（电力电子与电力传动专业论文）牵引系统中负序电流的计算与分析.pdf

a b s t i t a c t a b s t r a c t 、) l h e nt h ee l e c t r i cl o c o m o t i v em o v e si nt h ep o w e rs y s t e m ，i tw i l lp r o d u c ea n e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t t h en e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n tw i l lt h r e a tt h ee l e e t r i z a t i o n r a i l w a ya n dt h ep o w e rs y s t e ms e c u r i t yo p e r a t i o n i no r d e rt oo f f e rt h et h e o r yb a s i sf o r t h ea t t e m p e rd e p a r t m e n ta n dt h ep o w e rd e p a r t m e n tt or e d u c et h en e g a t i v es e q u e n c e c u r r e n t ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h em e t h o d so fc a l c u l a t i o n , d e t e c ta n dc o m p e n s a t i o n p r i m a r i l y f i r s to f a l l ，t h ep a p e ra d o p t st h es y m m e t r i c a lc o m p o n e n tm e t h o dt oc a l c u l a t et h e n e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t , w h i c hi s i m m i t e di n t ot h ep o w e rs y s t e mf r o mt h e t r a c t i o n t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n s e c o n d l y , t h ep a p e ro p t i m i z e st h en e g a t i v es e q u e n c e i m p e d a n c em a t r i xa r i t h m e t i c ，a n da d o p t st h en e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n td i s t r i b u t i o n c o e f f i c i e n tm e t h o dt oc a l c u l a t et h en e g a t i v e s e q u e n c e c u r r e n tv a l u eo fe a c h s u r v e i l l a n c es p u rt r a c k t h i r d l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e so n ek i n do ft h en e wn e g a t i v e s e q u e n c ec u r r e n td e t e c t i o nm e t h o dw i t h o u tp h a s e - l o c k e dl o o p ，a c c o r d i n gt o t h e t h r e e p h a s ec i r c u i ti n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r , a n da n a l y s e st h ec a l c u l a t i o nm e t h o d o ft h en e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n tc o m p e n s a t i o n f i n a l l y , t h ep a p e ra n a l y s e st h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ec o m m o nm e t h o d st h a ti su s e dt or e d u c et h e n e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n tf r o mt h ee l e c t r i f i e dr a i l w a ya n dp o w e rs u p p l ys y s t e m s a s p e c t s t h i sp a p e ra d o p t st h em a t l a b 6 5s o f t w a r et os i m u l a t ea n a l y s i st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ec u r r e n ta s y m m e t r yv a l u ea n dt r a c t i o nc u r r e n tu n d e rd i f f e r e n tt r a c t i o n t r a n s f o r m e r , a n df i n dt h eb e s tr u n n i n gw a yo fe l e c t r i cl o c o m o t i v e t h i sp a p e ra d o p t s m a t i a b 6 5s o f t w a r et os i m u l a t ea n a l y s i st h en e wn e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n td e t e c t i o n m e t h o da n dt h ea c c u r a c yo fe t e c t i o nm e t h o di sp r o v e d t h eh i 【g he f f i c i e n c yo f n e g a t i v es e q u e n c ei m p e d a n c em a t r i xo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi sp r o v e db yo n ea c t u a l e x a m p l e t h ec o r r e c t n e s so fn e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n tc a l c u l a t i o nm e t h o di sp r o v e d b yt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fn e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n tm e a s u r e dd a t aa n d c a l c u l a t e dv a l u e s c o r r e c t t h i sp a p e ra l s oa n a l y s e st h ef e a s i b i l i t ya n dt h el i m i t a t i o n so f t h ec o n l l l l o nm e t h o d st h a ti su s e dt or e d u c et h en e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t k e yw o r d s ：e l e c t r i cl o c o m o t i v e ，n e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t ，c a l c u l a t i o n ，d e t e c t i o n c o m p e n s a t i o n i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，沦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 为获得直昌太堂或其他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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：叙书。轾字日期：函茹降胡如日 i o 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全 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 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到 i 国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：叩年煳堋 剔磁轹帆 辩嗍：父日 j 、 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题背景及意义 随着国民经济的快速发展，铁路运输能力与运输需求之问的矛盾日益突出， 成为制约社会经济发展的瓶颈。为了提高铁路运输速度及载重能力，牵引方式 的选择尤为重要。与传统的蒸汽机车或内燃机车牵引方式相比，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。 对高速铁路、快速铁路、运煤专线、繁忙干线及大坡道、长隧道、高海拔地区 干线铁路实现电气化，在技术上、经济上均有明显的优越性。因此，电气化铁 路己成为世界各国铁路现代化的重要标志。世界各国铁路发展的实践证明，铁 路电气化不仅是提高铁路运输能力、改进铁路运营的最有效途径，也是合理利 用资源、保护生态环境的最佳选择。 铁道部“十一五”规划中指出：“十一五”期间，铁路建设新线1 9 8 0 0 公里。其 中，既有线的电气化改造1 5 0 0 0 公里。2 0 1 0 年全国铁路营业里程达到9 5 万公 里，电气化比例达到4 5 以上。在提速主要干线，实现时速2 0 0 至2 5 0 公里动 车组、时速1 2 0 公里货车、双层集装箱列车共线运行，列车最小追踪间隔5 分 钟。研究开发轴重2 5 吨及以上的新型重载货车，及载重1 0 0 吨的专用货车。“十 一五”期间，铁路快速客运专线网络和各大区域之间，大能力货运通道网络初步 形成，快速货运网络初步建成，东部铁路基本实现现代化。由此可见，电气化、 高速、重载是铁路发展的必然趋势。 随着电气化铁路运行速度和载重能力的不断提高，负序电流对电网的影响 也越来越受到关注。电力机车作为单相移动、幅值频繁变化的大功率非线性整 流负荷，正常运行时将会引起电力系统三相不对称而产生较大的负序电流。如 不及时地采取措施加以治理，将对电气设备及电力系统的安全经济运行造成严 重的威胁。实际运行中，由于受到负序电流的影响，己发生多起电力系统大面 积停电、中小型发电机转子损坏、继电保护误动等事故，严重扰乱正常的运输 秩序，造成巨大的经济损失和社会影响 q 1 2 】。 为了降低和限制负序电流对电气化铁路及电力系统的影响，准确地计算分 析负序电流值与牵引臂牵引电流值的关系，以及负序电流的检测与补偿方法， 第1 章引言 为机车调度部门和电力部门提供参考依据，使其采取相应的措施将电力机车产 生的负序电流控制在合理范围内，保证电力机车及电力系统安全运行将是非常 必要的。本文所研究的“牵引系统中负序电流的计算与分析”，正是针对这一目的 而进行的。 1 2 目前研究现状 为了精确计算负序电流在电力系统中的分布，理论上可采用不对称潮流计 算方法。但其存在计算量大、分析复杂，所需参数多等缺点1 3 l 【4 】。目前计算单个 牵引变电所所产生的负序电流值，常采用对称分量法，该方法具有计算简单和 分析方便的优点【5 l 。计算监视支路上负序电流值，多以形成节点负序阻抗矩阵来 计算，如文献【6 】。该方法计算过程比较繁琐，如果需要重新计算校核运行方式 改变后的负序电流，多个参数需要改变，计算量大。此外，该方法采用简单的 叠加法来求监视支路的负序电流，没有考虑不同负序注入点的负序电流具有不 同的相位，存在较大的计算误差。 在负序电流的检测过程中，负序电流的采样尤为重要。目前负序电流的采 样方法主要有：负序电流滤过器法【7 】【引、对称分量法【9 l 、基于瞬时无功功率理论 的p 、q 法、i ”i q 法、d 、q 法等( 1 0 l 【l l 】【1 2 】。其中，以基于瞬时无功功率理论的i p 、 i 。法最为成熟。基于序滤过器的负序电流检测法，需要经过电流互感器、保持器、 滤波器、a d 转换器等硬件电路，其存在硬件电路复杂，检测精度不高，易受环 境影响等缺点：基于对称分量法的负序电流检测法，需要对被测电流进行频率 跟踪，其存在电路结构复杂，易受器件精度影响等缺点；为了得到与电网电压 同相位的单位正弦、余弦信号，基于瞬时无功功率理论n i p 、i q 检测法，需要增 加锁相环电路，其存在结构复杂，设计和调试难度增大等缺点。 本文拟采用对称分量法，来计算单个牵引变电所所产生的负序电流值；采 用负序电流分配系数法，来计算监视支路的负序电流值。负序电流分配系数法 计算简单、灵活性强、适用于多种运行方式。其所采用的均方根值法，通过迭 加求负序电流值，使计算结果更加接近实际值。对于负序电流的检测，本文拟 采用基于瞬时无功功率理论的无锁相环的站、i q 法。该方法由于减少了锁相环电 路，使检测电路更加简洁，并可以使该方法避免电网频率偏移的影响，从而使 检测更加灵活方便，具有很强的实用性和普遍的适用性。本文在瞬时无功功率 第1 章引言 理论的基础上，推导出三相电网的负序电流综合补偿导纳的检测方法，与相量 法相比，该方法具有检测速度快和易于实现等优点。 1 3 本文主要工作 本文所做主要工作如下所示： ( 1 ) 对电气化铁路所产生负序电流的特点，以及其对电力系统的影响进行探 讨： ( 2 ) 对单个牵引变电所所产生负序电流的计算方法迸行初步研究，并对影响 负序电流值的因素进行分析： ( 3 ) 对监视支路上负序电流值的计算方法做初步研究，并用实例来验证该方 法的正确性； ( 4 ) 对负序电流的检测与补偿方法进行改进，并对其进行仿真分析； ( 5 ) 对国内外治理负序电流的措施和存在的问题进行对比分析。 第2 章牵引系统中负序电流对电力系统的影响 第2 章牵引系统中负序电流对电力系统的影响 2 1 牵引供电系统概况 我国电气化铁路牵引供电系统采用单相工频交流制，其主要由牵引供电电 网、牵引变电所、分区亭及电力机车等部分构成，如图2 1 所裂1 3 j 。牵引变电所 的高压侧受电于1 1 0 k v 或2 2 0 k v = 相高压交流电，通过牵引变压器将其转换为 2 7 5 k v 单相工频交流电，送到铁路上空的接触网。电力机车利用车顶上的受电 弓从接触网获得电能，牵引机车运行。牵引供电系统在两个牵引变电所供电臂 相汇处设立分区亭，分区亭由开关组成，正常时开关断开，两个供电臂各自由 相应的牵引变电所供电，列车靠惯性通过分区亭。当一个牵引变电所失去电源 时，分区亭开关闭合，临时向停电的供电臂供电。 牵弓 l1 0 州2 2 0 e 啄统电源 图2 1 牵引供电系统结构图 2 1 1 牵引供电系统运行方式 目前我国电气化铁路均采用单边供电，其主要有五种供电方式【1 4 j 【1 5 】：直接 ( t r ) 供电方式、吸流变压器( b t ) 供电方式、自耦变压器( a t ) 供电方式、直 供+ 回流( d n ) 供电方式和c c 供电方式。 其中，t r 供电方式主要用于早期电气化铁路。以牵引供电系统自身的电压 损失、输送功率能力等性能为参考，a t 供电方式和c c 供电方式最好，d n 供电 方式次之，b t 供电方式最差；以牵引网及其设备投资为参考，d n 供电方式最少， b t 供电方式较高，a t 供电方式更高，c c 供电方式最高；以防护效果为参考， a t 方式优于b t 和d n 方式。随着通信技术的快速发展，光缆的普遍应用，通信设 施及无线电装置自身的防干扰性能大为增强，考虑到接触网的运行可靠性对电 气化铁路的安全运行至关重要，所以通常认为，一般情况下d n 供电方式为首选， 4 第2 章牵引系统中负序电流对电力系统的影响 在电力系统比较薄弱的地区，经过经济技术比较，可采用a t 供电方式，b t 供电 方式则尽量少采用或不采用。 2 1 2 系统电源电压等级 目前我国电气化铁路系统电源电压，通常采用1 i o k v 等级，2 2 0 k v 等级也有 采用，如哈大线【1 6 1 。与1 1 0 k v 等级供电相比，2 2 0 k v 等级供电具有以下优点： ( 1 ) 提高送电能力 限制输电网送电能力的因素有四个方面：导线发热、电压损耗、功率和能 量损耗、稳定破坏，其均由电流引起。当输送功率一定时，输电电压越高，电 流越小，线路电压损耗、能量损耗及相对电压波动也越小，有利于改善运营指 标，提高输电能力。 ( 2 ) 增强负序承受能力 与1 1 0 k v 侧相比，2 2 0 k v 便i j 各支路( 电厂和负荷) 更多，使牵引负荷距离小容 量发电机更远，从而将负序电流进行更多支路的分流，减小了敏感支路中的电 流，有效抑制负序电流的影响。2 2 0 k v 级短路容量一般在2 0 0 0 m v a 4 0 0 0 0 m v a ， l l o k v 短路容量为8 0 0 m v a 2 5 0 0 m v a ，系统短路容量的增大，使负序电压相对 值变小，改善了负序电压影响。 综上所述，由于2 2 0 k v 等级具有技术性能好，综合技术经济指标高的优点， 因而越来越引起重视，是今后发展的趋势。 2 1 3 牵引变电所 牵引变电所的主要任务，是将电力系统三相电压降低，同时以单相方式输 出，其功能由牵引变压器来实现。牵引变压器是按铁路牵引供电系统的特殊要 求设计和生产的，应满足牵引负荷变化剧烈、外部短路频繁的条件，是牵引变 电所的“心脏”。 目前，国内常用的牵引变压器主要有三类 1 ：单相牵引变压器( 纯单相接 线和v 接线) 、三相双绕组变压器( y 1 1 接线) 、平衡变压器( 三相- - 相斯科特变压器和阻抗匹配变压器) 。其中，2 2 0 k v 电压等级目前只能采用单相 牵引变压器。 2 1 4 牵引负荷 电力机车作为电气化铁路的最终牵引负荷，其主要通过将从接触网获得的 第2 章牵引系统中负序电流对电力系统的影响 高压单相交流电能，经过变压器降压和整流器整流后，输出低压直流电来牵引 机车运转。目前，国产主型电力机车为s s ( 韶山) 型，其中s s i 、3 、4 、6 、6 b 、 7 和7 b 型均为客货两用型电力机车，s s 7 c 、7 i ) 、7 e 、s s 8 、s s 9 型以及d j 型( 交 一直一交) 为客运电力机车。图2 2 为韶山- 4 型机车的电力原理副1 8 】。 图2 2 韶山4 型机车电力原理图 韶山_ 4 型机车由两个相同的部分组成，每个部分都有8 个车轮，其中有2 个负重轮，每个负重轮由2 个容量为6 0 0 k w 的直流牵引电机驱动。通过控制 t 1 一t 6 通断，可以产生合适的电压和电流以满足机车调速的需要。电力机车牵 引负荷主要具有以下特点： ( 1 ) 随机波动性 主要是负荷电流大幅度剧烈波动，一般电力机车的电流很难保持3 0 s 平稳不 变，有时甚至在短时间内突然由0 变为满负荷或相反。负荷的波动使牵引变电 所牵引网上的电压发生波动，还使牵引供电设备的容量利用率变低： ( 2 ) 非线性 我国大部分使用的是交一直( a c d c ) 型电力机车，即用于牵引电机的直流电 是经交流电全波整流得到的，牵引负荷是非线性负荷； ( 3 ) 单相独立性和不对称性 在正常电网电压范围内，可认为牵引变电所各供电臂的电流具有单相独立 性；相对三相电力系统而言，牵引负荷具有不对称性，主要表现在单相独立的 牵引负荷独立地在电力系统中造成负序，即使使用三相一两相平衡接线，由于 两臂负荷的随机独立性，也仍有随机波动的未被平衡的剩余负序电流进入电力 系统，造成不良影响。 总之，电力机车是随机波动的非线性的大功率单相整流负荷，相对于三相 电力系统而言具有不对称性，将产生负序电流，威胁到电力系统的安全运行。 6 第2 章牵引系统中负序电流对电力系统的影响 2 2 负序电流的特点 2 2 1 波动性大 电气化铁路负荷是单相、移动、幅值频繁剧烈变化的特殊负荷，每天按列 车运行图运行。无论是分析国内实测资料还是参考国外有关文献，电气化铁路 日波动负荷的特征是非常明显的。形成这种日波动负荷与线路情况、机车类型 与操纵、机车速度、牵引重量及运行图等多种因素有关，具有很大的波动特性。 因此电气化铁路负荷不同于一般的持续电力负荷，是一种典型的日波动负荷。 这种负荷所产生的负序电流时大时小，也是快速波动的。 2 2 2 污染整个公用电网 通过负序网络分析，负序电流造成的负序电压压降，其值在负荷点最大， 越接近电源越小。从这种效果上看，可以把单相牵引负荷看成是一个负序电流 源，它向电源方向输送负序电流，其注入点在牵引变电所的高压侧。 负序电流的频率与正序电流的频率一样。因此，一旦负序电流进入电力系 统就无法将其过滤掉，负序电流将顺着电力网络流向系统中的所有发电机和电 力用户，整个电网的各个角落都将会受到其污染。 2 2 3 与污染源的距离有关 经过详细计算表明，距离污染源越近的地方，受到的污染越严重。以发电 机为例，当一列火车运行到百色路段时，机车所发出的负序电流有2 7 6 注入电 气距离较小的澄碧河电厂，而注入电气距离较大的洛东、拉浪、合面狮、京南、 昭平、麻石、天湖等电厂的负序电流分别只有总负序电流的0 1 5 ，o 0 9 ，0 0 5 ， o 0 9 ，o 0 9 ，0 1 6 ，o 0 5 【1 9 1 。 2 2 4 与容量有关 同上例，列车运行到百色路段时，注入大化电厂、柳州电厂、岩滩电厂、 来宾电厂、天生桥二级、合山电厂、西津电厂的负序电流分别达到总负序电流 的2 5 7 ，2 8 2 ，1 0 1 6 ，2 6 8 ，1 0 8 3 ，2 0 ，1 4 2 。但注入洛东、拉浪、合面狮、 京南、昭平、麻石、天湖等电厂的负序电流分别不到总负序电流的0 2 。 7 第2 章牵引系统中负序电流对电力系统的影响 2 2 5 仅在负序网络内流动 负序电流只在负序网络内流动，因而负序潮流分布取决于负序网络阻抗而 与正序网无关。 2 2 6 与电网的运行方式有关 电网在合环运行或开环运行时的负序潮流是不一样的，因而其危害的对象 和程度也就不同。 2 2 7 与列车运行方式有关 同相别的列车负序电流互相叠加，不同相别的列车负序电流互相抵消。所 以，列车的运行方式对电力系统的负序污染程度的影响是各不相同的。 2 2 8 与牵引变压器接线方式有关 牵引变电所采用单相接线变压器，其牵引负荷在电力系统中引起负序电流 大小与正序电流相等。并且都等于牵引负荷电流的o 1 4 4 倍。 采用单相v 接线变压器，当两个方向的牵引负荷相等时，其牵引负荷在电 力系统中引起的负序电流为正序电流之半。当两侧牵引负荷不相等时，两侧牵 引电流之差的绝对值越大，其负序电流就越大。 采用三相y 接线变压器，其牵引负荷在电力系统中引起的负序电流为正 序电流之半。 采用s c o t t 接线或平衡变压器接线，当两侧牵引负荷相等时，其牵引符合在 电力系统中引起的负序电流为零。 2 3 负序电流对电力系统的影响 2 3 1 负序电流对同步发电机的影响 在电力系统中，当三相电流平衡时，发电机定子的三相电流所产生的旋转 磁场与转子转速相同，均为同步转速，而且方向也一样，故定子旋转磁场与转 子旋转磁场相对静止。此时，发电机转子励磁绕组中只有正常的励磁电流。 当三相电流不平衡时，发电机定子的三相电流所产生的旋转磁场与转子转 速相同，均为同步转速，但方向与转子的旋转方向相反，相对于转子而言，转 速为同步转速的2 倍。这种负序旋转磁场以2 倍的速度直接扫过转子绕组和转子 第2 章牵引系统中负序电流对电力系统的影响 本体表面，从而在转子励磁线圈、阻尼线圈及转子本体中感应出2 倍同频率的电 势，并引起涡流，将对同步发电机产生以下的影响 2 0 1 ： ( 1 ) 导致出力下降 单相牵引负荷引起发电机的不对称运行，从发电机的安全运行考虑，其每 相电流均不应超过额定值，因此实际上限制了发电机的出力，否则将超过额定 温升； ( 2 ) 产生附加振动 当负序电流流经发电机时，其负序电流产生的负序旋转磁场，以同步转速 的两倍速度切割转子，产生负序同步转矩，使发电机产生附加振动： ( 3 ) 造成附加损耗 由于漏磁通，使定子槽内导线中的电流产生集肤效应，引起定子绕组的铜 的附加损耗，在定子端接部分使端盖板和压环中产生涡流，而产生附加损耗； ( 4 ) 引起转子表面发热 涡流将引起励磁线圈、阻尼线圈及转子其它部分的附加发热，产生额外的热 量和能量损失。同时，由于负序旋转磁场感应出来的电流频率高，集肤效应较为 严重，这个电流极不容易渗透到转子的深处，而集中在转子本体和各个部件的表 面。负序旋转磁场在转子方面所感应出来的2 倍工频环流，直接越过汽轮机转子 的槽楔与齿，以及槽楔和齿与护环的许多接触面。而这些地方的接触电阻较高， 可能出现局部高温现象，会降低转子部件金属材料的强度和线圈绝缘强度。 2 3 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。例如当负序电压达5 时，电动机出力将降低l o 1 5 ；负序电压达7 时，则出力降低达2 0 2 5 。 因此，负序电压对异步电动机的影响是很大的，可以引起电动机的额外发热、 破坏其正常工作、减小出力、降低寿命【2 1 1 。 2 3 3 负序电流对继电保护装置的影响 负序电流干扰继电保护和自动装置的负序参量启动元件，使它们频繁误动 9 第2 章牵引系统中负序电流对电力系统的影响 作。其中距离保护的负序振荡闭锁装置误动作后，除了作用于触发声光报警信 号外，尚可能产生以下后果之一【2 2 j ： ( 1 ) 当电气化铁路负序电流信号作用时间较长时，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，线路在当时失去保 护： ( 2 ) 当电气化铁路负序作用于解除振荡闭锁后，如系统又立即发生振荡，则 使保护误动作而触发跳闸，切断线路； ( 3 ) 自动故障录波装置的负序启动元件的误动作，导致无故障记录而浪费记 录胶卷。在频繁误动时，可以因未能及时装好新胶卷，而导致发生故障时无记 录。 2 3 4 负序电流对电力变压器的影响 负序电流造成三相电流不对称，因而电力变压器三相电流中有一相电流最 大，而不能有效发挥变压器的额定出力( 变压器容量利用率下降) 。此外，还造成 变压器的附加能量损失，在变压器铁芯磁路中产生附加发热。 2 3 5 负序电流对输电线路的影响 负序电流流过输电线路时，负序功率实际上并不做功，而只造成电能损失， 增加了网损，降低了送电线路的输送能力。 2 4 本章小结 本章主要介绍了牵引系统的概况，并分析了负序电流的特点以及负序电流 对电力系统所造成的影响。到目前为止，由于受到负序电流的影响，已发生多 起电力系统大面积停电、中小型发电机转子损坏、继电保护误动等事故，造成 巨大的经济损失和社会影响。随着国家电气化铁路建设的快速发展，负序电流 对电力系统的影响将更为严重，为了限制和降低负序电流对电力系统的影响， 有关部门必须计算分析负序电流在电力系统中的分布规律，采取相应措施降低 和限制负序电流，使之控制在合理范围之内。 i o 第3 章牵引变电所负序电流的计算与分析 第3 章牵引变电所负序电流的计算与分析 为了确定电气化铁路所致负序电流对电力系统的影响程度，首先需要定量 计算电力机车运行时，经牵引变电所注入电力系统的负序电流值。此负序电流 值与牵引变压器的结线方式有直接关系，故以下对我国目前电气化铁路常采用 的三类牵引变压器结线方式，逐一进行基波负序电流的计算与分析。 3 1 单相牵引变电所 目前单相牵引变电所所用牵引变压器，主要有纯单相接法和v 接法两种。 下面，分别对此两种不同接线方式下，负序电流的计算方法进行推导分析。 3 1 1 纯单相牵引变电所 纯单相接线牵引变电所，目前主要应用于2 2 0 k v 电压等级的高速电气化铁 路。其高压侧接于电网两相之间，对三相对称的电力系统来说，电力机车牵引 负荷具有非线性、不对称和波动性的特点，将产生负序电流注入电力系统。其 接线原理及相量关系，分别如图3 1 1 2 3 1 和图3 2 所示。 且 莩 a b c 兰垒 图3 1 纯单相牵引变压器的接线原理图 u c u a c 图3 2 纯单相牵引变压器相量关系 第3 章牵引变电所负序电流的计算与分析 在图3 2 中，l 为牵引变电所低压侧牵引电流，其滞后电压的角度为； 为左牵引臂牵引电流，其滞后电压吒的角度为吃；为右牵引臂牵引电流， 其滞后电压的角度为。以为参考向量，则有： 侄：z 伍， 艺= t + = l p ，( 一一( 3 2 ) 设牵引变压器的变比为k ，则变压器高压侧电流为： l ， ib 厶 1 k l 。 0 一i 。 由对称分量法【2 棚可求出高压侧a 相的正序电流和负序电流分别为： 式中， 眯睇 i i8 i c ( 3 3 ) ( 3 4 ) 将式( 3 1 ) 、式( 3 2 ) 、式( 3 - 3 ) 、式( 3 5 ) 代入式( 3 4 ) 得l 的正序、负序电流分别 阱砒筹= ： = 础z 嚣捌 通常情况下，可认为z ，故式( 3 6 ) b 1 1 ： 阱础嚣= b 乃 1j 矿口 第3 章牵引变电所负序电流的计算与分析 正序、负序电流的有效值分别为： ：上 【l z j , i l k 【 l 2 + 厶2 + 2 9 9 c o s ( 纯一) 厄甬再瓦再面再万 * 上, i l k 阮绷 s ， 一l lj 6 ， l ( l + 厶) j 、7 此时，电流不对称度s 为： 占：垒：1 ( 3 9 ) 匕 、。 由式( 3 9 ) n - j 知，在纯单相牵引变电所中，牵引负荷在电网中引起的负序电流 与正序电流相等，电流不对称度为1 。 由图3 1 可知，由于纯单相接线变电所低压侧两个供电臂的电压为同相，故 接触网电分相数目少，对速度影响小，给电力机车运营带来极大方便。该变电 所的不足在于供电臂两侧电流汇集至同一母线，母线电流大大增加，造成母线 等变电所设备容量过大均不易选型；此外，该变电所所产生的负序电流较大， 对电力系统短路容量要求高，负序治理困难。 3 1 2v 接线牵引变电所 v 接线牵引变电所接线原理图如图3 3 所示【2 5 1 。其一次侧接三相电网，二 次侧c 相端子接钢轨，a 相、b 相端子接左、右牵引接触网，分别向各自的供电臂 供电。当其中一个供电臂的负荷为零时，其牵引网的电流关系就与纯单相牵引 变压器的接法时完全相同，即负序电流与正序电流相等。 l i b i c 1 l 2 j-j 图3 3 单相牵引变压器v ，v 接线原理图 图3 4 为v ，v 接线牵引变压器相量关系图。 a b c 第3 章牵引变电所负序电流的计算与分析 图3 4v 接线牵引变压器相量关系 以【么为参考矢量，则a 、b 供电臂上机车的负荷电流分别为： 卜和删喝( 3 1 0 ) k = 厶p 啊 为了推导计算牵引变压器高压侧所产生的负序电流与低压侧左、右牵引臂 牵引电流的关系，本文分以下三种情况加以讨论： ( 1 ) 当仅有a 供电臂有机车时 当仅有a 供电臂有机车时，牵引变压器高压侧三相电流分别为： l 。 i i c ， 1 k l p ( 酽一儿) o l p ( 舻一) 根据对称分量法可知，当仅有a 供电臂上有机车， 引变压器高压侧a 相产生的i f _ 、负序电流分别为： 盼础= ( 3 1 1 ) 负荷电流为l 时，在牵 ( 2 ) 当仅有b 供电臂有机车时 当仅有b 供电臂有机车时，牵引变压器高压侧的三相电流分别为 i n i 髓 l c b= 酬 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 根据对称分量法可知，当仅有b 供电臂上有机车，负荷电流为厶时，在牵 引变压器高压侧a 相产生的三相负序电流为： 第3 章牵引变电所负序电流的计算与分析 褂去 描 ( 3 ) 当两供电臂均有列车时 当a 、b 供电臂均有机车时，在牵引变压器高压侧所产生的负序电流为式 ( 3 1 2 ) 、( 3 1 4 ) 蝗迭挚，即： 州筻：绪去 鬻二翟 n 其幅值为： ， m ：士l ! 兰：垒：型竺坠二坠! l ( 3 。6 ) 瓜ix102+b2+210beosopb-。pa+120。)l v 。“ f l q 式( 3 1 6 ) n - 女f l ，低压侧两供电臂负荷电流的大小和功率因数角都会影响到 牵引变压器高压侧的负序电流。 占：丘：监；丝兰! 丝型丝：丝兰! 丝( 3 1 7 ) i n 0 l ：+ i + 2 i o i hc o s g o b 一妒3 为了进一步分析电流不对称度与低压侧左、右牵引臂牵引电流的关系，本 文分以下三种情况加以讨论： ( 1 ) 当低压两侧负荷阻抗角相等，电流幅值不等时 当低压两侧负荷阻抗角相等，电流幅值不等时有： j 纯2 纯( 3 1 8 ) 【。j 将式( 3 1 8 ) 代入式( 3 17 ) 可得： 占：巫互互： i ，+ ib 由于l 、厶均大于o ，根据不等式的性质得： ( l + 厶) 2 4 m j 。i 而3 1 ai 硒3 1 0 1 6 = 3 4 1 故： 鹾 ( 3 1 9 ) 毛 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 第3 章牵引变电所负序电流的计算与分析 当l 厶时，设： l = m 5 ( m 0 ，且m 1 ) 此时： f j 鬲 = m + 1 应用m a t l a l r i 5 软件画出s m 曲线如图3 5 所示。 ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) 图3 5 低压两侧负荷阻抗角相等电流幅值不等时 由图3 5 可知，当低压两侧电流完全相等时，电流不对称度为最小值0 5 ，当 两侧电流其一为零时，电流不对称度为最大值l 。 ( 2 ) 当低压两侧电流相等，负荷阻抗角不等时 当低压两侧电流相等，负荷阻抗角不等时有： ， ( 3 2 4 ) l 口= 0 6 将式( 3 2 4 ) 代入式( 3 1 7 ) 可得： 一l 2 一l 2 + 厶2 + 2 1 0 l bc o s ( q , 。一一1 2 0 “一, 1 + c o s ( 纯一- 1 2 0 0 ) 6 一一一= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = r 一一1 = = = = = = = = = = = 一 l l l 2 + 厶2 + 2 l , , i b c o s ( 纯一讫) 1 + c o s ( c o 一) 将a 侧的负荷阻抗角纯取某个固定值，令b 侧的负荷阻抗角纯在一9 0 0 + 9 0 0 之间变化a 设曲线1 对应于l = 厶，纯= - 3 0 0 ；曲线2 对应于l = 厶，纯= 0 0 ； 曲线3 对应于，口= 厶，= 3 0 0 。曲线i 、2 、3 所对应的电流不对称度占的计算 公式，如式( 3 2 6 ) 所示。 第3 章牵引变电所负序电流的计算与分析 q = 毛2 踩”删 业警丝坐( l 纯= 0 0 ) ( 3 2 6 ) 、i + c o s 纯 毛：坐型祟竺( 1 口呜亿_ 3 0 。)6 1 一；= = = = = = = = = 一n 一 ，v 一j uj x l + c o s ( 3 0 0 一体) 一。” 。 根据式( 3 2 6 ) 应用m a t l a b 6 5 软件，画出s 一纯曲线如图3 6 所示。 图3 6 低压两侧负衙电流幅值相等，阻抗角不等 由图3 6 可知，当一纯= 6 0 0 时，负序电流取最小值，即： l ：。了景l l 一厶1 2 0 ( 3 2 7 ) 此时， 气。= o( 3 2 8 ) 当一= 1 2 0 0 时，负序电流取最大值，即： l ：。了素l + 厶) ( 3 2 9 ) ( 3 ) 当低压两侧负荷阻抗角不相等，两侧电流不相等时 当低压两侧负荷阻抗角不相等，两侧电流不相等时有： l f o o * 厶* b ( 3 3 0 ) 将a 侧的负荷阻抗角纯取某个固定值，令b 侧的负荷阻抗角纯在- 9 0 0 + 9 0 0 之间变化。设曲线1 对应于厶= l ，见= 0 0 ；曲线2 对应于厶= 0 8 l ，纯= 0 0 ； 曲线3 对应于厶= 0 5 i o ，纯= 0 0 。曲线l 、2 、3 所对应的电流不对称度s 的计算 1 7 第3 章牵引变电所负序电流的计算与分析 公式，如式( 3 3 1 ) 所示。 毛=x臀1+cos(ob+1200)cl=厶，仍=。， 岛= 岛= ( l = 0 8 厶，纯= o o )( 3 3 1 ) 4125+eos(rpb+1200)。：o5厶，：o。) , 1 2 5 + c o s 谚b 。 根据式( 3 3 1 ) 应f f lm a t l a b 6 5 软件，画出s 一讫曲线如图3 7 所示。 图3 7 低压两侧阻抗角不等，负荷电流幅值不等 由图3 7 可知，左右牵引臂牵引电流幅值越接近，电流不对称度越小。 纯一纯= 6 0 0 时，负序电流取最小值。 由图3 3 可知，三相v v 接线牵引变压器在变电所位置需设置电分相，不利 于其利用机车再生能量，它的实际安装容量比单相牵引变压器要大。单供电臂 容量不宜大于7 5 m v a ，具有纯单相变压器的大部分优点，并且在超大容量时不 会给变电所设计带来困难，其负序影响为纯单相牵引变压器的一半。 3 2y 1 1 接线牵引变压器 电气化铁路y a 1 1 接线的牵引系统，如图3 8 所示【2 6 】。通常它由电力系统 的1 1 0 k v 电网获取电源，经牵引变压器降压至2 7 5 k v 后，再通过牵引网向电 力机车供电。其中，c 相与钢轨和大地相连，a ，b 两相分别接到两个供电臂上， 电力牵引负荷只接在低压侧的相和b c 相，因此具有明显的不对称性。 一 第3 章牵引变电所负序电流的计算与分析 图3 8 电气化铁道供电系统接线图 设a 供电臂的电流为i o ，功率因数角为( 滞后) ，b 供电臂的电流为厶， 功率因数角为( 滞后) 。牵引变压器低压侧电压、电流的相位关系，如图3 9 所示。 图3 9y 11 接线牵引变压器相量图 牵引变压器低压侧各绕组中的电流分布情况，如图3 1 0 所示。 ( a ) i a ：0 ( b ) i b = o 图3 1 0 牵引变压器低压侧各绕组中的电流分布 设三相绕组的阻抗相等，当l = o 时，b c 绕组中电流约为2 1 b 3 ，其它2 个绕组 中的电流约为i j 3 ，如图3 1 0 ( a ) 所示；当厶= o 时，舵绕组中电流约y q 2 1 0 1 3 ， 其它2 个绕组中的电流约为l ，3 ，如图3 1 0 ( b ) 所示。 根据以上分析，可求得牵引变压器低压侧三相电流为： 1 9 第3 章牵引变电所负序电流的计算与分析 屯 i ： = 暖驯 b s 2 ， 设牵引变压器的变比为k ，则牵引变压器高压侧对应的三相绕组电流为： l ib i c 压 足 l l h 乞 1 3 厂二 珈1 3m 1j 。3 3 以。为参考向量，则有： c = 吨( 3 3 4 ) 【厶= b e 叫伟 将式( 3 3 4 ) 代入式( 3 3 3 ) ，根据对称分量法可求出高压侧a 相的正序电流、负 序电流分别为： 阱去 搭黝 s s ， 正序、负序电流的有效值分别为： 降1 ：士1 ! 垒：垒：型竺竺二竺! i ( 3 ，。) l l ：j 血l 届i 币百面i 而l u 。w 由式( 3 3 6 ) 与式( 3 1 6 ) l = i ：较可知，v a 1 1 接线牵引变压器下所得正序电流、 负序电流与v 接线牵引变压器下所得正序电流、负序电流计算结果相同。故 电流不对称度以及电流不对称度与左右牵引臂牵引电流的关系也应相同。 在y a 1 1 接线牵引变压器中，当两供电臂牵引负荷的阻抗角相差6 0 0 时， 高压侧的电流不对称度可达最小值：实际运行时，变压器低压两侧的电力牵引 负荷是不断变化的，高压侧的三相电流和负序电流也将随之变化，表3 1 给出了 一组实测数据埘。 2 0 m 加加 pl 万i = 第3 章牵引变电所负序电流的