，日本6 k ，法国8 k 等都属于晶闸管相控型电力机车。晶闸管相控机车在不同 导通角时，电流波形变化大，它的谐波含量变化也较大。进口的8 k 及6 k 电力机车本身装有 滤波器，可有效地滤波。 以上均为国内普遍使用的交一直电力机车，这种机车存在谐波电流大，功率因数低，产 生负序电流的问题。目前国外开始使用交一直交电力机车，可很好地解决这些问题，功率 因数可限制为l ，但交一直交电力机车在我国还处于研制阶段，在今后相当长时间内，交 直电力机车仍占绝大多数。 在电力机车的电气特性中，电力机车上的电机和各种电器设备按照其功能、作用和 电压等级可分为主电路、辅助电路和控制电路三个独立的部分，各部分之间相互联系起 来对电力机车进行控制。主电路又称动力电路，是产生机车牵引力和制动力的电气设备 电路，主要有受电弓、主变压器、整流装置、牵引电机及有关高压电器组成，它的作用 是将接触网汲取的电能转变为牵引列车的机械能。辅助电路是保证主电路发挥功率和实 现各种性能必不可少的电路，主要由供给三相交流电的劈相机和各种辅助机械和相应的 各种电磁接触器组成。控制电路就是发出控制指令的主令电路，通过主令电路发出指令 从而间接控制机车主电路及辅助电路，达到完成各种工况操作的目的【7 】。 2 2 3 无功补偿 我国现有的牵引变电站，为补偿功率因数，较多采用的是在2 7 5k 、，钡安装一定容量的无 功补偿电容器，为避免电容器对3 次谐波的放大影响，在电容回路中串联1 2 左右的电抗器， 并不装设专门的滤波装置。这种无功补偿存在以下缺陷。 ( 1 ) 谐波滤波效果不明显：由于串联1 2 的电抗器，对三次谐波的滤波效果不理想， _ 般只能吸收2 0 3 0 的谐波电流。 ( 2 ) 无功功率的反送问题：由于采用断路器投切，不能频繁操作，而电气化铁路负荷 一般带电时间很短( 机车通过供电区段的时间一般为几分钟到十几分钟) ，因此牵引变大部 分为空载，电容器没有切除，导致无功功率倒送。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 电气化铁路负序电流产生机理 通过分析交流电气化铁路牵引供电系统可以得知，电气化铁路的电力机车负荷产生负序 分量的原因包含有以下几个方面r 确。 ( 1 ) 牵引变压器的供电方式 牵引变压器对电力机车采用的是不对称供电方式，这也将导致系统产生负序电流，特别 是在两个牵引变压器的两个供电臂负荷一轻一重的时候尤为明显，产生的负序电流是比较大 的。 ( 2 ) 牵引变压器的结线方式 牵引变压器与般通用的电力变压器不同，它是专用变压器，其作用是将电力系统输送 到电气化铁道的三相交流电变换成适用于牵引负荷的两相交流对电气化铁道牵引电网供电。 现在牵引变压器主要有单相结线、单相和三相v w 结线、三相y n - d l l 结线、三相y nd l l - d l 十字交叉结线、斯科特结线等结线方式，根据资料分析表明，这些结线方式在电力系统中都 会引起不对称，导致负序分量的出现。 ( 3 ) 单相不平衡负荷的接入 对于三相系统，任意一个不对称量，可以分解为零序、正序和负序三组对称的分量，单 相负荷接入系统时，系统中将引起正序和负序分量，但不会出现零序分量。电力机车就属于 典型的单相不平衡负荷，因此在牵引电网运行中，必然会产生大量的负序电流。 2 4 电力机车谐波分量产生机理 当前电力系统产生的谐波主要来自三个方面7 。1 0 】： ( 1 ) 输配电系统产生谐波 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性， 加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化 电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。 ( 2 ) 电源质量不高产生谐波 因为发电机三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也难做到绝对均匀一致，所以发 电机会产生少量的谐波。 ( 3 ) 用电设备产生谐波 主要是指晶闸管整流设备、变频装置、电弧炉和电石炉类电热设备、气体放电类电光源 和家用电器等。晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网 r 第三章电气化铁路对电两的影响 留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波，经统计表明：由整 流装置产生的谐波占所有谐波的近4 0 ；变频器设备由于采用了相位控制，谐波成份很复杂， 除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波；电热设备在工作时容易引起三相负荷不平衡，产 生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网；而家电设备和气体放电类光源其内部 存在调压整流设备或者其伏安特性非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，会给电网带 来谐波电流。 牵引电网电力机车负荷结构较为特殊，既有变压器存在，将从接触网接受的交流电 降压；又安装有整流装置，将交流电整流成直流电供给牵引电机；电力机车还需要向车 厢内的电炉、空调等电热设备供电。因而，电力机车几乎涵盖了谐波产生的所有方面， 是牵引供电系统中的一个最主要的谐波源，在其运行工作过程中，必然会给电网带来大 量的谐波，产生较大的影响。 2 5 本章小结 目前，电气化铁路在国内得到了越来越广泛的普及。电气化铁路已经成为我国铁路 动力改造的主要方向。电气化铁路的迅猛发展也使得电力系统中非线性负荷大量增加， 大大加重了谐波污染。电气化铁路已经成为最主要的谐波源之一。电气化铁路作为电力 系统的一个特殊用户，其负荷具有非线性、不对称和波动性的特点。而电气化铁路产生 的谐波具有时变性、波动性，需要特别的关注和处理。由此，本章从电气化铁路的运行 特征出发，具体分析了其负序电流和谐波分量的产生机理。 9 东南大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章电气化铁路对电网的影响 近年来，随着电气化铁路的不断发展，电铁的多拉快跑、节省能源、改善运营等优 势已逐步为大家所共识。然而电铁的单相牵引负荷破坏了电力系统的对称运行条件，使 系统中出现了负序分量以及高次谐波，对电力系统的运行产生了巨大影响。 3 2 负序电流对电力系统的影响 正常运行的电力系统是三相对称的，表现为三相电源电势对称、各相阻抗对称。当 系统或发电机的对称运行状态遭到破坏时，就会出现电压或电流的不对称。由对称分量 法可以将其分解为正序电流乃，负序电流历和零序电流而，因发电机常接成星形，且中 性点不接地或经阻抗接地，零序电流的影响可以忽略不计。 根据电力系统的运行特点，负序电流的产生原因分为以下两个方面【6 】： 1 短时不对称运行 ( 1 ) 电力系统不对称故障( 包括不对称短路及一相断线) ( 2 ) 发电机不对称故障( 包括单相、两相短路，分支短路，匝间短蹰； ( 3 ) 单相重合阐动作过程； ( 4 ) 出口断路器在正常及故障情况下，未能三相全部合上或断开的动作过程； ( 5 ) 主变压器高压侧断路在正常及故障情况下，未能三相全部合上或断开的动作过程； ( 6 ) 出口断路器事故跳闸时，灭磁开关因故未能及时灭弧。 2 长时不对称运行 ( 1 ) 长时间负荷不对称：如广泛使用的铁路电力机车、冶金单相电弧炉等大容量单相 负荷，由此形成较大的负序电流，对与这些负荷电气距离较近的发电机造成影响。 ( 2 ) 输电网络阻抗不对称：如高压线路不停电分相检修；低压电网“两相一地”供电 方式等。 3 2 1 负序电流对发电机的影响 负序电流对发电机影响最大的是转子的附加损耗与发热，其次就是附加振动。 1 0 第三章电气化铁路对电鼹的影响 1 转子的附加损耗与发热 负序电流在定、转子气隙中建立一个以同步转速旋转、方向与转子转向相反的旋转 磁场( 负序旋转磁场) ，它以两倍的同步转速切割转子，在转子表面各部件( 如大齿、 小齿、槽楔、护环等) 上感应两倍工频电流，由于转子结构不对称，两倍工频电流在转 子上分布不均匀，一般大齿的导磁性能较好，故大齿上感应的电流较大，小齿和槽楔上 的电流相对要小些，而且在集肤效应和大齿上横向槽作用下，造成在转子表面和大齿横 向槽两侧的电流密度较大，容易出现局部温度升高、过热。另外，转子上感应的2 倍工 频电流，不仅沿转子轴向分布，还有径向分布，形成环流，电流流经护环及其嵌装表面， 槽楔与齿的搭接处等部位时，因各部位的接触电阻较大，也容易出现高温和过热，这些 高温和过热点的存在很可能发生转子局部烧损。 对邻近牵引变电所而远离( 指电气距离) 电源的网络中的三相电动机的发热影响，并 以感应电动机的定子绕组为敏感部位。同时还将在电动机中产生一反向旋转磁场，此反 向磁场将对转子产生一个制动力矩，对电动机转子起制动作用，影响其出力。 2 转子振动 负序电流使转子产生振动的原因有两个。一是负序磁场以两倍同步转速切割转子及 转子本身，磁路不对称，故负序旋转磁场的轴线与转子纵轴重合时，磁阻小、磁通大， 大转子上的作用力矩大，与转子横轴重合时，磁阻大，磁通小，在转子上的作用力矩小， 这样在定、转子之间产生交变的电磁转矩，致使转子所受力矩也是交变的，转子因此产 生振动。另一方面，转子上的两倍工频电流流经转子上各部件，因其使用材料不同，各 自的热容量也不同，如护环的热容量较小，在护环与转子本体之间就会形成温差，使护 环失去紧力。 3 2 2 负序电流对异步电动机的影响 对于异步电动机来说，正序电压产生正序电流和顺转的电磁转矩，负序电压产生负 序电流和逆转的电磁转矩。负序电压对异步电动机的运行是十分不利的，较小的负序电 压加到异步电动机上将会引起较大的负序电流及负序逆转电磁转矩，直接影响异步电动 机的效率和安全可靠运行。 东南大学硕士学位论文 3 2 3 负序电流对电力变压器以及输电线路的影响 负序电流造成电力系统三相电流不对称，因而系统中的三相变压器有一相电流最大 而不能有效发挥变压器的额定出力( 即变压器容量利用率下降) 。另外，还可造成变压器 的附加能量损失和在变压器铁心磁路中造成附加发热。 负序电流流过电力网络时，实际上不做功，只造成电能损失，从而降低了电力线路 的输送能力。 3 2 4 负序电流对继电保护装置的影响 负序电流容易使电力系统中以负序分量启动的继电保护装置误动作。例如，当负序 电流作用时间较长时，常规的距离保护就要转入闭锁状态，使一段时间内距离保护的快 速动作段退出运行；而当电铁负序作用于解除闭锁后，如系统此时发生振荡，则距离保 护可能误动作跳闸。 3 3 谐波电流对电力系统的影响 电铁牵引负荷由整流型电力机车产生，含有丰富的谐波，属于谐波电流源。电力机车采 用单相整流桥，脉动数为2 ，特征谐波为奇次谐波。此外，电力机车在启动与过分区空载投 入时会产生远高于额定电流的励磁涌流。励磁涌流不仅含有奇次谐波，还含有各偶次谐波， 其中二次谐波含量最犬1 嘲。 3 3 1 谐波电流对电气设备的影响 1 。对发电机影响 谐波对同步发电机主要影响是引起附加损耗与发热，其次就是附加振动、噪声和谐 波过电压。 流入发电机定子绕组的谐波电流产生的旋转磁场，在转子绕组中感应出谐波电流。 集肤效应使得上述电流只在转子各部件的表面流动，因而转子上容易受谐波电流损害的 部位就是阻尼绕组、槽楔、齿等。 定子绕组中的谐波电流同样也有集肤效应。由于集中了很大的谐波涡流和漏磁，从 而引起隐极机定子的端压板、槽楔、端盖及其紧固螺栓严重发热，成为运行的限制条件。 1 2 第三章电气化铁路对电网的影响 当发电机中的谐波电流的频率接近定子零部件的固有振动频率时，可能引起发电机 的强烈机械振动。 2 对异步电动机影响 异步电动机的定子绕组绝缘是谐波发热敏感的薄弱环节。由于一般用户母线上都接 有成群的电动机，因而电动机允许承受谐波的条件，宜按其母线上承受的谐波电压来考 虑。 i 4 运行经验表明，若3 ，5 ，7 次谐波电压达到额定电压的1 0 - - 2 0 以上，可导致电动机在 短时间内损坏。 3 对感应电动机影响 对于感应电动机，高次谐波电流造成定子与转子铜耗增加，同时还会产生振动力矩。 负序性质谐波产生的附加转矩及齿谐波作用产生的附加转矩给电机运行带来不利，甚至 引起振动。 4 对输电线路影响 谐波使网损增大，在发生系统谐振或谐波放大的情况下，谐波网损可达到相当大的 程度，此外，谐波电流在各种电路阻抗上产生谐波电压降。在电缆输电的情况下，谐波 电压以正比于其幅值电压的形式增加了介质的电场强度。这一影响缩短了电缆的使用寿 命增加了事故次数和修理费用。另外，对于超高压长距离输电线路，常采用单相自动重 合闸来提高电力系统暂态稳定性。较大的高次谐波电流能显著地延缓供电电流的熄灭， 导致单相重合闸失败，或不能采用较短的自动重合闸时间。 5 对电力变压器危害 谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏 磁引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁心中的磁滞 损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。同时由于以上两方面的损耗 增加，因此要减少变压器的实际使用容量，或者说在选择变压器额定容量时要考虑留出 电网中的谐波含量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，变压器的振动噪声主要是 由于铁心的磁滞伸缩引起的，随着谐波次数的增加，振动频率在i k h z 左右的成分使混 杂噪声增加，有时还发出金属声。 6 对电容器和串联电抗器的影响 1 3 东南大学硕士学位论文 高次谐波流入电容器，无论电压、电流都可能引起电容器的过电压、温升过高、过 负荷，电容器要承受额外的电和热的影响，会导致无功补偿装置无法投入运行。 串联电抗器受高次谐波的影响要比电容器严重。因为串联电抗器的高次谐波电抗与 电容器正好相反，它是与高次谐波的次数成正比的增大。所以由于高次谐波的流入，大 大增加了串联电抗器额外的电和热的影响，必须十分注意它的温升问题。另外，高次谐 波电流可能引起电容电感回路与电力系统的并联谐振。 3 3 2 谐波电流对继电保护装置的影响 谐波对继电保护会产生干扰和造成误动或拒动，尤其是一些衰减时间较长的暂态过 程，更容易引起保护的误动作。 1 谐波对继电器的影响 ( 1 ) 谐波对感应型继电器的影响 感应型继电器的可动部分惯性较大，动作速度慢，谐波转矩对其影响并不严重。这种继 电器中的圆盘或圆筒在磁场的作用下都将产生感应电流，该电流和空间中另磁场相互作用 产生电磁转矩，推动圆盘或圆筒转动。 随着输入电流的频率增大，继电器的起动灵敏度降低，这是由于畸变电流中的谐波分量 在继电器磁盘上产生了附加转矩所致。由畸变电流产生作用在继电器磁盘上的转矩等于该电 流中基波分量和各次谐波分量产生的转矩总和，其3 次谐波和5 次谐波电流所产生的转矩对继 电器的灵敏度影响比较大。谐波电流分量产生的转矩可正可负，因而，继电器可能产生误动 也可能产生拒动，其后果由各同次频率谐波间的相位差以及谐波分量的有效值而定。 ( 2 ) 谐波对电磁型继电器的影响 在谐波含量小于4 0 时，其整定值误差将不会大于1 0 。但是由于继电器是按基波电压 或电流整定的，因此，在动态情况下会有很大影响。对电流继电器而言，谐波存在时，将引 起保护拒动；对电压继电器而言，当含有谐波的畸变电压作用于继电器时，动作值总是比基 波时的整定值要大，因而对过电压继电器可能会拒动，对欠电压继电器却又可能会误动。 ( 3 ) 谐波对整流型继电器的影响 整流型继电器的主要特点是将输入交流量进行整流，或者将几个输入交流量组合后进行 整流，继电器的动作特性取决于整流后的电压信号( 或电流信号) 及其动作判据。以两个电气 1 4 第三章电气化铁路对电网的影响 量的环形整流比相器回路构成的方向阻抗继电器为例进行分析。当电流回路中含有谐波分量 时，其动作特性不再是一个圆，而是呈现为一个不规则的封闭曲线，有许多凹凸不平点。主 要是因为在电流回路通入含有谐波分量的电流时，环形整流比相器输出的交流分量增大，从 而造成继电器动作特性破损不光滑。在某些情况下，由于电流中谐波分量比较大，会导致整 流型保护装置拒动。 ( 4 ) 谐波对静态型继电器的影响 静态保护所采用的继电器包括通称的静态继电器和固态继电器，主要由无机械运动的电 子器件构成。静态保护在抗干扰和消除谐波影响方面具有较好的有效陛。 按相位比较原理构成的继电器，被比较的两个交流电量可用积分比相器或微分比相来实 现。由于谐波分量的存在，两种比相器的工作均受影响。对于积分式比相器，各半波积分比 相器比较的分别是正半周或负半周极性相同的时间，当被比较的两个电量中任意一个含有谐 波分量时，其方波被切成碎块，导致积分电压达不到使其后面的触发器翻转所需要的电压值， 从而造成保护拒动；对于微分式比相器，它把两个交流电量都变成方波，再将其中一个方波 通过微分电路产生脉冲去与另一个交流量的方波进行比较，则因谐波的存在而出现多个不应 有的微分脉冲，引起交流量过零点的机会增多，可能造成保护装置误动作。 2 谐波对变压器保护的影响 变压器的差动保护通常都采用突变量作为起动判据。采用相电流采样值的突变量作 为起动判据的变压器保护装置和采用基于半周积分算法的相电流工频变化量作为判据 的变压器保护装置都不能完全消除谐波的影响，可能导致保护的不正常起动。 在微机保护的电压频率变化电路中采用了滤波电路，软件计算中采用了全周傅氏算 法，因此差动电流速断和比率差动保护具有较好的滤波特性。而且由于采用分相差动， 穿越性的谐波分量对保护的影响不大。 3 谐波对线路保护的影响 系统中谐波含量较大时，采用相电流突变量或工频变化量作为起动元件的线路保护 也可能不正常起动。 工频变化量阻抗继电器动作速度快，易受谐波分量的影响。距离保护中的测距元件 是按照线路或变压器的基波阻抗整定的。当有谐波电流存在时( 特别是三次谐波) ，所测 得的阻抗值相对于基波阻抗值有误差。因此动作区的边缘可能出现一定的误差，造成保 1 5 东南大学硕士学位论文 护的误动。 3 3 。3 谐波电流对电能损耗和电能计量的影响 非线性负载向电力系统注入谐波有功功率，吸收系统提供的基波电能，而且将一部 分基波电能转换成谐波有功电能注入电力系统；线