（电力系统及其自动化专业论文）电气化铁路导致电能质量问题的研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h e p r o g r e s s o fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h e r a p i d d e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y , t h ei s s u eo fp o w e rq u a l i t ya n ds u p p l ym o r e a n dm o r ec o n c e m e da b o u tt h eu s e r s ，w h i c ha r em o s ts e r i o u s l ya f f e c t e db y h a r m o n i c s ，o rw h e t h e ri ti st h ee l e c t r i c i t ys e c t o ru s e r s ，c a u s e db yh a r m o n i ct h e l o s si si m m e a s u r a b l e o nt h eo t h e rh a n d ，u n b a l a n c e dt h r e e p h a s ep o w e rq u a l i t yt o i n c r e a s et h ep o w e rs u p p l ys e c t o ra n dt h eu n n e c e s s a r yl o s so fc u s t o m e r s ，i n c r e a s e t h e i rb u r d e n i nt h i sp a p e r , m a k er e c t i f i e r , s i n g l e p h a s el a r g ef l u c t u a t i o n si nl o a da s i m u l a t i o nm o d e lo fe l e c t r i cl o c o m o t i v e ，a n dg i v et h es u p p r e s s i o nm e a s u r e s t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t so fp o w e rq u a l i t ya n dt h ev a r i o u s c o m p o n e n t so ft h ee l e c t r i cr a i l w a y t h e r eh a sab r i e fs t u d yo ft h es t a t u sa th o m e a n da b r o a d ，a n dt h e nc o m b i n e dw i t ht h ec u r r e n te l e c t r i cl o c o m o t i v em a d eb yt h e r e s e a r c hm e t h o d ss h a o - s h a n9p a r t so fe l e c t r i cl o c o m o t i v er e c t i f i e rs i m u l a t i o n m o d e l ，o nt h ec u r r e n ti n p u tf o u r i e rt r a n s f o r m ；o nt h i sb a s i sf o r t h ee l e c t r i f i c a t i o n o fr a i l w a yl i n e sc o n n e c t i n gp o i n t so ft h ep u b l i cc u r r e n tf o u r i e rt r a n s f o r m ，r e a c h e d t h er a t eo fh a r m o n i cc u r r e n td i s t o r t i o na n dh a r m o n i cc o n t e n t ，a n dr e l e v a n tn o r m s o ft h ec o u n t r yc o m p a r e dt or e a c hac o n c l u s i o n i na d d i t i o n ，t h ep r o p o s e di n c r e a s e i ne l e c t r i cl o c o m o t i v ep a s s i v ef i l t e rd e v i c e s ，f i l t e rh a r m o n i c sg e n e r a t e db yr e c t i f i e r d e v i c e s ，a p p l i c a t i o no ft h er e l e v a n tm a t l a ba n a l y s i sm o d u l e ，r e s p e c t i v e l y , e l e c t r i cl o c o m o t i v ea n dp u b l i ci n p u tc u r r e n th a r m o n i cc o n n e c t i o np o i n t ，w i t hn o c u r r e n th a r m o n i c f i l t e r i n gd e v i c e s ，c o m p a r e d t ot h es i t u a t i o n ，o n ec a ns e e s i g n i f i c a n t l yl o w e rh a r m o n i cc o n t e n t ，h i g h o r d e rh a r m o n i cg e n e r a t i o nh a sb e e n c o m p l e t e l yf i l t e r e dt og bs t a n d a r d f i n a l l y , t h ec a l c u l a t i o no fs i n g l eu n i t so fe l e c t r i cl o c o m o t i v e st oi n h i b i tt h e r a t eo ft h r e e p h a s ei m b a l a n c em e a s u r e st os i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ei m b a l a n c eo f p o w e r 鲥ds y s t e m k e y w o r d s ：e l e c t r i cl o c o m o t i v e ；h a r m o n i c ；t h r e e - p h a s eu n b a l a n c e d ；p a s s i v ef i l t e r 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 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。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：! 宴臻e t 期：塑生塑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其它复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：超导师签名：雌日 期：丝必 第一章绪论 1 1 电能质量概述 电能既是一种经济实用、清洁方便且易于传输、控制和转换的能源形式， 又是一种由电力部门向电力用户提供，并由供、用双方共同保证质量的特殊 产品【l j 。 无论在工业生产还是日常生活中，电力已经成为现代人类社会中不可缺 少的重要能源之一，电力用户对电力的可靠性及电能质量的要求都在不断提 高【3 l 。随着科技进步和工业的不断发展，在电力负荷急剧增长的同时，非线 性和冲击性负荷也在不断地增长，这些负荷对供电系统电能质量造成了严重 的污染：如电气化铁路，负荷比较重，而且使用大量的电子器件，严重影响 了电力系统电能质量。另一方面，现代高度自动化和智能化的工业用电设备 也对供电质量提出了更高的要求【4 】，现代电力系统的特征赋予了电能质量新 的内涵和意义。另外，随着经济社会发展，电力行业也在不断深化改革，发 电与输配电体制分离、电能按质按量论价、电力网逐步实行商业化运营与市 场交易已经是大势所趋。由此可见，当代电力系统除了保证电网安全稳定运 行的基本要求外，还应把质量控制、经济运行和高效能量管理作为评估电力 系统运行水平的重要内容。 什么是电能质量呢? 从普遍意义上讲，电能质量描述的是通过公用电网 供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦 波形和标准电压对用户供电。但由于系统中的发电机、变压器、输电线路和 各种设备的非线性或不对称性，以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因， 这种理想状态并不存在，因此产生了电网运行、电力设备和供用电环节中的 各种问题，也就产生了电能质量的概念。 国内外对电能质量确切的定义至今尚没有形成统一的共识。但大多数专 家认为，电能质量的定义应理解为：导致用户电力设备不能正常工作的电压、 电流或频率偏差，造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量 问题。 国际电工委员会( i e c ) 的6 1 0 0 0 2 2 标准将电能质量定义为：供电装置 正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。 国际电气电子工程师协会( i e e e ) 标准化协调委员会对电能质量( p o w e r q u a l i t y ) 的技术定义为：合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置 的接地系统均是适合该设备正常工作的【副。 参考文献 1 对电能质量的定义是：导致用电设备故障或不能正常工作的 电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪 变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以 及供电连续性等。 1 2 电气化铁路的组成 铁路的牵引动力设备是机车。目前，我国铁路实际使用的机车有蒸汽机 车、内燃机车和电力机车三种。与此对应的铁路牵引方式也有蒸汽牵引、内 燃牵引和电力牵引三种。所谓电力牵引，就是由外电源供给动力车电能的牵 引方式。采用电力牵引的铁路称为电气化铁路【6 】。 作为电气化铁路牵引动力的电力机车，本身不带能源。它必须从外部电 源和牵引供电系统获得电能，经过变化后，输送到牵引电动机，使牵引电动 机旋转，来驱动车轮转动进而牵引列车运行。因此，电气化铁路除了一般的 铁路线路、车站、通讯、信号等设施外，还包括特殊的牵引供电系统、电力 机车以及相应的运行、维修和管理单位供电段、电力机务段、电力调度及其 主管部门等。 1 2 1 电气化铁路电流制与额定电压 关于电气化铁路输电线路问题有过激烈的争论，以美、德和瑞士为代表 的一方主张用单相工频交流电路；而以英、法等国为首的另一方则主张用高 压直流电路。 单相工频交流制利用工业系统电网作为电源，经过降压即可使用。由于 采用比较高的电压2 5 0 0 0 伏和2 2 5 0 0 0 伏，接触网的电流减小，这样在输送 同样功率的条件下，牵引变电所的距离可延长，接触网可以采用轻型结构， 由于悬挂的重量减轻，支柱的容量可以减小，这些都直接降低建设的投资， 同时运营中电能的损失也大大降低。但是由于电气化铁路采用的是单相电流， 2 对电网系统产生不平衡电流和电压，即负序电流和负序电压，这部分影响将 在论文以下章节详细讲解。 直流制是电力系统将三相交流电送到牵引变电所一次侧。经过牵引变电 所降压并整流变成直流电，再通过牵引网供给电力机车使用。牵引网电压有 1 2 0 0 伏、1 5 0 0 伏、3 0 0 0 伏和6 0 0 伏、7 5 0 伏等。直流制存在的主要问题是， 直流牵引电动机额定电压受到换向条件的限制不能太高，即牵引网电压很难 进一步提高，这就要求沿牵引网输送大量电流来供应电力机车。由于牵引电 流增大，接触网导线截面随之加大，牵引网电压损失也相应增大，所以牵引 变电所之间的距离要缩短，一般只有1 5 k m 一- - 3 0 k m 。牵引变电所数量的增加使 得整流任务变得较复杂。由于这些缘故，许多国家已逐渐停止发展直流制。 我国仅在工矿、城市电车和地下铁道采用直流制。 电气化铁路经过这几十年的高速发展，关于供电电压国际上已定出几种 电力机车用标准电压：直流电压为6 0 0 伏( 非优先选用) 、7 5 0 伏、1 5 0 0 伏和 3 0 0 0 伏。单相交流电压6 2 5 0 伏( 非优先选用) 、工频5 0 或6 0 赫，电压1 5 0 0 0 伏、工频1 6 赫，电压2 5 0 0 0 伏、工频5 0 或6 0 赫等几种。我国电气化铁 j 路电流制与额定电压的确定，经反复研究论证，结合国内外情况，确定采用 工频单相2 5 k v 交流制。本论文的内容就是针对工频单相2 5 k v 交流制电气化 铁路而言的。 1 2 2 牵引供电系统设施的发展 牵引供电系统向电力机车供电的方式，除了直接供电方式外，相继采用 了b t 供电方式、a t 供电方式和带架空回流线的直接供电方式。 牵引变电所主变压器的结构型式，除了y n ，d 1 1 三相结线外，相继采用了 单相v ，v 、斯科特、y n ，d l l ，d 1 三相结线、y n ，v 结线阻抗匹配平衡变压 器、非阻抗匹配y n ，结线平衡变压器、y n ，弋厂结线平衡变压器、三相 不等容量y n ，d 1 1 结线牵引变压器和三相v ，v 结线牵引变压器等。 在断路器方面，除了多油、少油断路器外，相继采用了六氰化硫断路器 和真空断路器。在断路器操动机构方面，除了电磁操动机构外，相继采用了 液压机构和弹簧机构等。 在继电保护方面，除了机电型( 电磁型、感应型) 外，还采用了晶体管型 和集成电路型继电保护，近来已广泛采用微型计算机继电保护。 在接触网悬挂方式方面，有半补偿链形悬挂、全补偿链形悬挂和补偿弹 性简单悬挂等。接触线方面，除了采用较多的铜接触线、钢铝接触线外，还 有钢芯铝合金复合接触线、热处理铝镁硅稀土合金接触线和内包式钢铝接触 线等新型接触线。 在调度方式方面，除了电话调度外，还采用了微型计算机远动调度。 在检测技术方面，已有了接触网自动检测车、牵引网短路参数微机测试 仪、牵引变压器直接测温装置和牵引变电所电气设备程控试验装置等。 1 2 3 我国电力机车的发展 我国是于1 9 1 4 年在抚顺煤矿使用1 5 0 0 伏直流电力机车，干线铁路电力 机车采用单相交流2 5 0 0 0 伏5 0 赫电流制。1 9 5 8 年制成第一台以引燃管整流 的“韶山”型电力机车。1 9 6 8 年改用硅整流成功，称“韶山i 型，持续功 率3 7 8 0 千瓦。之后又相续研制了：韶山i i 型韶山9 型，其中，韶山4 型( s s 4 型) 货运机车应用了晶闸管电子技术，实现了无极调速，并将6 轴改8 轴， 机车功率达6 4 0 0 k w ；韶山9 型客运机车最高速度提高到1 7 0 k m h 。为了满足 经济快速发展的需要，从“八五 开始，我国进行新型“交一直一交”电力机 车的研制开发，2 0 0 6 年4 月1 8 同，由我国南车集团西方机车车辆股份有限 公司自主研制的c h r l 、c h r 2 、c h r 5 型动车组正式运行。标志我国电气化铁路 进入崭新时代。 1 2 4 电气化铁路的优越性与存在的问题 l 、电气化铁路的优越性体现在以下几点： ( 1 ) 拉得多，跑得快，运输能力大 ( 2 ) 节约能源消耗，综合利用能源 ( 3 ) 经济效益好 ( 4 ) 对环境无污染，劳动条件好，有利于实现净化运输 ( 5 ) 有利于铁路沿线实现电气化，促进工农业发展 2 、电气化铁路存在的问题 在介绍电气化铁路的优越性的同时，也要指出它存在的下列问题 ( 1 ) 对给电气化铁路牵引负荷供电的电力系统造成负序电流和负序电压 4 的产生、功率因数低、高次谐波含量增大因数降低等不良影响。对此在论文 以下章节详细介绍。 ( 2 ) 对沿电气化铁路架设的通信线路有干扰； ( 3 ) 基建投资比蒸汽牵引和内燃牵引大； ( 4 ) 接触网检修需要“天窗时间。 1 3 电气化铁路对电网电能质量的影响 由上述部分可看出，电力机车属于单相整流型负荷，三相不对称，而且 具有非线性的伏安特性，它们在运行过程中对电网注入了大量的负序电流和 谐波电流，从而引起电压电流波形畸变，使电能质量下降，严重时还会引起 继电保护和自动装置误动，影响电网的正常运行。例如河南省信阳及驻马店 地区1 9 9 3 年2 月1 2 日由于2 2 0 k v 计驻i i 线相差高频保护跳闸，引起大面积 停电事故，造成了严重的经济损失和社会影响，经中国电机工程学会高次谐 波分专委深入的分析和论证，认为是由于改地区三个电气化铁路牵引站谐波 严重超标引起的f 7 1 。另外，由于电气化铁路是单相负荷，它引起的负序电流 的影响也是不容忽视的。负序分量可能会引起附近的发电机组异常发热和振 动，造成三相异步电动机运行条件恶化、产生制动转矩、启动困难等，超标 的负序分量还可能引起保护误动。 由此可见，电力机车引起的电能质量问题已经影响到一般用户，其问题 急需解决。 1 4 世界各国电能质量标准 l 、我国：针对电气化铁路的电能质量问题没有具体的标准，只能参考国 标里的内容。g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波中规定1 1 0 k v 总 谐波畸变率( t h d ) 不得超过2 ，奇次谐波含有率不超过1 6 ，偶次谐波 含有率不超过o 8 。g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 电能质量三相电压允许不平衡度 中规定正常允许2 ，短时不超过4 。 2 、法国【8 】：根据欧洲标准，法国电力公司控制电网负序电压的总水平为 2 ，而分配给电铁的指标为1 ，实际执行时，电力系统以牵引变电所注入 系统的负序容量与系统连接点短路容量之比不大于1 5 作为允许的负序电 流标准，以2 ( 长时间允许值) 、4 ( 短时) 为负序电压标准，欧洲高速铁 5 路制定的e n 6 0 0 8 8 标准规定了接触网受电弓最低有效值为2 2 5 k v 。 3 、德引8 】：根据德国v d e 0 5 3 0 标准，三相电网不平衡在正常运行时不 大于1 ，在短路故障时不大于1 5 ，因其牵引供电采用独立发电系统和电 网，所以没有关于电铁谐波和负序对公网影响的相关标准。 4 、日本【8 】：日本电气协同研究会规定电铁接入系统允许总谐波电压畸变 率t h d 为3 ，单次谐波最大畸变率为2 5 ，由牵引供电产生的电压不平衡 限值为1 5 ( 长时间允许值) ，2 ( 短时，不超过1 0 m i n ) 。 5 、西班牙【8 】：西班牙要求电网负序电压最大值不能超过标准电压的2 ， 故障运行时负序电压不能超过标准电压的3 。西班牙国铁规定接触网允许电 压闪变范围为2 4 - - , + 1 0 。即额定电压为2 5 k v 时，允许电压波动为 19 0 , - - 2 7 5 k v 。 6 、意大利【8 】：意大利牵引变电所接入1 3 2 k v 系统电网，其1 0 m i n 允许总谐 波电压畸变率t h d 为4 。由牵引供电产生的电压不平衡限值为1 , - - 1 5 ( 长 时间允许值) ，2 ( 短时间允许值不超过1 0 m i n ) 。 1 5 研究现状 近几年来，电气化铁路在我国得到飞速发展，运输效率得到极大的提高。 与此同时，机车需要的牵引功率越来越大，冲击性和电压波动也更为严重。 又由于牵引系统本身是三相不对称负荷，电力机车是移动的单相整流带冲击 的负荷，因而产生的大量的谐波电流和负序电流注入电力系统，由此引起的 电力系统电能质量下降已引起各方面的重视。世界各国采取不同方式进行了 电气化铁道电能质量的治理，取得了很好的效果。 文献 9 1 1 是基于傅里叶变换的谐波测量。使用此方法测量谐波，精 度较高，功能较多，使用方便。其缺点是需要一定时间的电流值，且需进行 2 次变换，计算量大，计算时间长，从而使得检测时间较长，检测结果实时 性较差。而且会产生频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号参数( 即频率、 幅值和相位) 不准确，尤其是相位的误差很大，无法满足测量精度的要求，因 此必须对算法进行改进。文献 9 利用加窗插值算法对快速傅立叶算法进行 修正，该方法可减少泄漏，有效地抑制谐波之间的干扰和杂波及噪声的干扰， 从而可以精确测量到各次谐波电压和电流的幅值及相位。文献 1 0 修正理想 6 采样频率法。这种方法的主要思想是对每个采样点进行修正，得到理想采样 频率下的采样值。文献 11 利用数字式锁相器( d p l l ) 使信号频率和采样频率 同步。 除此以外还有基于瞬时无功功率的谐波测量n 2 叫3 j ；基于神经网络的谐波 测量n 4 1 6 1 ；利用小波分析方法进行谐波测量n 7 叫引；利用仿真软件( m a t l a b 及 l a b v l e w ) 对电气化铁路的谐波源一电力机车做仿真模型后进行谐波测量n 9 2 3 1 ；利用分配系数法对电气化铁路产生的负序电流进行测量及分析乜钔。而文 献 2 5 ，在c + + b u il d e r 环境下开发出电气化铁道牵引系统的仿真软件， 利用该软件可以实现对牵引系统的负序电流、负序电压和不平衡度等参数进 行准实时分析。 1 6 本文的主要工作 通过以上电气化铁路对电网电能质量影响的认识及对国内外现状的了 解，本文主要工作如下：， 1 、首先简单介绍电气化铁路的各个组成部分及电力机车的电气部分，然 后应用m a t l a b 软件建立韶山9 型电力机车仿真模型，监测其产生的谐波分量， 在此基础上建立牵引变电站的仿真模型，对公共连接点( 1 l o k v ) 处电流进行 f f t 分析，分析结果同国家现行规范比较。 2 、提出在电力机车上使用无源滤波器减小谐波含量，建立了机车和牵引 变电站的仿真模型，对机车输入端电流、公共连接点处电流分别分析，通过 对机车改进前后产生谐波电流含量的比较，看出电网电能质量有了明显的 改善。 3 、对电气化铁路产生的负序电流，本文通过计算得出一辆机车引起的三 相不平衡度，指出其超出有关规范要求，提出抑制措施。 7 第二章电气化铁路的供电方式 2 1 电气化铁路供电系统简介 电气化铁路的组成有三部分【3 1 ：牵引网、机车及铁轨。由这3 部分组成 的电气化铁路的工作原理图如下： 图2 1电气化铁路供电系统原理电路图 图中：l 为区域变电站或发电厂；2 为三相交流高压输电线，这两部分 可称为电气化铁道一次供电系统，其功能是发电、变电和输电；3 为牵引变 电所，把一次供电系统输送来的三相交流高压电能变换成较低电压的适合电 力机车使用要求的电能；4 为馈电线，把牵引变电所变换后的电能送到接触 网；5 为接触网，把电能送到电力机车：6 为轨道、地，作为牵引电流回归通 路；7 为回流线，把轨道、地中的牵引电流导入牵引变电所的主变电器；8 为电力机车。通常把4 7 称为牵引网，把牵引变电所和牵引网称为牵引供电 系统。 按牵引变电所一次侧( 电源侧) 的供电方式，可分为一边供电、两边供 电和环形供电。 2 1 i 一边供电 就是牵引变电所的电能由电力系统中的一个方向的发电厂送来。如图 2 2 所示。 8 图2 - 2 牵引变电所一次侧的一边供电方式 a l 、a 2 、a 3 为发电厂，b l 、b 2 、b 3 为地区变电站，c l 、c 2 、c 3 为牵引 变电所。 按国家规定，电气化铁路为一级电力负荷。因此，牵引变电所必须由两 路输电线供电，而且每路输电线要有各自的杆塔和走线。这样，当一路输电 线发生故障或检修时，还有另一路输电线送电，保证牵引变电所不致长时间 中断供电。 2 1 2 两边供电 就是牵引变电所的电能由电力系统中两个方向的发电厂送来。如图2 3 所示。 d 2 图2 - 3 牵引变电所一次侧的两边供电方式 a l 、a 2 为发电厂，b 为地区变电站，c 为牵引变电所。牵引变电所的电 能从两边分别由发电厂a l 、a 2 供应。 2 1 3 环形供电 是指若干个发电厂、地区变电站通过高压输电线连接成环形的电力系 9 一 出盔太堂亟堂僮诠窒 统，牵引变电所处于环形电力系统的一段环路之中。以图3 来说明，如果发 电厂a 1 通过输电线d l 、d 2 与发电厂a 2 或a 2 远的电网连接，则形成环形电 力系统。于是牵引变电所c 将处于环形电力系统中的一段环路之中。 牵引变电所一次侧供电方式，究竟采用一边供电，还是两边供电或环形 供电，决定于电气化铁路所经过的地区电力系统的具体情况。 2 2 牵引变电所 牵引变电所的主要功能是降压、分相、为牵引负荷供电，主要设备是牵 引变电器( 又称主变压器) 。由于铁路电力牵引属于一级负荷，所以牵引变电 所须由两路高压输电线供电，并且在牵引变电所中设置两台牵引变压器。 牵引变电所按主变压器的结构型式分类，有单相结线，单相v ，v 结线， 三相y n ，d l l 三相结线，斯科特结线、y n ，d 1 1 ，d 1 三相结线、y n ，v 结线阻 抗匹配平衡变压器、非阻抗匹配y n ，结线平衡变压器、y n ，弋厂结线平 衡变压器、三相不等容量y n ，d l l 结线牵引变压器和三相v ，v 结线牵引变压 器等1 3 l o 2 2 1 单相结线牵引变电所 原理电路图如图2 4 所示。牵引变电所装设两台单相结线牵引变压器， 可以两台并联运行，也可以一台运行，另一台固定备用。牵引变压器的原边 只接入三相电力系统中的两相；副边一端与牵引侧母线连接，另一端与轨道 及接地网连接。 l o a b c 一 一 ( a b ) 图2 - 4 单相结线牵引变电所的原理电路图 单相结线牵引变电所的优点：牵引变压器的容量利用率( 额定输出容量 与额定容量之比值) 可达1 0 0 ；主接线简单，设备少，占地面积小，投资省 等。其缺点是：不能供应地区和牵引变电所三相负荷用电；对电力系统的负 序影响最大；对接触网的供电不能实现两边供电。所以这种结线只适用于电 力系统容量较大，电力网比较发达，三相负荷用电能够可靠地由地方电网得 到供应的场合。另外，单相牵引变压器要按全绝缘设计制造。 2 2 2 单相v ，v 结线牵引变电所 如图2 5 所示为单相v ，v 结线牵引变电所，某单线区段上b t ( b o o s t e r t r a n s f o r m e r ) 供电方式下的原理电路图。牵引变电所装设两台单相结线牵引变 压器1 b 和2 b ，作v ，v 连接。1 b 和2 b 的原边分别接入电力系统的c b 相 和a b 相；副边各有一端分别接到牵引侧的两相母线上，各有另一端与轨道 及接地网连接。c b 相向左边供电臂的牵引网供电，a b 相向右侧供电臂的牵 引网供电，即通常所说的6 0 。接线。 以 - _ _ _ _ n 专 i d ，1 了 “， 一 国 气b ) ( c b )( 删l ，( 爿b ) 图2 - 5 单相v ，v 结线牵引变电所原理电路图 这种结线方式的优点是：牵引变压器容量利用率可达到1 0 0 ；在正常运 行时，牵引侧保持三相，所以可供应牵引变电所自用电和地区三相负载；主 接线较简单，设备较少，投资较省；对电力系统的负序影响比单相结线小； 对接触网的供电可实现两边供电。它的缺点是：当一台牵引变压器故障时， 另一台必须跨相供电，即兼供左、右两边供电臂的牵引网。这需要一个倒闸 过程，这一过程完成前，故障变压器原来供电的供电臂牵引网中断供电，这 种情况可能会影响行车。即使这一倒闸过程完成后，地区三相电力供应也要 中断。实质上它成为单相结线牵引变电所，对电力系统的负序影响随之增大。 2 2 2 三相y n ，d l l 结线牵引变电所 其原理电路图如图2 - 6 所示。这种牵引变电所中装设两台三相y n ，d 1 1 结线牵引变压器，可以两台并联运行；也可以一台运行，另一台固定备用。 l f i _ 彳 b c 图2 - 6 三相y n ，d l1 结线牵引变压器原理电路图 这种结线的优点是：牵引变压器低压侧保持三相，有利于供应牵引变电 所自用电和地区三相电力。在两台牵引变压器并联运行的情况下，当一台停 电时，供电不会中断，运行可靠方便。能很好的适应山区单线电气化铁路牵 引负载不均衡的特点。另外单相负荷所引起的负序电流对系统的影响，比单 相牵引变电所要小，其不对称系数为1 2 ，即负序电流是正序电流的一半。 这种结线方式在我国采用的时间长，有比较多的经验，制造相对简单，价格 也较便宜。缺点主要是牵引变压器容量不能得到充分利用。当重负荷相绕组 达到额定值时，牵引变压器的输出容量只能达到其额定容量的7 5 6 ，引入 温度系数也只能达到8 4 。另外三相变电所内所需的设备比单相牵引变电所 要多，因而维修工作员也就增多。 2 2 3 斯科特( s c o t t ) 结线牵引变电所 结线原理图如图2 - 7 所示。这种结线变电所中装设两台斯科特结线牵引 变压器，可以两台并联运行；也可以一台运行，另一台固定备用。由向量图 ( 图2 - 8 ) 可以看出这种结线方式能将低压侧两供电臂上的在相位上互相垂 直、大小相等的单相牵引负荷转换到高压侧为三相对称负荷。 1 2 a b c 图2 7 斯科特结线牵引变电所结线原理图 a i 卜以叫i “一j 瓮j j 7 l ，：2 f 一 图2 8 斯科特结线牵引变电所电压相量图 这种牵引变压器的结构实际上是一种三相一两相变压器，它的最大优点 是当两个供电臂上的负荷电流相等时，一次侧的三相电流是对称的，从而大 大降低了三相电力系统的不对称程度。变压器容量可全部利用。这种变压器 的结构虽然比较简单但不宜用在中性点直接接地的电力系统中。从接线原 理来分析，因为在一次侧的绕组不可能引出中性点，加上一次侧的两个绕组 的电压不等，所以在制造上有许多困难。特别是在二次侧如果只有一相负荷 的情况下，其一次侧的中性点易产生漂移，从而有零序电流流经高压电力网， 使电力系统的继电保护可能产生误动作，对邻近的平行通信线可能产生干扰； 同时引起牵引变压器各相绕组电压不平衡，而加重绕组的绝缘负担。为此， 该结线牵引变压器的绝缘水平要采用全绝缘。 1 3 2 3 牵引网 2 3 1 牵引网的组成及特点 电力铁道供电系统的牵引网是由馈电线、接触网、轨道与大地、回流线( 在 b t 供电方式中还有吸流变压器一回流线装置；在a t 供电方式中还有自耦变 压器、正馈线) 等部分组成的特殊的供电网，它的作用是输送给电力机车牵引 列车所需要的电能。 馈电线是由硬铝绞线或钢芯铝绞线架设在电杆上组成的。 接触网是牵引网的主体，它采用架空式的单链悬挂或简单悬挂，分别如 图2 - 9 图2 1 0 所示。 图2 - 9 架空式的单链形悬挂示意图 图2 1 0 架空式的简单悬挂示意图 我国的牵引网为单相交流供电网。牵引网的正常工作相当于两相运行。 其主要特点有：( 1 ) 牵引网的结构复杂，运行条件较差，因而发生短路故障 的机会相对较多。( 2 ) 牵引网负荷电流变化剧烈，最大负荷电流很大。( 3 ) 牵引网的阻抗比一般电力系统输电线的阻抗大。( 4 ) 牵引网的负荷阻抗角较 大，短路阻抗角较小。( 5 ) 牵引网负荷电流的波形畸变较大。 1 4 2 3 2 牵引变电所向接触网的供电方式 1 、单线区段 ( 1 ) 一边供电 。 如图2 1 1 所示，接触网供电分区由牵引变电所从一边供应电能。由于这 个缘故，每个接触网供电分区通常称为一个供电臂。相邻两牵引变电所之间 毗连的供电臂相互绝缘，电力机车只从一个牵引变电所取用电流。按现行设 计，相邻两牵引变电所之间毗连的供电分区属于同相( 图中a ，c ；c ，b 为 对应供电臂电压相序) 。这样，在必要时，也可在分界点设置分区所，将毗连 的两个供电分区连通，由一个牵引变电所越区供电，或实行两边供电。由于 我国的电气化铁路接触网普遍采用一边供电方式，越区供电方式也不经常应 用，所以在相邻两牵引变电所之间的毗连供电分区分界点，目前不设置分区 所，只设分相绝缘器和一台隔离开关。在必要时，合上隔离开关，将分相绝 缘器短接，也可实现越区供电。一边供电方式的优点是倒闸操作和继电保护 比较简单，独立性强。目前普遍采用。 变电所变电所 图2 一1 1 单线区段的一边供电方式 ( 2 ) 两边供电 仍可用图2 1 1 说明，不同的是在相邻两牵引变电所之间毗连的供电臂分 界点，必须设置分区所，才能实现两边供电。分区所的作用在于缩小接触网 故障或检修的停电范围。两边供电方式下，供电分区由相邻两牵引变电所从 两边供应电能，亦即电力机车从两牵引变电所取用电流。在牵引负载相同的 条件下，由于电流从两边流向电力机车，所以其数值较小，方向相反。从而 可以减小牵引网中的电压损失和电能损失，改善供电臂的电压水平，降低电 气化铁路的运营成本；设备( 接触悬挂、牵引变压器) 负载较均匀：还可以减 轻对邻近通信线的电磁感应干扰影响。但两边供电方式也有缺点，即断路器 等设备、继电保护和倒闸操作比较复杂；牵引网中可能出现穿越电流或平衡 电流( 虽然很小) ，从而产生附加的电能损失。 1 5 2 、双线区段 双线区段又有：同相一边并联供电、同相一边分开供电、双边纽结供电。 其中同相一边并联供电原理如下图2 1 2 所示：同相一边分开供电不同于同相 一边并联供电在于供电臂的上、下行接触网不连接，电力机车通过行驶的本 线路的接触网从一个牵引变电所取用电流。而双边纽结供电不同点在于分区 所的主接线由4 台工作断路器接成四边形构成。其中，两对边的断路器分别 将两相连牵引变电所之间毗连的两个供电臂上、下行接触网末端横向联通， 另外两对边的断路器分别将两相邻牵引变电所之间的上、下行接触网纵向联 通。 变电所 变电所 图2 1 2 双线区段的同相一边并联供电方式 2 3 3 牵引网向电力机车的供电方式 牵引网向电力机车的供电方式有直接供电( d f ) 方式、带回流线的直接供 电( d n ) 方式、自耦变压器( a t ) 供电方式、吸流变压器( b t ) 供电方式和同轴电 力电缆( c c ) 供电方式等。 直接供电( d f ) 方式是将从牵引变电所输出的电能，直接通过接触网供 应给电力机车，而回归电流则通过轨道、大地回到牵引变电所。这种供电方 式的特点是，供电回路的构成最简单，工程投资、运营成本和维修工作量都 少；但对邻近通信线路的干扰影响严重，钢轨电位在理论上比其他供电方式 要高。 带回流线的直接供电( d n ) 方式是保留直接供电方式的有点，克服其不 足，在其结构上增设与轨道并联的架空回流线，就成为带回线的直接供电方 式，如图2 1 3 所示。 1 6 变电所 图2 一1 3 带回流线的直接供电方式示意图 它与直接供电方式相比，有以下改善：( 1 ) 原来流经轨道、大地的回流， 一部分改由架空回流线流回牵引变电所，其方向与接触网距离较近，因此相 当于对邻近通信线路增加了屏蔽效果。( 2 ) 牵引网阻抗和轨道电位都有所降 低。 自耦变压器( a u t ot r a n s f o r m e r ) 供电方式，简称a t 供电方式。它不但是 电气化铁路减轻对邻近通信线路的干扰影响的有效措施之一，而且对牵引供 电系统有较好的技术经济指标，已被许多发展电气化铁路的国家研究和采用。 原理图如图2 一1 4 所示，1 为接触网；2 为轨道；3 为正馈线，沿供电臂接触 网架设。a t 。、a t ：为自耦变压器，变比为2 ：1 ，其一端与接触网连接。另一 端与正馈线连接，中点与轨道连接。接触网与轨道之间的绕组匝数为w 。，正 馈线与轨道之间的绕组匝数为w 。，w 1 _ w 。绕组w 。与w 。串联( 即原边) 接入电源， 电压为2 u ( 即2 2 7 5 k v ) ；绕组w 。( 即副边) 接负载，电压为u ( 即2 7 5 k v ) ； 绕组w 。电压与绕组w 。相同。两台自耦变压器之间的距离称为自耦变压器间隔 ( 或称自耦变压器段) ，其长度用d 表示，一般为1 0 k m 左右。实际的a t 间隔 按对通信线防干扰及牵引供电的要求计算确定。 ! i 变电 l 奄t7 白上- l u i ： 。il u 彤形上 ii a t ,!么瓦 2 图2 1 4 自耦变压器供电方式原理电路图 吸流变压器( b o o s t e rt r a n s f o r m e r ) 供电方式，简称b t 供电方式。它是 在牵引网中每相距1 5 k m - - - 4 k m 间隔，设置一台变比为1 ：1 的吸流变压器， 1 7 其一次线圈串接人接触网中；二次线圈串接在回流线中( 即吸流变压器一回流 线方式，简称吸一回方式) ，如图2 1 5 ( a ) 所示，或串接在轨道中( 即吸流变 压器一轨道方式，简称吸一轨方式) ，如图2 1 5 ( b ) 所示。 6 6 ( a ) 吸一回方式 5 5 ( b ) 吸- 钢轨方式 图2 1 5b t 供电方式示意图 1 吸流变压器2 接触网3 回流线4 吸上线 5 钢轨6 牵引变电所7 绝缘轨缝 吸一轨方式需要在吸流变压器处作绝缘轨缝将轨道进行绝缘分段。依靠 吸流变压器的作用，使绝大部分回归电流经由轨道和吸流变压器二次线圈流 回牵引变电所。与吸一回方式相比，吸一轨方式造价要低些，对接触网的运 行维护也比较有利，对于地形十分困难，或穿越长大隧道的电气化区段是有 意义的( 利用轨道作回流线，可避免回流线穿越隧道或在隧道内下锚) 。但是， 对邻近通信线路的防护效果要差些。而且在绝缘轨缝两侧的轨端之间可能出 现数百伏的电压，对线路维护人员的人身安全有一定威胁。为了解决这一矛 盾，可在吸流变压器处作两个绝缘轨缝，以加长带有不同电位的两段钢轨间 的距离。此外，当列车通过绝缘轨缝的整段时间内，吸流变压器由于副边线 圈被短路而失去作用。 综合分析吸一回方式及吸一轨方式的性能、特点，我国的电气化铁路主 要采用吸一回方式。 1 8 吸一回方式的简单电路图见图2 1 6 。 变电 2 图2 1 6 吸一回方式的简单原理电路图 图中，l 为接触网；2 为轨道；3 为回流线，一般装设在接触网支柱外侧 的横担上；4 为吸流变压器，变比是l ：l ，一次线圈串接人接触网，二次线 圈中接入回流线；5 为吸上线，一端接回流线，另一端与轨道或扼流变压器 线圈中点连接，以提供从电力机车到轨道的返回电流流到回流线中去的通路 ( 一个供电臂内，除了在始端和末端装设吸上线以外，通常在两相邻吸流变压 器之间的中点装设一根吸上线。两相邻吸上线之间称为吸流变压器段，或吸 流分段) ；6 为牵引列车运行的电力机车，位于远端的吸上线处。 2 3 小结 本章主要介绍了电气化铁路的组成、电网向牵引变电站的供电方式、牵 引变电站变压器的接线方式、牵引变电站向接触网的供电方式及牵引网向电 力机车供电方式。从供电方式上浅析了电气化铁路对电网电能质量的影响。 1 9 第三章电气化铁路对电能质量的影响 本章主要通过对电力机车的简介分析了电力机车产生谐波的原因，并应 用m a t l a b 中的s i m u l i n 刈s i m p o w e rs y s t e m 对韶山9 型电力机车进 行仿真分析。同时对牵引变电站公共连接点处电流进行分析，得出谐波超标 的结论。另一方面在上章对牵引网供电方式介绍的基础上，计算韶山9 型电 力机车三相不平衡度。 3 1 电力机车简介 电力机车基本上有两种：一种是直流电力机车，它是由发电厂输来的三 相交流电，经过牵引变电所变为直流电，再通过接触网，带动电力机车上的 直流电动机，使机车运行。这种电力机车构造简单，运转可靠，目前在世界 各国电气化铁道上采用很广。但直流电力机车的电压一般采用3 3 0 0 伏，电流 就很大，因而接触网( e l i 导线) 就非常粗，耗铜量相当大。因此，随着列车重 量、列车速度不断增加，直流电力机车的缺点就表现的更加突出。还有一种 是交一直流电力机车，它采用工业频率单相交流制，接触网输入电力机车时 的电压为2 卜2 5 千伏，在机车上除了降压外，还用整流器将交流电变为直流 电，然后用直流电动机带动机车。使用这种电力机车，由于提高了接触网的 电压，电流就小得多了，因而使导线截面大大减小，并且可以减少牵引变电 所的数目。这种机车成为电力机车的后起之秀，在世界各国得到了很大的发 展。随着电力电子的飞速发展，电力机车上笨重的整流设备逐步被大功率硅 整流器取代，使整流设备重量减轻，过负荷能力大，运行可靠，因而用硅整 流器的电力机车获得了迅速发展。六十年代中，又出现了可控硅电力机车， 运行性能更好，使电力机车更上一层楼。七十年代，一些国家生产了晶闸管 电力机车，并交付运用。与此同时，有些国家开始尝试打破电力机车历来采 用的直流串励牵引电动机的传统，利用晶闸管特征，将直流它励电动机或交 流无整流子电动机用于铁路牵引。尤其是交流无整流子电动机，采用交流电 动机，经过变频调速作为牵引电动机，它省去了整流这个环节，因而称为交 一交流电动机，这是一次重大的革新。总之，电力机车的发展历史就是从直 流制到交流制，其中交流制又是从单相交流制到三相交流制的。 3 1 1 直流制 2 0 世纪3 0 年代以前，大多数国家的电气化铁路采用的是直流电力机车。 电力机车从接触网上获得的是直流电，而接触网上的直流电是由在牵引变电 所旱把交流电变成直