（电气工程专业论文）电气化铁路对地区电网实际影响及防范措施.pdf

摘要 摘要 电力机车牵引负荷是波动性大的大功率单相整流负荷，其运行时产生的负序、谐波等严重地恶化 了电网电能质量，降低了电网供电的可靠性，从而造成巨大的经济损失 本文针对电气化铁路运行牵引负荷后对徐州地区的实际影响进行了全面细致的分析研究，首先对 电气化铁路负荷特性进行分析，通过构建模型对谐波和负序分量等结合徐州乃至江苏省的负荷性质和 电网运行方式进行仿真计算，根据计算结果从理论上分析电气化铁路负荷对地区电网的影响；其次， 根据电气化铁路运行前后的现场实测结果。并与仿真计算结果进行比较，进一步分析其对地区电网发 供电设备的实际危害程度，从而得出电气化铁路对电网电能质量、继电保护、发电机、变压器等一次 设备以及电网运行方式等方面的实际影响程度相关结论：最后，就如何抑制和治理谐波、负序等进行 了分析、研究，从而为系统规划设计、系统运行方式制定、发电机组并网设计、继电保护装置选型、 谐波和负序分量的抑制等方面提供科学依据，同时也为江苏省境内电气化铁路的普及对电网的影响论 证和治理等方面提供理论指导和实践经验。 【关键词】电气化铁路；地区电网：实际影响；分析；抑制措施 a b s t r a c t t h el o a do fe l e c t r i cl o c o m o t i v ei sas i n g l e - p h a s el o a d ，b u ti ti sv o l a t i l e w h e ni ti sr u n n i n g 。t h e n e g a t i v es e q u e n c e h a r m o n i c sw o u l dd e t e r i o r a t et h eq u a l l t yo fe l e c t d cp o w e rg d d s 。r e d u c et h e r e l i a b i l i t yo ft h eg r i d 。a n df i n a l l yr e s u l ti nh u g ee c o n o m i cl o s s e s t h i sp a p e rm a k e sac o m p r e h e n s i v ea n dd e t a i l e da n a l y s i sf o rt h ea c t u a li m p a c t so fx u z h o ug r i d w h e nt h ee l e c t r i f i e dr a i l w a yo p e r a t e d f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el o a do fe l e c t r i ci o c o m o u v e a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s f i c so ft h el o a do fx u z h o ua n dj i a n g s u 。t h es c h e m e so fg r i d ，w es e tu pt h e m o d e l c a i c u i a 戗o na n ds i m u l a t i o na b o u tn e g a u v es e q u e n c e h a r m o n i co ft h ee l e c t r i f i e dr a i l w a yo n t h ei m p a c to ft h eg d do fx u z h o uw e r ep e r f o r m e d s e c o n d ，a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sg o tf r o mt h ee l e c t r i f i e dm i l w b yo p e r a t i o n sa tt h e 8 c a n eb e f o r ea n da f t e r , a n dc o m p a r e dw i t ht h es i m u l a u o nr e s u l t s ，t h i sp a p e rf u r t h e ra n a l y s i st h e a c t u a lt h r e a to ft h er e g i o n a le l e c t r i c i t yg r i d ，r e a c ho nt h ea c t u a li m p a c to fr e l e v a n tc o n d u s i o n so f e l e c t r i f i e dr a i l w a yt og r i dp o w e rq u a l i t y , r e l a y s ，g e n e m t o m ，t r a n s f o r m e r sa n do t h e re q u i p m e n t , a s w a l la st h es c h e m e so fg d da n ds oo n f i n a l l y , t h i sp a p e rr e s e a r c ho nt h ew a y sh o w t oc h e c ka n dc o n t r o lh a r m o n i c sa n dn e g a t i v e s e q u e n c e s os c i e n t i f i cb a s e sw o u l db ep r o v i d e df o rt h ed e s i g no fg r i d 。m a k i n gs c h e m e s o fg r i d 。 g e n e m t o mc o m b i n e dt ot h eg r i d ，i n s t a l l a e o nr e l a ys e l e c t i o n ，a n dn e g a t i v es e q u e r w , eh a r m o n i c s u p p r e s s i o n 。a n do t h e rc o m p o n e n t s a n di t a l s op r o v i d e st h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n dp r a c t i c a l e x p e r i e n c ef o rg a i n i n gg r o u n dt h ee l e c t r i f i e dm i l w a yi nj i a n g s up r o v i n c e ，a n dc h e c ka n dc o n t r o lt h e i m p a c to ft h ee l e c t r i f i e dm i l w a yt or e g i o n a lg r i d k e y w o r c b ：e l e c t r i f i e dr a i l w a y ；r e g i o n a le l e c t r i cp o w e rg r i d ；a c t u a le f f e c t ；a n a l y s i s ；c o n t r o l i n g m e s s u m 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，论文中不包含其他入已经发表 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。 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。 研究生签名： 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 电气化铁路指用电力机车作为牵引动力的铁路“1 。世界上第一条电气化铁路于1 8 7 9 年在 德国柏林建成。问世后发展很快，目前法国，日本、德国等国家已将其作为主要铁路运输工 具。与现有其他动力牵引的铁路相比，电气化铁路具有速度快、运输能力强、供电距离长、 节约一次能源与造价、牵引性能好等优点，因而具有广阔的发展前景，是世界以及我国铁路 发展的方向。中国于1 9 6 1 年建成第一条电气化铁路宝成铁路的宝鸡至凤州段，1 9 8 6 年中 国铁路牵引动力政策改为“大力发展电力牵引，合理发展内燃牵引”以及发展“重载高速” 机车后，电气化铁路得到迅速发展，并由内地向沿海经济发达地区延伸“。至2 0 0 6 年底，我 国电气化铁路里程超过2 4 0 0 0 公里，跃居世界第二位；预计2 0 2 0 年全国电气化铁路里程要超 过5 0 0 0 0 公里，达到全国铁路营运里程的一半，承担的铁路运量比重超过8 0 电力机车牵引负荷是波动性大的大功率单相整流负荷”1 ，其运行时产生的负序、谐波等 严重地恶化了电网电能质量，降低了电网供电的可靠性，从而造成巨大的经济损失。因此， 电气化铁路引起的电能质量问题已经引起供电企业的严重关注。 1 2 课题的研究意义 据不完全统计，自国内电气化铁路投运以来，在电网结构薄弱的地区，电铁谐波与负序 电流已引发过2 0 0 栅发电机跳闸，陕西、山西、河南、贵州等省的电网大面积停电或系统解 列，电网产生局部谐振、发电机转子损坏、继电保护非正常频繁启动、用户电动机和电容器 大量烧坏、小火电厂不能就近并网等一系列危害 陇海线郑徐段徐州枢纽电气化改造工程系国家“十五”重点建设项目，该项目在徐州境 内建设徐州北、夹河寨两座牵引站。徐州北牵引变为陇海、京沪电气化铁路供电，夹河寨牵 引变为陇海电气化铁路供电。2 0 0 6 年7 月徐州北牵引站单臂运行供京沪电气化铁路，2 0 0 6 年9 月陇海线郑徐段徐州枢纽电气化改造工程诱牵引站才全部投入运行。京沪铁路江苏段已实现 电气化，根据铁路部门的规划，东陇海铁路( 徐州一连云港段，2 0 0 7 年底投运) 、京沪高 速铁路也将采用电气化牵引方式。电气化铁路这种流动性大同时严重影响电能质量的负荷进 入经济发达地区，如何既要保证以安全和经济的方式向电气化铁路供电，又不影响电网和机 组的安全经济运行以及其它用户( 特别是精密制造企业) 的正常用电，是值得电力部门认真 研究的课题。 1 3 国庆j j , i - 研究水平 电气化铁路牵引负荷是移动、幅值变化大而又频繁的特殊负荷，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 l 东南大学工程硕士学位论文 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。电气化铁路的供电是通过铁道部门沿线建立若干个牵引变电站。每个牵引站一般由电 力系统l l o k v 双电源供电，经牵引变压器降压为2 7 5 k v ( a t 方式供电即吸流变压器一回流线方 式，或带回流线的直接方式供电) 或5 5 k v ( a t 方式供电，即自耦变压器方式) 后通过牵引网向 电力机车供电电力机车采用2 5 k v 单相工频交流电压，经全波整流后驱动直流牵引电动机。 目前我国运行的电力机车大多为这种交一直电力机车，负序功率大，谐波含量丰富，功率因 数低是这种类型电气化铁路的三个主要特征，同时也伴随着牵引负荷的剧烈波动。而交一直 一交机车( 即动车组) 的功率因数较高，谐波较小，但目前应用仍较少，其负序和负荷波动 的问题仍存在，其谐波和负序影响的资料目前甚少。交直交传动机车由于采用脉冲整流器， 在采用几组脉冲整流器多相多重控制后，可以将谐波电流控制在很低的数值内。如采用交直 交传动机车的日本铁道新干线机车谐波电流含量如表1 1 ，相比于交直机车，谐波含量大大 降低：国产动车组技术除自主研发外，来自法国、德国、日本等不同国家，其谐波含量目前 未知 表1 1 日本铁道新干线的谐波电流含量 l谐波次数 3 579t h d i 谐波含量( ) 2 92 3o 50 63 8 8 0 年代在山西多次发生机组跳闸、电网解列和电力设备故障，引起电力部门的高度重视， 并在1 9 8 7 1 9 8 8 年由原水电部、铁道部组织十几个单位1 3 0 余人对丰沙大和北同蒲电气化铁 路进行了联合测试。并由此引发电力部门、铁路部门对测试方式方法、取值、标准的大讨论 国内一些院校在电力机车和牵引站负荷仿真方面作了一些研究，如西南交大、西安交大等。 但电气化铁道负荷波动起伏、变化急剧，电力机车在电气化铁路上运行时其电流特性受多方 面因素影响，使电力机车负荷及牵引变电所负荷均呈现出无规律的波动性。由于电铁负荷波 动剧烈且影响因素多、机车型号和牵引变型式不同、接入点电网的情况各不相同，因此实测 仍是发现和解决问题的主要手段研究和分析的对象包括发电机、继电保护装置、计量设备、 无功补偿装置、电动机等，以及牵引负荷的变化规律与电网运行方式的关系随着铁路速度 的一再提升，以及未来高速铁路的建设，牵引动力的要求猛增，电气化铁路对电网的影响随 着铁路速度的提高和牵引负荷的增加越来越大。由于历史原因，各国对电气化铁道供电的 方式有着很大的不同。一般说来，共有4 种不同的系统，2 种工作于直流，2 种工作于交流。 直流铁路运行在电压1 5 0 0 v 或者3 0 0 0 v 下。为了从5 0 h z 或者6 0 h z 的三相交流系统中产生直流电 并使之直接流入接触网，需要大量的整流站。使用直流的原因是早先控制直流机的速度比控 制交流机的速度更容易。但随着电力电子技术的发展，交流异步电机变频调速技术的日渐成 熟，即使是在铁路供电系统是直流系统的国家里，电力机车也开始采用基于电力电子技术的 异步电机变频调速。与中国电气化铁路供电方式相近的包括英国、法国、澳大利亚、新西兰、 2 第一章绪论 日本等，采用单相交流5 0 h z 或6 0 h z2 5 k v 供电方式。目前国外的研究主要在机车和相关牵引接 触网设备的研究上，一方面国外铁路运输已基本不发展，另一方面其谐波和负序的向题通过 采用滤波器和s v c 也基本得到解决。如新西兰采用2 2 0 k v 供电，在每个牵引站安装了3 、5 、7 次滤波器；澳大利亚电气化铁路也在每个牵引站安装3 、5 、7 次滤波器，并在大多数牵引站 安装了三相t c r 型s v c ；日本电气化铁道的进线电压与我国相近，但非常重视电能质量，新干 线牵引变电所视情况安装有3 次或3 、5 、7 次滤波器，使用三相一两相( s c o t t ) 牵引变压器， 还有大量的可调无功补偿装置，如静止无功补偿器( s v c ) 、静止不平衡补偿器( s u c ) 、静 止无功发生器( s v g ) 等，对适用于s c o t t 接线系统的二相s t a t c o m ，也称为能量融通型补偿 装置( r a i l w a yp o w e r c o n d i t i o n e r ，简称r p c ) 也进行过样机试验；法国电气化铁路进线电 压高、系统容量大，使负序的影响降到最低，多采用单相牵引变压器，或特殊情况下改接成 v _ v 接线，在电力机车内安装有3 、5 、7 次滤波器。 1 4 本文的主要工作 本课题针对电气化铁路运行牵引负荷后对徐州地区的实际影响进行了全面细致的分析 研究，首先对电气化铁路负荷特性进行分析，通过构建模型对谐波和负序分置等结合徐州乃 至江苏省的负荷性质和电网运行方式进行仿真计算，根据计算结果从理论上分析电气化铁路 负荷对地区电网的影响；其次，根据电气化铁路运行前后的现场实测结果，并与仿真计算结 果进行比较，进一步分析其对徐州电网发供电设备的实际危害程度，从而得出电气化铁路对 电网电能质量、继电保护、发电机、变压器等一次设备以及电网运行方式等方面的实际影响 程度相关结论；最后，就如何抑制和治理谐波、负序等进行了分析、研究，从而为系统规划 设计，系统运行方式制定、发电机组并网设计、继电保护装置选型、谐波和负序分量的抑制 等方面提供科学依据，同时也为江苏省境内电气化铁路的普及对电网的影响论证和治理等方 面提供理论指导和实践经验 本文主要就如下内容开展工作： 1 电气化铁路牵引负荷运行特性分析，以及其产生的谐波、负序、电压波动进行研究分 析；通过构建模型对谐波和负序分量等结合徐州乃至江苏省的负荷性质和电网运行方式进行 仿真计算，根据计算结果从理论上分析电气化铁路负荷对地区电网的影响。 2 通过安装在线监测装置、定期到现场测量，得到电气化铁路运行前后电能质量指标和 负荷情况等实际数据；将实际数据与仿真计算结果进行比较，进一步分析其对徐州电网发供 电设备的实际危害程度，从而得出电气化铁路对电网电能质量、继电保护、发电机、变压器 等一次设备以及电网运行方式等方面的实际影响程度相关结论。 3 就如何抑制和治理谐波，负序等进行了分析、研究，对电气化铁路负荷接入电网情 况下系统规划设计、系统运行方式制定、发电机组并网接入、继电保护装置选型、谐波和负 序分量的抑制等方面提出措施和建议。 东南大学工程硕士学位论文 第二章理论分析和仿真计算 2 1 网络构建和潮流计算 2 1 1 徐州地区电网介绍 徐州市位于江苏省的西北部，是重要的交通枢纽、能源基地，是淮海经济区的中心。2 0 0 6 年，徐州地区全社会用电量为1 5 8 亿千瓦时。同比增长1 4 5 ；最大用电负荷达2 7 0 万千瓦， 同比增长1 4 1 。徐州地区有各种类型电厂3 6 家，装机总容量6 5 1 3 5 万千瓦；其中非统调电 厂2 6 家，容量4 1 0 9 7 万千瓦，占全部总容量的6 2 6 ，其中徐州电厂1 4 3 0 m w 、彭城电厂1 2 4 0 m w 、 徐塘电厂1 2 0 0 m w 、华鑫电厂6 6 0 m w 、贾汪电厂5 4 0 m w ，诧城电厂4 3 5 m w 和大屯电厂1 5 4 m w 截至 2 0 0 6 年底，狳州电网共有5 0 0 k v 变电所3 座、主变8 台，总容量2 5 0 万k v a , ：2 2 0 千伏变电站1 2 座、主变2 3 台、总容量2 8 8 万k v a ；1 1 0 千伏变电站6 2 座、主变1 1 0 台、总容量3 5 8 万k v a 。 目前徐州电网是以5 0 0 k v 电网为主网架，2 2 0 k v 电网为骨干组成的电力网，1 1 0 千伏及 以下电网为地区配电网，l l o k v 变电所( 负荷) 均由周围的2 2 0 k v 变电所馈供。 2 1 2 陇海线郑徐段徐州枢纽电气化改造工程牵引站情况 徐州北，夹河寨牵引变电所牵引变容量均为2 3 1 5 w a ，其阻抗电压百分数为1 0 5 ， 采用带回流线的直接供电方式，牵引母线电压为2 7 5 k v ，电流由钢轨和回流线流回，不同的 牵引变电所采用电源线路相序轮换的措施。电力牵引负荷为一级负荷，牵引变电所由两路电 源供电，当任一路故障时，另一路应正常供电；牵引变压器采用固定备用方式，一台运行， 一台热备用。 牵引变电所采用固定式无功补偿装置，两供电臂上各安装一组，平均功率因数按0 9 考 虑，兼顾滤除部分高次谐波，同时在牵引变电所预留其它滤波装置位置。无功补偿装置按近 期客、货运量进行计算，预留远期场地，补偿后电源侧平均功率因数达到0 9 以上，其感抗 容抗比为0 1 2 电容器组采用8 4 k v 、l o o k v a r 单元电容器，每四个一串，多组并联方式；电 抗器采用户内、干式、空心型。 2 1 3 陇海线郑徐段徐州枢纽电气化改造工程供电方案 陇海线郑徐段徐州枢纽电气化改造工程在徐州境内建设徐州北、夹河寨两座牵引站，牵 引变压器采用阻抗匹配平衡变压器。陇海线郑徐段徐州枢纽电气化改造工程一次供电方案如 图2 - 1 所示，采用l l o k v 电压等级向徐州地区电气化铁路供电 4 第二章理论分析和仿真计算 舀 k ! ! ! 二! ! ! ! ! ! 镎州北牵i i 站 美 图2 - i 陇海线郑徐段徐州枢纽电气化改造工程一次供电方案 徐州北牵引站供电方案：将l l o k v 桃九7 5 0 线开断环入徐州北牵引站，2 2 0 k v 桃园变主 供徐州北，线路长约l g j - 2 4 0 2 6 k m ，2 2 0 k v 九里山变备供徐州北，线路长约l g j 一2 4 0 9 k m 。 夹河寨牵引站供电方案：从夹河寨新建一回l g j - 2 4 0 2 3 k m 线路至2 2 0 k v 赵山变，作为 夹河寨主供电源。从夹河寨新建一回l g j - 2 4 0 1 8 k m 线路t 接于桃园徐州北线路，作为 夹河寨备用电源。 实际供电运行情况看，确实是按照方案中的方式，即夹河寨主要由赵山供。徐州北主要 由桃园供，备供的方式出现的时间很短；没有出现桃园同时供夹河寨、徐州北的情况。 2 i 4 网络构建和潮流计算 潮流计算是项目研究的基础，对电气化铁路谐波、不平衡( 负序) 的分析以及治理措施 的研究都是建立此基础上。项目根据徐州电网的情况，用e t a p 软件构建了徐州电网网络计 算仿真系统，如图2 - 2 所示 5 匝舔峨璩撂dv墨由匝 议嵇掣扑书匿扑k怔* 第二章理论分析和仿真计算 2 2 电气化铁路仿真计算模型 2 2 1 电气化铁路的供用电简述 电气化铁道由电力机车和牵引供电装置组成的，牵引供电装置一般分成牵引变电所和接 触网两部分，电力机车、牵引变电所和接触网为电气化铁道的“三大元件”。我国电气化铁 路采用工频单相交流制，向电气化铁路供电的牵引供电系统由分布在铁路沿线的牵引变电所 及沿铁路架设的牵引网组成。 电力机车：目前国内大规模使用的为采用相控整流交直传动技术的第三代电力机车，采 用变频调速交流传动的第四代电力机车( 动车组) 也投入实际使用。如目前干线货运主力车 型韶山i v ( s s 4 ) 电力机车，它采用由不等分3 绕组变压器供电的由大功率晶闸管和二极管 组成的4 段半控桥式整流调压电路，机车功率6 4 0 0 k w ，牵引质量5 0 0 0 t ；其它如货运电力机 车s s o ，机车功率4 8 0 0 k w ，牵引质量4 0 0 0 t ；客车s s 9 ，机车功率5 4 0 0 k w ，牵引质量1 0 0 0 t 。 ”“”1 当由两辆以上动车或较大功率动车牵挂一辆或数辆附挂车时，则构成动车组“1 牵引变电所：将三相( 两相) 的i i o k v ( 2 2 0 k v ) 高压交流电变换为两个单相2 7 5 k v 的交流电，低压侧两相输出端分别与牵引网的上，下行两个方向的接触网相连，并向接触网 ( 额定电压为2 s k v ) 供电，牵引变电所每一侧的接触网都称作供电臂。该两臂的接触网电 压相位一般是不同相的，一般是用耐磨的分相绝缘器。相邻牵引变电所间的接触网电压一般 为同相的，其问除用分相绝缘器隔离外。还设置了分区亭，通过分区亭断路器( 或负荷开关) 的操作，实行双边( 或单边) 供电“。 牵引供电回路的构成是：牵引变电所、馈电线、接触网、电力机车、钢轨与大地，回 流线。在这个闭合回路中，通常将馈电线、接触网、钢轨与大地、回流线统称为牵引网。 由于工频单相交流2 5 k v 的牵引网是一种不对称供电回路，势必在其周围空间产生电磁 场，从而对邻近的通信和广播设备产生杂音干扰，解决这一问题的途径有两个：一是在通信 方面采取加强屏蔽的措施，或将受影响的通信设备迁离影响范围；二是在供电方面采取抑制 干扰的措施，根据牵引网所采取的抑制干扰措施的不同，可分为：b t ( 吸流变压器) ，a t ( 自耦变压器) 、直接供电等牵引供电方式”“。 阻抗匹配平衡变压器：是一种三相变两相的新型牵引变压器它在继承y n d l l 变压器 的结构优点基础上，具有s c o t t 变压器的换相功能，其技术性能与普通电力变压器和已有牵 引变压器均不一样“”。自1 9 9 2 年3 月在铁道牵引供电系统投运以来，经受了现场的各种运 行状态的考验，技术经济效益显著，受到使用部门欢迎，在陇海线电气化铁路项目中得到采 用。由于阻抗平衡牵引变压器的原理与普通变压器相差很大，仿真软件中无法找到现成的数 学模型也难以搭建特性完全相同的自定义模型，因此须根据其特性，搭建变换到l l o k v 侧的 等效数学模型。 7 东南大学工程硕士学位论文 2 2 2 电气化铁路不平衡负荷模型 当平衡变压器两供电臂负荷大小不同时，高压侧三相电流是不相同的，从系统侧看，相 当于一个三相不平衡负荷。针对这种特殊类型负荷的仿真需采用三相不平衡潮流分析方法 仿真利用e t a p 软件的不平衡潮流模块进行。这个计算模块考虑到了平衡节点、电压校准和 多重效果的校准功率源以及发电机联系“。 e t a p 使用电流注入法提供了一个新型的和强大的关于牛顿一拉夫逊3 相功率潮流计算的 方法，能操作放射型和环型系统。这个方法用来计算真正的平衡和不平衡分布系统的功率潮 流，并显示出尤其在大负荷系统下比其他方法更有效和更少迭代下的收敛性。相对于牛顿一 拉夫逊和快速解耦法。电流注入法有更低的相关母线初始电压的需求。代替使用母线有功和 无功功率差来作为收敛标准，电流注入法通过两次连续的反复检查母线电压大小容差来控制 计算精度，仿真中将母线电压大小精度值设置为0 0 0 0 2 ，标幺值。 根据阻抗平衡变压器的数学模型进行变换后，仿真中使用3 个直接接入l l o k v 的单相负 荷模型来模拟电气化铁路的不平衡负荷及特性，并保证3 个单相负荷的特性与转换到l l o k v 侧的牵引变压器各相负荷特性相同。e t a p 不平衡潮流计算截图见图2 - 3 。 壤= i i i 靶幸j 姚 il 嚣 蒜 意 、上； 图2 - 3e t a p 不平衡潮流计算截图 2 2 3 采用平衡变时电气化铁路谐波负荷模型 2 2 3 1 平衡变高低压侧谐波变化关系 根据上面的分析，对于平衡变压器，高压侧各次谐波与低压侧各次谐波有如下关系： 正序次谐波，如5 、9 、1 3 次等， = 4 n + l ( n = 1 , 2 , 3 ) “1 ，正序次谐波计算公式见2 1 耘昆- 刘j ( x 3 - 1 ) 削x k - 亿- ， 第二章理论分析和仿真计算 ；g e ek 取2 压 伽留4 瓮等 伽留。1 瓮 小留。等瓷 负序次谐波，如3 、7 、1 1 次等，h = 4 刀一l ( n = 1 , 2 , 3 ) 。负序次谐波计算见式2 2 。 悔艮勰 其中k 取2 压 小留。船 伽留1 戋 么3 = 留4 刁- ( x 五 3 + 1 汇) l h p ( 2 2 ) 因此，与普通的具有绕组的电力变压器3 次、9 次等零序性谐波电流基本不会流出 绕组不同，平衡变压器低压侧的3 、5 、7 、9 、1 1 次等谐波电流均会流入高压侧系统。由于电 铁谐波的含有率随着谐波次数的增大而递减，其中3 次谐波电流含有率最大，至1 5 次谐波几 乎降到1 ，因此在谐波评估中，一般只需计算3 ，5 ，7 、9 、1 1 次谐波电流和相应的谐波电 压含有率、总谐波电压含有率。 2 2 3 2 供电臂上的无功补偿装置的滤波作用 并联电容补偿装置主要是用来补偿牵引网的无功功率，可安装在变电所和牵引网上任 一，同样也可以安装在机车上作就地补偿，但对补偿容量的充分利用和年运行小时数都不理 想；而安装在变电所时，则可以得到更充分的利用。并联电容补偿装置在补偿无功消耗的同 时又被用来改善电压质量，降低电流和电压的谐波分量，以取得多方面的经济效果。 9 东南大学工程硕士学位论文 1 9 8 6 年电力、铁道两部对丰沙大、北同蒲电气铁道的谐波、负序联合试验的有关测试 中。实测固定无功补偿装置的滤波效果为： 3 次谐波电流能滤除：5 5 左右； 5 次谐波电流能滤除：( 1 2 1 3 ) 7 次谐波电流能滤除：( 1 0 1 1 ) 表2 1 徐州电铁牵引站供电臂无功朴偿元件参数表 电容器组安装容量( k v a r )2 0 0 02 4 0 03 2 0 0 串联并联( 台数) 4 5 4 6 4 8 电容器 额定电流( a ) 5 8 47 0 19 3 4 额定电容( “f )5 6 46 7 79 0 2 额定容量( k v a r )2 3 12 7 73 7 0 额定电流( a ) 5 8 4 7 0 19 3 4 电抗器 额定电抗( 欧姆) 6 7 75 6 54 2 4 额定电感( i )2 1 5 71 7 9 71 3 4 8 根据铁道部门提供的牵引臂无功补偿设备参数，见表2 1 ，仿真计算滤波效果见表2 2 。 表2 2 供电臂无功补偿装置谐波滤除率仿真结果表 牵引站及供电臂3 次5 次7 次9 次1 1 次 3 6 0 3 2 1 6 4 1 8 7 2 1 5 0 3 1 7 1 4 夹河寨 b3 1 2 8 1 8 0 0 1 5 1 1 1 2 5 2 9 61 3 ，9 4 3 6 0 2 9 2 1 3 9 1 8 5 蹁1 5 1 蹦 1 6 9 1 徐州北 b4 9 4 4 2 8 2 鳊2 4 6 0 9 62 0 8 蹦2 2 4 蹦 表中可见无功补偿装置通过配置电抗器可以滤除近4 0 a o 的3 次谐波，徐州北柳泉侧考虑 了京沪电铁的负荷，配置的电容器容量较大，可淀除近5 0 的3 次谐波；无功 偿装置对其 他次谐波的滤除效果不明显。 2 2 3 3 e t a p 中电气化铁路谐波负荷模型的实现 按照上述的分析，模拟电气化铁路谐波负荷模型( 见图2 _ 4 ) 的步骤如下： 根据牵引变压器供电臂的电流和谐波含量，可得到供电臂上的谐波电流，通过仿真分析， 得到经过供电臂上无功补偿装置滤波作用后流入牵引变压器低压侧的各次谐波电流； 根据阻抗平衡变压器的谐波变换模型，得到1 1 0 k v 便j 的各次谐波电流； 由于电铁负荷的不平衡特性，变换到l l o k v 侧的各相谐波电流是不同的，选取最严重的 一相数据，在e t a p 软件中用谐波电流源来模拟。 1 0 第二章理论分析和仿真计算 徐州北牵引站 l z lk y 2 3 仿真计算 谐波源1 图2 - 4 电气化铁路谐波负荷模型 采用e t a p5 5 软件对电气化铁路运行过程中谐波及负序对系统的影响进行仿真计算， 针对如下可能发生的情况进行分析： 1 电气化铁路谐波潮流计算 系统最小运行方式下，供电方案组合：赵山一夹河寨，桃圆一徐州北；桃圆供夹河 寨，九里山一徐州北；桃圆一徐州北，夹河寨； 牵引站谐波考虑两种情况： 1 正常工况：重臂取紧密有效电流，轻臂取正常平均电流； 2 严重工况：重臂取短时电流，轻臂取正常平均电流； 小电厂考虑：小电厂与电铁在和不在同一母线； 考察：流入p c c 点( 供电变电所1 l o k v 母线) 、变压器三侧、变压器低压侧无功补 偿装置、流入小机组的谐波电流，主变三侧母线的附近变电所母线的谐波电压； 2 电气化铁路不平衡潮流计算 系统最小运行方式下，供电方案组合：赵山一夹河寨，桃圆一徐州北；桃圆一夹河 寨，九里山一徐州北；桃圆一徐州北、夹河寨； 牵引站负序考虑两种情况： 1 正常工况：重臂取紧密有效电流，轻臂取正常平均电流； 2 严重工况：重臂取短时电流，轻臂取0 ； 小电厂考虑：小电厂与电铁在和不在同一母线； 考察：流入p c c 点( 供电变电所1 l o k v 母线) 、变压器三侧、流入机组的负序电流 及占额定电流的百分数，主变三侧母线和附近变电所母线的三相电压不平衡度。 为了便于描述，对各种供电方案以及工况用字母和序号进行如下约定： 供电方案a ：赵山一夹河寨。桃园一徐州北； 西热# 1 与电铁不在同一母线，舵在诧城电厂投入一台机 东南大学工程硕士学位论文 西热样l 、舵与电铁在同一母线，诧城电厂投入两台机。 西热# l 、舵与电铁都不在同一母线，诧城电厂投入三台机 供电方案b ：桃园n - 夹河寨，九里山一徐州北； 苏洋电厂与电铁不在同一母线。 苏洋电厂与电铁在同一母线。 供电方案c ：桃园i f - 徐州北、夹河寨； 诧城电厂投入一台机。 诧城电厂投入两台机。 诧城电厂投入三台机。 供电方案d ：赵山一夹河寨，九里山一徐州北；西热# l 与电铁不在同一母线，舵在苏 洋电厂与电铁在同一母线。 供电方案e ：赵山一夹河寨，桃园i 一徐州北；西热# l 、舵与电铁都不在同一母线。 供电方案f ：桃园i 一徐州北、夹河寨；诧城电厂投入三台机 不平衡( u ) ： 正常工况：重臂取紧密有效电流，轻臂取正常平均电流； 严重工况：重臂取短时电流，轻臂取0 ； 谐波( h ) ： 正常工况：重臂取紧密有效电流，轻臂取正常平均电流； 严重工况：重臂取短时电流，轻臂取正常平均电流； 如工况, a ：2 - u 1 表示赵山供夹河寨，桃园供徐州北，西热# l 、 1 2 与电铁在同一母线，考 虑重臂取紧密有效电流，轻臂取正常平均电流情况下的不平衡影响) 。 2 3 1 谐波潮流计算和分析 2 3 1 1 电气化铁路注入电网的谐波电流 根据g s t1 4 5 4 9 - 9 3 电能质量一公用电网谐波，谐波电流允许值需根据系统供电容量、 用户协议用电容量、p c c 点最小短路容量计算，各方案允许注入p c c 点的谐波电流值如表2 3 所示。 通过仿真分析，各种谐波工况下，考虑供电臂上无功补偿装置的滤波作用后，通过平衡 变压器注入1 1 0 k v 系统的三相谐波电流值如表2 4 、2 5 所示。可以看出，不管是哪种工况， 电气化铁路注入电网的谐波电流都超过了国标允许值，反映出目前牵引站采用的固定无功补 偿装置( 兼顾部分3 次滤波) 对于电气化铁路谐波的抑制效果不佳。 表2 3 允许注入电网p c c 点的谐波电流 母线总牵引变母线最 紫i l 接入点 3 次( a ) 5 次( a ) 7 次( a )9 次( a ) 供电容协议用小短路 1 2 第二章理论分析和仿真计算 量电容量容量 0 1 1 ，a )嘲吣 ( 1 1 1 ) 桃园 1 1 0 k v i 母 线( 供徐1 2 03 1 51 2 8 24 8 6 45 3 8 3 4 4 7 12 8 0 33 4 9 6 州北或夹 河寨) 九里山 1 1 0 k v 母 1 2 03 1 57 3 3 02 7 8 13 0 7 82 5 5 71 6 0 21 9 9 9 线( 供徐 州北) 赵山 1 1 0 k v 母 1 2 03 1 51 1 3 2 44 2 9 74 7 5 53 9 5 02 4 7 5 3 0 8 8 线( 供夹 河寨) 鲻鲻 磐 n 西a ， 磐 懿 i ； 卜 o 蛞 一 i “ = 一i 鲻 一 鲻 磐 2一 磐 瓮 。器 妪 器 l ； a a d 甲 nn 鲻 3 鲻 譬避兽鼍 卜 u 磐 斌 磐 量军g 器西= 。 斌 鲻 霹 一 i 脚 卜 蛞 卜 籍 谁 鲻 霜爱 器8 轴 蜊 蠕 磐 鼍l ； 螺 磐 j罱j 曼 幡 窝甲 幡 妪 一 一 翅媸 制籍 鬣 器 宝 兽 | 争( 鲻 弛 馨鼍 妪磐 窝竿 曼 墨 仁卜 器7 鲻 辖 鲻 乌譬 2 鼍 鲻 瑚 西卜二 露娶 醐 要甲 籁籁 困圜 辟糌 嚣雷 鲻鲻 蜜磐 懿 一 一 鲻 鲻 磐 磐 籍嚣 mm 2 鲻餐 鎏 磐 v 懿 s 斌 h 壤 h 删鲻脚鲻 妊 衄 晕 磐 删 卿 l 疗 鲻 鲻 蜜磐 懿题 mm 鲻 鲻 醐 瑚 般陋 毛夏 整始始 凶 帮 蕊m 凶帮样 隶 犀 遮 隶耀 匿 霉 砖 h 证h 扭 删 n 删 z 拭 工 拭 谯聪 毫 般懒谍 寓 楹秣 懈 球 鬲 鞋寰 球 庭毫 斛眯粼斛 错 赆h塔求鲻磐v【孵纂挺妪船霎智鬲斛n懈 杖刁掣扑书匿扑k怔* 鲻鲻 一 磐器磐8 曼 n 一 嚣苫。 叠旱 一暑 一岱2一l 鲻鲻 一 磐磐兽奠 鲻 d譬 n a o 一 v鲻 v 鲻 盘墨 g 2 oo 嚣 鍪 疆 磐 裔军e 曼 击 脚删蛞 嚣 卜 懿 卜 谁 鲻 鲻 葛 墨 昌 墨2 器 螺 弛 螺 磐 爱翠惑 墨 量 兰 帕 嚣 懈 一 d _ b 一 c 一 f 。而分析的结 果也清楚表明，在系统容量进一步增强以及电气化铁路改进滤波措施之前，宜尽量采用a 供电方式 ( 即赵山供夹河寨，桃园供徐州北) 1 8 第二章理论分析和仿真计算 ( a ) l - h 1 ( c ) b 1 h l 1 9 ( b ) a 1 - 1 2 ( d ) b 1 - 1 t 2 东南大学工程硕士学位论文 ( f ) c 2 - 1 2 ( g ) d _ h l ( h ) d - h 2 图2 - 5 电铁引起的谐波扩散影响示意图( 总谐波电压畸变率) 2 0 第二章理论分析和仿真计算 2 3 2 不平衡潮流计算和分析 2 3 2 1 注入电网的负序电流 根据电气化铁路运行不同工况下的供电臂电流，以及阻抗匹配平衡变压器的负序变化分析。通 过不平衡仿真计算得到电铁正常和严重运行工况下三相电流的幅值和相位，并得出注入电网的负序 电流”，如表2 7 所示。 表2 7 牵引站运行负荷数据( 不平衡分析工况) ( 单位：a ) 夹河寨u 1 工况 牵引站供电臂分区所 运行电流功率因数 a b c i ma b c 一口 负序电流 夹河寨杨楼6 6 5 4o 81 8 6 4 7 2 7 9 35 7 9 夹河寨9周宅子，徐州西2 6 3 80 81 4 6 0 2 1 8 0 2 8 8 7 31 0 2 1 8 夹河寨u 2 工况 牵引站供电臂 分区所运行电流功率因数 a b c i ma b c 一口 负序电流 夹河寨 杨楼 1 0 6 6 50 82 9 7 2- 2 1 8 71 5 4 夹河寨b周宅子，徐州西 0 0 8 2 1 7 5 71 5 8 1 3 7 9 6 41 5 8 1 3 徐州北u 1 工况 牵引站 供电臂 分区所运行电流 功率因数 a b c i ma b c 一口负序电流 徐州北高家营，徐州西7 3 4 6o 82 0 6 3 7- 2 9 1 4 5 5 5 徐州北 1 3 柳泉( 京沪) 3 4 9 6o 81 6 5 9 6- 1 7 6 4 1 1 1 8 l9 7 5 1 徐州北u 2 工况 牵引站供电臂分区所运行电流功率因数 a b c i ma b c 一口 负序电流 徐州北高家营，徐州西 1 4 0 5 80 83 9 1 7 5- 2 1 8 72 0 3 徐州北b 柳泉( 京沪) 0o 82 8 6 7 81 5 8 i 3 1 0 4 9 8 1 5 8 1 3 2 l 东南大学工程硕士学位论文 2 3 2 2 电气化铁路负荷在电网引起的三相电压不平衡度 根据仿真计算，在不考虑系统背景三相电压不平衡度的情况下，电铁在接入点及其附近引起的 三相电压不平衡度如表2 8 所示。 表2 8 电铁负荷引起的三相电压不平衡度 三相电压不平衡度( ) 方案接入点 i i o k v 侧3 5 k v 侧 2 2 0 k v 侧 桃园l l o k vi i 母( 供徐北) 0 60 7 o 1 a l u 1 赵山l l o k vi 母( 供夹河) 0 8o 9 0 1 桃园l l o k vi i 母( 供徐北) o 50 5 0 1 a 2 u 1 赵山l l o k vi 母( 供夹河)0 60 7 0 1 桃园l l o k vi i 母( 供徐北) o 4 0 40 1 a 3 u 1 赵山l l o k vi 母( 供夹河) 0 7o 90 1 桃园i l o k vi i 母( 供夹河) 0 40 50 1 b 1 u 1 九里山l l o k vi 母( 供徐北) 1 11 1 o 2 桃园l l o k vi i 母( 供夹河) 0 4o 5 0 1 b 2 u 1 九里山l l o k vi 母( 供徐北) 0 9 1 00 2 c i - u i桃园l l o k vi i 母( 供徐北夹河) 1 41 5o 2 c 2 - u 1 桃园l l o k vi i 母( 供徐北夹河) 1 o1 1 o 1 c 3 u 1 桃园1 l o k vi i 母( 供徐北夹河) 0 80 9 0 1 赵山l l o k vi 母( 供夹河)o 4 0 5o 1 d u 1 九里山l l o k vi 母( 供徐北) 0 80 9 0 1 桃园1 l o k vi 母( 供徐北) o 70 8 o 1 e 3 - u i