（电力系统及其自动化专业论文）小电网负荷低谷时段谐波电压问题的研究.pdf

a b s t r a c t m p o w e rs y s t e m ，t h eh a r m o n i cw h i c hi sp r o d u c e db yv a r i o u sk i n d so f h a r m o n i cs o u r c e si s i n f l u e n c i n gt i l ee l e c t r i ce n v i r o n m e n to ft h ew h o l e p o w e rs y s t e m ，t h ed a n g e rr e s u l t e df r o mt h i st ot h ee l e c t r i ce q u i i g m e n t si s s e r i o u s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe q u i p m e n ts u c ha st h ee l e c t r i c e l e c t r o n , t h eq u e s t i o no fh a r m o n i ci sp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ob y p e o p l e t h et r a n s f o r m e ri s o n eo ft h et r a d i t i o n a lh a r m o n i cs o u r c e s i n n o r m a lc a s e s ，t h eh a r m o n i ci t p r o d u c e di s n o tl a r g e ，b u tw h e nt h e t r a n s f o r m e ri sw o r k i n gi ns o m es p e c i a lo p e r a t i o nw a y s ，f o re x a m p l e ，i nt h e v a l l e yp e r i o do fl o a dd u r i n gt h en i g h t ，u n d e rt h ev o l t a g eo fp o w e rn e t w o r k s o p e r a t i n go nh i g h e rs i t u a t i o n , t h ei r o nc o r es a t u r a t i o nd e g r e eo ft h e t r a n s f o r m e ri n c r e a s e s ，t h eh a r m o n i co fe x c i t a t i o nc u r r e n ti t p r o d u c e d i n c r e a s e ss h a r p l y , t h e r e f o r e ，t h ep h e n o m e n o ni tr e f l e c t e dw a st h a tt h e h a r m o n i cv o l t a g eo fv a l l e yp e r i o do fl o a di np o w e rn e t w o r k si st o oh i g h ，i t i s p a r t i c u l a r l yo b v i o u si nt h es m a l lp o w e rn e t w o r k s ，w h i c hh a v ea l r e a d y e x c e e d e dt h eh a r m o n i cs t a n d a r do fo u rc o u n t r yg r e a t l y s o ，i ti sm u c h m e a n i n g f u lt or e s e a r c ht h ep r o b l e mt h a th a r m o n i cv o l t a g ei st o ol a r g eo n v a l l e yp e r i o do fl o a di nt h es m a l lp o w e rn e t w o r k s t h i sp a p e rc a r r i e do ns t a t i s t i c a la n a l y s i st ot h ed a t ao fm e a s u r e m e n to i 1al o to f s u b s t a t i o n s ，h a ss u m m a r i z e ds o m ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh a r m o n i cv o l t a g eo np o w e r n e t w o r k sv a l l e yp e r i o do fl o a d t a k i n gt h es p e c i a l i z e de l e c t r o m a g n e t i s mt r a n s i e n t s o f t w a r ee m t d ct os t u d yt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h eh a r m o n i cc u r r e n to f t r a n s f o r m e r , a n dt h et r a n s f o r m e rm o d e la d o p t su m e ct r a n s f o r m e rm o d e lb a s e do nm a g n e t i cc i r c u i t m o d e lp r i n c i p l e ，f o rt h i sm o d e lh a sh i g h e rp r e c i s i o n , t h i sp a p e ra l s ou t i l i z e sm a t l a b s o f t w a r et od e a lw i t ha n a l y m gt ot h ee m u l a t i o nd a t a , w h i c hw a sc o m p a r e da n d a n a l y z e dw i t l lt h ed a t ao fm e a s u r e m e n t t h r o u g ha c e i t a i na m o u n to fb e t w e e n a n a l y s i sa n de m u l a t i o nt h ep a p e r c a ng e ts o m em a i nc o n c l u s i o n s h a r m o n i cc u r r e n to ft r a n s f o r m e rm a i n l y r e l a t e st os a t u r a t i o nd e g r e eo ft h ei r o nc o r eo ft h et r a n s f o r m e r , w h i c h i n f l u e n c e ss a t u r a t i o nd e g r e eo fi r o nc o r em a i ni n c l u d et h es i z eo ft h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l il 页 v o l t a g ea n da f f e c t st r a n s f o r m e rc h o o s i n gt h es i z eo fr a t i n gm a g n e t i cf l u x d e n s i t y , t r a n s f o r m e ri r o n c o r es a t u r a t i o nd e g r e er i s e sw h i l e v o l t a g e i n c r e a s e s ，t h el a r g e rr a t i n gm a g n e t i cd e n s i t yt r a n s f o r m e ra g g r a v a t e st h e i n c r e a s i n gs a t u r a t i o nd e g r e e ；b e c a u s eo fl o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o nl i n ea n d l i t t l ec a p a c i t yo fs h o r tc i r c u i t , s m a l lp o w e rn e t w o r k sw i l lm a k et h e v o l t a g e i nt h ee n do fp o w e rn e t w o r k sr i s eh e a v i l yw h e no nu n l o a do rl i g h tl o a d ，a n d o t t e n t h e r ea r ec a p a c i t a n c eb a n k sn o tr e m o v a l ，w h i c hm a k e st h eh a r m o n i c i m p e d a n c eo ft h ep o w e rn e t w o r k sp r e s e n tt h ec a p a b i l i t y , m a yl e a dt ot h e h a r m o n i ca m p l i f i c a t i o np h e n o m e n o n k e y w o r d s ：s m a l lp o w e rn e t w o r k s ；h a r r n o n i c ；v a l l e yp e r i o do fl o a d t r a n s f o r m e r 西南交通大学 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 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打材”) 学位论文作者签名： 日期： 指导老师签名： 日期： 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 他个人或集体已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： 本文根据实测数据，利用电磁暂态仿真软件e m t d c 建立仿真模型， 对影响电网在负荷低谷时段谐波电压过大的因素进z 亍了全面仿真分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 电力系统谐波 第1 章绪论 早在1 9 世纪末，当交流电以一种新兴的动力形式出现时，人们就发 现了电压、电流的波形畸变问题，至于电力系统的谐波，德国在上世纪 2 0 年代和3 0 年代就研究了由静止整流器产生的波形畸变问题。到了5 0 年代和6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，有大量的关于换流器引 起的电力系统谐波问题论文发表。而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，使大量谐波注入了电网。谐波问题在有些电力系统中已经对电力 系统和用电设备产生了严重的危害和影响。世界各国十分重视和关心谐波 问题，多次召开了国际性的学术讨论会，不少国家已制订出对电力系统谐 波和用电设备谐波的国家标准或电力部门的规定。国际电工委员会( m c ) 和国际大电网委员会( c i g r e ) 都相继组成专门工作组，开展这方面工作， 并制订了包括各项电力和用电设备以及家用电器在内的谐波标准。1 9 7 9 年9 月，英国电气委员会总工程师会议制订了供电网络谐波的有关规定 ( 工程技术导则g 5 3 ) 。它已成为各国际组织和世界各国研究和制订谐波的 标准，是进行谐波管理的典范。为了引起各方面对电力系统谐波问题及管 理工作的重视，大力开展有关电力系统谐波的研究工作，1 9 8 4 年原水利 电力部根据国家经委批准的“供用电准则 制订和颁布了s d1 2 6 1 9 8 4 电力系统谐波管理暂行规定。国家技术监督局在1 9 9 3 年7 月3 1 日发 布了g b t1 4 5 4 9 - - - 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波，并于1 9 9 4 年3 月1 日起实施】。 1 1 1 电力系统谐波的产生 在电力系统中，通常是以正弦波方式进行供电的，这不但给电力系统 的分析设计带来方便，而且使系统及用电设备的运作处在最佳状态，然而 谐波的存在却使电压、电流的波形产生了畸变。电网谐波来自于3 个方面 【3 4 l ： ( 一) 发电源质量不高产生的谐波 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁芯也很难做到绝 对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说 很少，因此在谐波潮流分析中不把发电机当成谐波源，而是看作吸收谐波 的末端支路。 ( 二) 输配电系统产生的谐波 输配电系统中大量的变压器群和并联电抗器也是谐波源，变压器个体 一般产生的谐波较小，但其群体产生的的谐波综合则是电力系统中背景谐 波的主要构成部分。电网中饱和电抗器和可控电抗器有时也是可察觉到的 谐波源。 ( 三) 用电设备产生的谐波 晶闸管整流设备：由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、 开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐 波。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。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电 流，其中3 次谐波的含量可达基波的3 0 ；接容性负载时则含有奇次谐 波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥 6 脉整流器，变压器原边及供电线路含有5 次及以上奇次谐波电流；如果 是1 2 脉冲电力系统的谐波问题整流器，也还有1 1 次及以上奇次谐波电流。 经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近4 0 ，这是最大的 谐波源。 变频装置：变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，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， 这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越 来越多。 电弧炉、电石炉：由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高 低不平的炉料，使得燃烧不稳定，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。其中主要是2 - - 7 次的谐波，平 均可达基波的8 - - - 2 0 ，最大可达4 5 。 气体放电类电光源：荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等 属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线 性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。 家用电器：电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等 有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽 然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。 1 1 2 电力系统中谐波的危害 电网谐波造成电网污染，正弦电压波形畸变，使电力系统的发供用电 设备出现许多异常现象和故障，情况日趋严重。电力系统中谐波的危害是 多方面的，概括起来有以下几个方面h 1 ： + 一、对供配电线路的危害 1 影响线路的稳定运行：供配电系统中的电力线路与电力变压器一般 采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，它们容 易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳 定与安全运行。 2 影响电网的质量：电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发 生畸变，从而降低电网电压，浪费电网的容量。 二、对电力设备的危害 1 对电力变压器的危害：谐波使变压器的铜耗、铁耗增大。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。文献 5 测到某 台2 0 m v a 变压器在后夜且接近5 次谐波谐振的条件下所产生的5 次谐波谐 波功率达到额定功率的o 2 以上，超过了额定空载损耗。 2 对电力电容器的危害：当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压 增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加，使电容器 异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。在谐波严重的情 况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。 3 对电力电缆的危害：由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截 面积越大集肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允 许通过电流减小。 4 对电动机的危害：谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的 附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中 产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从 而减少电动机的出力。 5 对低压开关设备的危害：全电磁型的断路器；热磁型的断路器：电 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 子型的断路器，都可能因谐波产生误动作。 6 对弱电系统设备的干扰：对于计算机网络、通信、有线电视、报警 与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与 传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电磁感应与静电感应的耦合 强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流 入接地极，从而干扰弱电系统。 7 影响电力测量的准确性：目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感 应型，它们受谐波的影响较大。特别是电能表( 多采用感应型) ，当谐波 较大时将产生计量混乱，测量不准确。 1 2 电网负荷低谷时段谐波电压过高问题的提出 在秦沈客运专线正式开通之前，西南交通大学电气工程学院于2 0 0 2 年9 月至1 1 月对绥中北牵引变电所的电网供电质量进行多日测试，该所 高压侧引入2 路单相2 2 0k v 电源，线路和变压器组采用一主一备工作方 式，牵引变压器容量为2 3 1 5m v a 。通过对绥中北牵引变电所2 2 0k v 电压综合畸变率进行分析如图1 1 ，可知该日6 时至1 8 时2 2 0k v 线路的 谐波电压水平较低，t h d u 值在1 - 1 8 之间，符合国标要求。但在2 0 时延续到次日凌晨4 时谐波电压水平较高，可以看到在此时刻谐波电压水 平较高，t h d i j 值均大于2 ，超过了国标要求，正是由于该时段谐波电 压水平偏高，导致变电所电压总谐波畸变率9 5 概率大值有一定程度的 超标，其值为2 2 5 。 图1 1绥中北牵引变电所2 2 0k v 线路电压综合畸变率趋势图 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 通过对2 2 0k v 电压的各次谐波分量分析，发现其中5 、7 次谐波含量 较高，尤其是5 次谐波电压成为该电网的主要谐波成分。该所2 2 0k v 侧 3 、5 和7 次谐波电压含有率及2 2 0k v 线路电压综合畸变率趋势图如图1 2 所示，由此图可看出，基本上由5 次谐波电压决定了电压总谐波畸变率 t h d u 的变化趋势及幅值。而且可以看出5 、7 次谐波电压含有率的变化 趋势基本一致，而3 次谐波电压含有率基本保持同一水平，上下波动范围 不大。电压总谐波畸变率t h d u 和各次谐波电压含有率h r u h 的全天9 5 概率大值统计如表1 1 所示。 表1 - 1t h d l7 和h r u h 的9 5 概率大值统计 i 谐波次数 t i - i d uh r u 3h r u sh r u 7 h r u ，l l 含有率( ) 2 2 5 4 20 4 9 5 42 0 3 5 6 0 9 1 2 lo 1 9 1 2 图1 22 2 0 k v 线路3 、5 和7 次谐波电压含有率和t h d u 趋势图 在测试期间，秦沈客运专线山海关至绥中北试验段每天1 2 时到1 8 时有一列交一直交电力机车在试验运行。交直交电力机车在牵引工况下 被认为接近理想负荷，向电网注入的谐波电流很小，不会对电网谐波电压 产生大的影响，实测结果证实了这一点。而在其他时段，绥中北牵引变电 所基本处于空载状态。而恰恰正是在此时段，2 2 0 k v 电压线路的电压综合 畸变率超标。 上节介绍谐波源主要是电网中众多的非线性负荷，由多个波动的非线 性负荷产生的背景谐波具有一个明显的特征，那就是其幅值随时间作剧烈 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 变化【6 】。波动的谐波源越多，谐波电压幅值分布越杂乱。由图1 2 可以看 到5 次谐波电压变化的幅度不是很大。这就说明绥中北牵引变电所背景谐 波来源主要为大型电力变压器所产生的谐波。 电力变压器是电力系统中使用相当普遍和十分重要的电气设备，电力 系统发、输、变、用中的变这一环节就是由变压器完成的，在电网中，变 压器的总容量为发电机总容量的6 倍以上。电力变压器在正常工作条件 下，铁芯未饱和时，励磁电流很小，其谐波电流含有率亦很小，可以忽略， 由于电力变压器的铁芯具有非线性磁化特性，当铁芯处于饱和状态，这时 电流会有很大的谐波电流。变压器的励磁电流及其所含谐波电流都是随着 电压和磁饱和的升高而增大的，由于现代制造的变压器都设计在额定电压 时的磁密已接近磁化曲线的膝点，所以当电网处于轻载情况下，电网中网 压升高，变压器工作处于饱和状态，变压器谐波电流随电压的升高而迅速 提高，高电压大容量三相变压器由于存在三角绕组，零序性谐波电流能消 耗在闭合三角绕组中而不会进入电网。因此高电压大容量三相变压器励磁 电流的谐波阶次主要为6 k 1 ，k = l ，2 ，3 ，即为5 、7 、1 1 、1 3 次等， 尤其是其中的5 次谐波电流。文献【3 】提到西北电研院多次测试表明，西 北电网的背景谐波主要来源于变压器群。 我国很多电网的电压尚未做到逆调压【3 1 ，所以在低谷负荷时段电网电 压有较大幅度的升高，可超出额定电压的1 0 甚至更多，因此许多电网 在负荷低谷时段谐波电压也随着升高。在前面绥中北牵引变电所谐波电压 的分析中，就证明了此种现象，并且在负荷低谷时段还出现了谐波电压超 标的情况。 文献 8 】讨论了华东5 0 0 k v 电网谐波的问题，文中提出5 0 0 k v 谐波电压 含量偏高，并引起了相频相差保护的误发讯，并归纳出了5 0 0 k v 电网谐波 源的主要特征：谐波电流以3 次为主，含有少量5 次和7 次，其数量不大并随 基波电压的升高而增大。由此可知，5 0 0 k v 电网的主要谐波源为线路中的 大型变压器。而且由于5 0 0 k v 线路长度较长，采用分裂导线，线路的正序 和零序电容都比较大，与电网中的电感配合，构成了谐波放大的条件，文 献 7 也提出了陕西3 3 0 k v 电网的电压质量问题主要是供电网的3 次和5 次谐 波电压含量超限和谷荷时电压上升超限，在3 3 0 k v 电网中的分布电容为3 次 谐波放大提供了条件，而且从该文献中图1 ( c ) 中可以看到马营变电所的 电压在夜里时刻已经超出额定电压的1 0 ，并且5 次谐波电压与基波电压升 降同步，配电网中的并补电容器也为5 次谐波电压放大提供了条件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 由此可见，在上述供电能力较强，短路容量较大的电网都出现谐波电 压超标的情况，那么这种情况在小电网中更为明显，文献f 9 的测试数据显 示，在农村电网中在负荷低谷时比负荷高峰时，1 0 k v 母线电压的基波电压 提高了约5 ，但是谐波电压却提高得较多，尤其是5 次谐波电压提高了l 倍，谐波电压综合畸变率也提高了近1 倍，使1 0k v 母线谐波电压超过了电 能质量标准中的谐波限制值。并且5 次谐波电压为负序电压，负序电压继电 器误动，文献 1 0 】提到在夜间2 2 点至凌晨1 点左右，变电站6 6 k v 母线负序电 压滤过器偶尔动作，发出了电网负序电压偏高的信号。因此，在电网负荷 低谷时段，谐波电压过高的问题已经不容忽视，尤其是在小电网中。 至于一些对电网电压调整做到逆调压的发达国家，则电网谐波电压较 大时刻一般是在工业负荷最大的白天高峰时刻，以及电视收视率最高的晚 间高峰时刻，而不是在负荷低谷时段。e a 电力协会工程推荐标准g 5 4 中【1 l 】曾提到背景畸变的测量值显示出明显的昼夜变化，夜晚的水平最高， 特别是星期天。 1 3 本文研究的主要工作 本文通过实测的牵引变电所的数据为基础，仔细分析电网在负荷低谷 时段谐波电压的特点，并对多个变电所的测试数据进行比较，总结出影响 其的主要原因，提出采用计算机仿真与实测数据相结合进行分析，论文主 要工作如下： 首先介绍了国内外的谐波标准，并对实测四个牵引变电所的数据进行 统计分析，总结出影响电网在负荷低谷时段谐波电压过高的主要原因； 接下来介绍变压器模型的研究现状，并对几种磁化曲线的曲线拟合方 法进行了拟合比较，提出了一种励磁曲线的转换方法。最后选用了本文采 用的基于u m e c 模型原理的变压器模型： 第四章介绍了仿真软件p s c a d e m t d c 的特点，分析了三种线路模 型，对空载线路末端电压升高问题进行了理论分析，并对影响末端电压的 参数进行了仿真分析； 第五章主要进行了不同状况下变压器的空载仿真，分析了影响变压器 空载电流和谐波电流大小的一些因素。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章变电所实测数据统计分析 上一章提出电网在负荷低谷时段谐波电压过高的问题，在电网负荷低 谷时段，且绥中北牵引变电所处于空载状态，此时电网的谐波电压主要来 自于电网中的背景谐波，其电压总谐波畸变率和5 次谐波电压均超标，本。 章先介绍国内外的谐波标准，然后根据谐波标准来评价实测变电所在电网 负荷低谷时段谐波电压的情况，并对多个变电所的实测数据进行分析统 计，总结出电网在负荷低谷时段谐波电压过高的一些原因。 2 1 谐波标准 电能的生产和使用是在同一个系统中，同一时间完成的，系统电源通 过产生的正弦波形电压向非线性用户供基波电能的同时，又遭受其谐波电 流的入侵，引起电网电压正弦波形的畸变，为了保证电能质量，系统向用 户的供电电压负有波形合格的责任，而非线性用户在使用系统电能时，负 有限制谐波电流注入系统、不使系统的供电电压质量过分降低的责任。谐 波标准试图在供电系统( 包括线性用户) 与谐波源用户之间取得协调，以较 为合理的分担谐波指标，保证系统的电能质量和可靠供电，从总体上达到 相对合理的、供用电双方均较有利的运行状态。 2 1 1 国外谐波标准 限制正弦波形的畸变均采用电压总谐波畸变率t h d u ( ) 和各次谐 波电压含有率h r 乩( ) 两个指标。各标准中各级电网的谐波电压允许值 与电网的电压等级有关，有的国家还对配电系统与输电系统分开对待。各 级电网的限制均由低压电网经中压电网到高压电网逐级减小，在电网正常 运行方式下，并把国际大电网会议工作组推荐的“低值”作为电网谐波正 常水平的限制值，各国规定的限制各级电压电网电压波形崎变率是非常接 近，表2 1 列出若干国家的谐波电压标准【12 1 ，电压总谐波畸变率大致如 下： 低压电网o k v ) 4 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 中压电网( 2 4 7 2 k v ) 2 , - - - , 5 高压电网( 8 舢 1 2 其中，低压电网的谐波电压允许值是谐波标准的基础限值。中、高压 各级电网的谐波电压限值，首先应保证低压电网的谐波电压不超过允许 值，同时应保证本级电网及其设备如继电保护、电容补偿等的安全可靠运 行。 表2 - 1 部分国家谐波电压标准概述 国家标准电网电压谐波次数h各次谐波电压总谐 名称编号 o 【 电压含有波畸变率 率惭)( ) 0 4 1 5 奇次3 1 9 45 偶次2 1 8 2 6 6 及1 l奇次3 1 9 3 4 英国e r g 5 3 偶次2 1 8 1 7 5 1 9 7 6 3 3 及6 6奇次3 1 9 23 偶次2 1 8 1 1 3 2 奇次3 1 9 11 5 偶次2 1 8 o 5 s e f0 2 5 0 4 32 2 534 瑞典 1 9 7 4 3 3 2 42 2 52 53 3 6 7 22 2 51 52 8 42 2 5o 71 正e e2 4 , - - - 6 935 美国 5 1 9 6 9 1 3 81 5 2 5 1 3 81 1 5 日本电气协同 6 63 3 9 ( 奇次) 1 - - 45 研究会2 2 7 73 3 9 ( 奇次) o 5 2 53 2 1 2 我国谐波电压标准 我国谐波国家标准【12 1 ( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 电能质量公用电网谐波是 国家技术监督局于1 9 9 3 年7 月3 1 日发布，1 9 9 4 年3 月1 日起实施的。 制定谐波国家标准的目的是把公用电网的谐波量控制在允许范围内，以保 西南交通大学硕士研究生学位论文+第1 0 页 证供电电能质量，防止谐波对电网和用户的各种电气设各造成危害，保证 电网及用户安全经济运行。标准适用的范围是交流5 0 h z 、1 1 0 k v 及以下 的公用电网及其供电的电力用户。对于2 2 0 k v 电网及其供电的电力用户， 可参照标准对1 1 0 k v 电网的规定执行。见表2 2 。 表2 2 公用电网谐波电压( 相电压) 限值 电网标称电电压总谐波畸变率各次谐波电压含有率( ) 压( k v )( )奇次偶次 0 3 85 04 0 2 0 6 4 03 21 6 1 0 3 5 3 02 41 2 6 6 1 1 02 o 1 6 o 8 表2 3 各级电网谐波电压( 相电压) 限值 电压总谐波畸各次谐波电压含有率( ) 电网标称电压( k v ) 变率( )奇次偶次 0 3 82 62 1 1 1 6 2 21 8o 9 1 0 3 5 1 91 5o 7 6 6 1 1 01 51 2o 6 考虑到低压o 3 8 k v 电网内低次谐波占主要成分，同时为保证大量而 普遍存在的电动机、并联电容器的安全运行，保证计算机的正常工作和符 合保护及远动装置对电源谐波的要求，其电压总谐波畸变率确定为5 。 2 2 变电所测试数据分析 2 2 1 测试电网负荷背景情况 本文采取四个牵引变电所的测试数据，其中铜鼓溪牵引变电所、盐津 牵引变电所是成都铁路局、西南交通大学和云南供电局于2 0 0 2 年6 月在 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 内昆线铁路试运行之前完成对其的测试，这两个牵引变电所都隶属于云南 昭通电网，处于云贵川三省交界处，其中铜鼓溪牵引变电所与四川省仅一 河之隔，属于薄弱的小电网。变电所进线电压为1 1 0 k v 。记录当日铜鼓溪 牵引变电所当日0 9 时只有所内自用电，1 7 2 4 时并联电容器投运，这两 个时段线路上没有列车取流。盐津牵引变电所并联电容器全天投运，但 0 - 9 时这个时段没有列车取流。 绥中北牵引变电所位于秦沈客运专线，在其正式开通之前，西南交通 大学电气工程学院于2 0 0 2 年9 月至1 1 月对其进行多日测试，该所高压 侧引入单相2 2 0k v 电源。其电网供电能力较好。记录当日只有1 2 1 8 时 有一列交直交型列车在试运行，其他时刻只有所内的的自用电。 横峰牵引变电所处于浙赣线上，其高压侧进线电压为2 2 0 k v ，西南交 通大学于2 0 0 6 年1 2 月1 9 日对其进行电能质量测试，记录当日牵引变电 所没有列车经过，只有所内自用电，记录的为变压器空载的情况。 2 2 2 数据分析 电网在负荷低谷时段会出现网压升高和电压总谐波畸变率过高等一些 现象，下面通过实测数据对这些现象进行统计分析。 2 2 2 1 电压总谐波畸变率和谐波电压含有率 各个牵引变电所电压总谐波畸变率和各次谐波电压含有率趋势图如 图2 1 ，统计情况见表2 4 和表2 5 。 表2 4 各个变电所a 相电压总谐波畸变率和各次谐波电压含有率9 5 大值 变电所名称 t h d u ( )h r u 3 ( ) h r u s ( ) h r u 7 ( ) 铜鼓溪 9 6 5 9 11 5 4 6 58 9 0 9 0 2 9 0 2 6 盐津8 7 5 2 50 8 0 0 38 2 6 5 92 7 4 0 4 横峰1 4 0 7 90 1 9 2 11 1 6 1 00 8 4 0 4 绥中北( 单相) 2 2 5 4 20 4 9 5 42 0 3 5 60 9 1 2 1 表2 5 变电所a 相电压总谐波畸变率和各次谐波电压含有率9 5 大值( 谷负荷时) 变电所名称 t h d u ( )h r u 3 ( )h r u s ( )h r u t ( ) 铜鼓溪 6 5 6 5 00 4 3 0 26 4 2 6 91 3 1 0 6 盐津5 7 5 5 30 2 8 9 05 6 5 1 31 1 2 8 7 横峰 1 4 7 9 7 o 1 7 1 31 2 1 1 90 9 2 8 0 绥中北( 单相) 2 2 5 3 20 5 3 4 52 0 5 5 60 6 5 6 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 铜鼓溪牵引变电所高压侧a 相电压综合畸变率 “h ) 铜鼓溪牵引变电所高压侧a 相3 、5 和7 次谐波电压含有率 呈1 l山n j i 。1 。 删越恸洲 d魁触蕊 - - 0 - l h 0 _ - 6 ( a ) 拭弹罕，i 篁电所向也硼 寸日电出琳苜哪簧牛 i、1 1i ；l 一一一一一j - 汹p 怵洲酬。i 一 盐津幸引变电所高压侧a 相3 、5 和7 次谐波电压含有率 5 次 1 11 il 。 ? 洲9 豳菇躺璐妇必 i 一 吲蛳惘懒 翅i 匕l l “一： ( b ) 校蜂幸引变电所高压侧a 耜电压综合畸变率 “h ) 横峰牵引变电所高压侧a 相3 、5 和7 次谐波电压古育率 ( c ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 绥中北晕引变电所高压侧电压综合畸变率 m ， 绥中北牵引变电所高压侧3 、5 和7 次谐波电压古有率 ( d ) 图2 - l 各个变电所电压总谐波畸变率和各次谐波电压含有率趋势图 ( a ) 铜鼓溪变电所( b ) 盐津变电所( c ) 横峰变电所( d ) 绥中北变电所 绥中北牵引变电所高压侧基波电压 图2 2 绥中北牵引变电所高压侧基波电压 由图2 1 、表2 - 4 中可以看到铜鼓溪、盐津牵引变电所电压综合畸变 率严重超标，而绥中北牵引变电所也有所超标，横峰变电所情况略好，没 有超标。各个变电所都是5 次谐波电压为电网谐波的主要成分，基本上是 5 次谐波电压决定了电压总谐波畸变率t h d 。的变化趋势及幅值，7 次谐波 电压变化趋势与5 次谐波电压变化趋势一致。四个牵引变电所在电网负荷 低谷时段基本上都是在空载运行，表2 5 统计了负荷低谷时段各个变电所 谐波电压的情况，可以看出铜鼓溪和盐津变电所谐波电压远远大于其他两 个所，电压总谐波畸变率分别为6 5 6 和5 7 5 ，这与电网的供电能力有 关，前面提到铜鼓溪和盐津变电所处于云南昭通电网的末端，比起横峰和 绥中北变电所，其电网的供电能力较弱，铜鼓溪变电所较盐津变电所所处 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 情况更差些，所以其电压总谐波畸变率也要略高些。由表2 - 5 中可以看到 铜鼓溪、盐津变电所5 次谐波电压比其它次数的谐波电压高出很多，这说 明电网有可能发生了5 次谐波放大现象，文献 1 3 曾经提到在电网负荷低 谷时段时切除部分电容器组，5 次谐波电压含有率的最高值由5 3 9 减少 到2 6 8 。结合图2 1 ( d ) 和图2 2 显示绥中北变电所的谐波电压的变化 趋势与基波电压变化趋势基本一致，其他几个所也是类似情况。由图2 一l 可以看出j 在负荷低谷时段且变电所处于空载状况，谐波电压变化的频度 很小，由上述分析可知此时的谐波源主要是变压器。 2 2 2 2 不同负荷状况下的谐波电压对比 横峰变电所全天处于空载状况，那么此数据记录的谐波电压就全为电 网中的背景谐波，表2 - 6 统计了谷负荷和峰负荷谐波电压对比的情况。 表2 - 6 横峰变电所谷负荷和峰负荷谐波电压情况对比( a 相) 负荷 t h d u ( )h r u 3 ( ) h 戏5 ( )h 戏7 ( ) 9 5 9 5 9 5 9 5 情况平均值平均值平均值平均值 大值 大值大值大值 谷负荷1 4 7 91 2 9 60 1 7 10 0 9 0 1 2 1 11 0 3 00 9 2 80 7 2 4 峰负荷 1 2 7 10 8 4 3o 1 9 70 1 0 71 1 2 40 5 9 90 7 1 10 4 6 5 由图2 - 1 ( c ) 横峰变电所在谷负荷时电压总谐波畸变率畸变率明显 高于峰负荷时，表2 - 6 统计了横峰变电所谷负荷时电压总谐波畸变率畸变 率平均值要比峰负荷高了6 0 ，而9 5 概率大值相差不大，这主要是因为 在2 0 时至2 2 时这个时段是居民用电高峰，尤其是电视机、洗衣机等家用 电器用电高峰，这些众多家用电器也会产生可观的谐波。 2 2 2 3电网负荷低谷时段的电压水平 电网在空载或轻载情况下，其末端电压会升高，表2 7 统计了各个变 电所在电网负荷低谷时段电网电压的情况。 表2 - 7 变电所谷负荷时a 相基波电压统计情况 变电所名称 铜鼓溪盐津横峰绥中北( 单相) 基波平均值( k v ) 7 0 7 47 1 4 31 3 5 3 82 3 3 9 9 超出额定电压( ) 1 1 3 8 1 2 4 7 6 6 16 3 6 由表2 - 7 可以看出，电网电压在负荷低谷时段时都有不同程度的升 高，其中1 1 0 k v 电网铜鼓溪、盐津两个变电所均超出额定电压的1 0 ，2 2 0 k v 电网的两个所超过额定电压的6 ，可见负荷低谷时段时电网电压抬升比 较大，尤其是在小电网中。而且如果线路中存在未切除的补偿电容，那么 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 会进一步加剧网压的升高。 2 2 2 4 不同相序的谐波电压比较 铜鼓溪、盐津变电所在电网负荷低谷时段各个相序的5 次谐波电压含 有率示意图如图2 - 3 所示。 ( b ) 图2 - 3 各相5 次谐波电压含有率趋势图( a ) 铜鼓溪( b ) 盐津 如图2 - 3 所示，铜鼓溪和盐津两个变电所的b 相5 次谐波电压要高于 其他两相。我国大部分输配电的变压器都选用三相三柱式变压器，三个芯 柱的磁路长度不等，边上两相的磁路还要包括上下铁轭的长度，三相磁路 不对称，这就导致b 相的励磁电流与其他两相不一致，正常情况下，b 相 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 励磁电流要小于其他两相。其各次谐波电流也会有较大差异，这与磁路的 不对称性大小有关系。 由上面分析可以得知，在电网负荷低谷时段，谐波电压过高的问题不 容忽视，这种情况在小电网尤为突出，这时电网中的主要谐波源为变压器， 变压器产生的谐波电流影响电网谐波电压大小，现代变压器考虑经济运 行，设计在额定电压时的磁密已接近磁化曲线的拐点，电网在这种方式运 行下，就要考虑变压器铁芯的非线性特性，此时变压器已经工作在饱和区 域，其谐波电流较正常工作时增大许多，同时电网的结构参数也可能对谐 波电压起到放大作用。变压器产生的谐波电流的大小与变压器铁芯的饱和 程度有关，而电网电压和变压器额定电压下选取的磁密直接影响着变压器 工作时铁芯的饱和程度，文献【1 4 】提出电源电压由额定电压提高到1 1 倍 额定电压时，电网中各次谐波电压都有很大程度的增加，约为在额定电压 下的2 5 3 倍，当将变压器的膝点由原来的阢= 1 2 0 p u 变封沙。= 1 3 0 p u 时，5 次谐波电压和7 次谐波电压大幅度削弱，7 次谐波电压可以忽略， 而三次谐波电压没有什么变化，可见这两个因素对电网的谐波电压的影响 很大。对于三次谐波，不仅与上述两个因素有关，与变压器的结构和接线 类型也有一定关系。同时也要考虑含有较大谐波电压对变压器的励磁电流 的影响。 2 3 本章小结 本章主要介绍了国内外电网谐波电压标准，然后对四个变电所的测 试数据进行了统计分析，提出了电网负荷低谷时段谐波电压过高( 已经超 出国标) 的现象，这种现象已经不能忽视，尤其是在小电网中，对此，本 文接下来就是对电网在负荷低谷时段谐波电压过高的问题进行计算机仿 真。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 第3 章变压器非线性模型 在上_ 章提出，在电网负荷低谷时段变压器已经成为一种不可忽视的 谐波源，这时对其分析必须要充分考虑铁芯的的磁化特性，对其进行计算 机仿真