电能质量讲座 PPT课件

电气化铁路电能质量及其综合补偿技术,西南交通大学电气工程学院贺建闽2008年4月,前言电力作为商品摆脱传统的计划经济模式进入市场，以市场运作规则制约供用电双方，是我国电力市场建设与发展的必然。我国电力市场建设是一项长期复杂的系统工程，涉及电力系统规划、电力生产、电网运行和负荷管理等诸多方面。电能质量是评估电力系统运行水平的重要技术标准。优良的电能质量应由供电方、电器制造厂商和电力用户三方共同保证。,自20世纪90年代起，国际相关组织开始将电能质量以及电磁兼容构筑成一个技术体系加以研究。电能质量已经成为电力系统研究领域一个新的学科分枝。电能质量监测与管理已经成为电力市场管理中的一项系统工程。电能质量相关知识已成本专业学生的课堂学习内容。,电力负荷分类(1)普通负荷(CommonLoad)，对电能质量要求不太高,如照明设备、加热器、通风机、空调机、一般家用电器等。(2)敏感负荷(SensitiveLoad)，电能质量不好可能对此类负荷造成一定的损害,如电动机控制器、UPS、变频调速装置等。(3)严格负荷(CriticalLoad)，对此类负荷,必须确保供电严格符合要求,如信息技术的芯片生产、微电子元件的智能化流水线、医院、银行和证券交易中心的计算机等。,电能质量的基本要求优质的供、用电应具有以下特征：(1)供电电压具有稳定的标称频率、幅值和波形；(2)保持三相电压和电流的平衡，保证电网最大传输效率；(3)持续稳定和充足的电能供应；(4)低廉的电价；(5)对环境的不良影响较小。,电能质量的特征(1)电力系统的电能质量始终处在动态变化之中；(2)电力系统是一个整体，各个局部的电能质量可能相互影响；(3)电能质量扰动会在系统中广泛传播，并对其他系统或设备产生实在或潜在危害；(4)在一般情况下，用户是保证电能质量的主体；(5)对电力系统电能质量综合评估非常困难；(6)电能质量管理和控制是一项系统工程。,电能质量问题研究要点：(1)污染源特性研究对负序、无功、谐波、闪变等污染源的种类、形式、特性研究；(2)电力系统对污染源的响应特性研究在电能质量研究中，这是最为困难的环节；(3)对污染源的实时治理。,保证优质电能的目的(1)现代用电设备对电能质量的要求更高，许多带有微处理器和功率电子器件的装置对电磁干扰极为敏感。(2)非线性设备的谐波污染，致使供电电压干扰水平加重,对系统安全运行带来直接的或潜在的危害。(3)电力用户提高了对诸如供电间断、电压凹陷、电路通断引起的暂态现象的认识，提出更高供电质量要求。(4)电网各部分是相互联系的，供电部门在保证向用户优质供电的同时，还需极力避免遭受用户产生的电力干扰，维护电网安全运行。,建立电能质量管理体系的目的近年来，在经济发达地区高端产业快速增长的同时，非线性负荷大幅增加。有关资料显示，发达国家50以上的负荷通过电力电子装置供电，致使电网中的电能质量问题日益突出。据美国电力科学院JaneClemmensen的粗略估计，认为每年因电能质量相关问题，造成美国经济损失达260亿美元。发达国家电能质量问题主要是供电电压暂降，占供电质量投诉量的80%。据英国1995年就电能质量问题对容量超过1MW的100家电力用户所作调查显示，在过去的1年中，66的用户因电能质量问题导致生产受损。,据IBM公司的市场调查，48.5的计算机数据丢失由电源电压质量不良引起。信息产业和以计算机、微处理器为核心部件的工业生产，对电网电能质量提出了更高的要求，所以产生了“信息电力”的概念，其要点为电力供应必须着眼于满足信息社会的要求，而不是仅限于满足传统工业社会的要求。因此，有必要建立电能质量监管体系，使其成为保证电网安全运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用电能的基本技术规范，同时也是实施电能质量管理、维护供用电双方合法权益的法律依据。,自20世纪60年代起，世界大多数国家制定了有关供电频率和电压允许变动的技术指标，部分国家还制定了限制谐波电压、电流畸变以及电压波动等推荐导则。近十几年来，许多工业发达国家已制定了更加完备的电能质量系列标准，而且各国的电能质量标准正在与国际相关专业委员会推荐标准接轨，逐步实现标准的统一与完整。,电气化铁路与电能质量电气化铁道负荷的波动性、不对稳性、低力率（低功率因数）和非线性一直是电力专家关注的电能质量问题。我国第一条电气化铁路宝成铁路宝鸡至凤州段于1961年8月15日建成通车。由于当时向该段供电的电网容量较小，电网三相电压不平衡是当时专家们关注较多的问题。,1961年宝凤段供电示意图在宝（鸡）凤（州）段开通时，考虑到宝鸡电厂无法承受电气化铁道产生的负序电流，所以在供电上“舍近求远”，从关中系统兴平地区变电所受电。直至上世纪90年代，随着电网容量扩大，该地区的电压不平衡问题得以缓解。,1961年到1980年底，我国共建成电气化铁路1676km，发展十分缓慢。自1980年改革开放后，电气化铁路开始从山区走向平原；由低标准边远地区铁路向主要长大干线、重载、高速铁路发展。2006年9月,随着浙赣线开通,我国电气化铁路已过24000公里。电气化里程居世界第2位,电气化率达27%，承担运量比重近50%。在此期间，电力、铁路两部门在电能质量，尤其是在谐波、负序、无功方面的争议一直没有停止。,上世纪80年代初，石太电气化铁路开通和葛洲坝上海500kV直流输电工程的建设，引起了我国大规模谐波问题研究的开始；1988年8月14日至30日，原能源部、铁道部联合多个单位共130余人，对山西雁同电网、丰沙大、北同蒲电气化铁路进行谐波、负序测试；2001年1月至8月成都铁路局、西南交通大学、四川电力公司对成昆电气化铁路西昌段进行谐波、负序测试；2002年6月成都铁路局、西南交通大学、四川电力公司对内昆电气化铁路昭通段进行谐波、负序测试。每一次测试，随之而来的是电力、铁路双方的激烈争执。,“十一五”期间,铁路里程将新增2万公里;其中客运专线9800公里，时速在300公里以上的有5457公里；既有线电气化改造15000公里。根据2004年国务院批准的铁道部中长期铁路网规划，至2020年，我国铁路营运总里程将达到10万公里，其中客运专线达到1.2万公里；包括“四纵”、“四横”八条时速在200公里以上的客运专线。,我国200km/h客货共线铁路的单台机车功率达800012000kW；设计列车追踪间隔为5min；牵引变电所主变安装容量为31.550MVA；部分达到63MVA。客运专线的单台机车功率达到23000kW；设计列车追踪间隔为3min；牵引主变安装容量达到73MVA以上，甚至达到120MVA。在这些线路上，一方面，电气化铁路需要电力系统提供高质量、高可靠性的供电电源；另一方面，电气化铁道产生的电能质量问题也会更加突出，例如:,电气化铁路进入我国经济较发达的东部地区，如京沪线、浙赣线、沪杭线，电气化铁道负荷对电网以及高端制造业的影响已经引起当地电力部门的高度重视，不断提高电气化铁路的准入门坎，致使这些电铁线路的供电协议谈判进行得异常艰难。对于电气化铁道技术人员来说，对电能质量相关知识的了解，是很有必要的。,第1节电能质量定义从普遍意义讲，电能质量和优质供用电相关。但迄今为止，人们对电能质量的技术含义尚未给出统一的定义，这是人们关注的问题不同以及看问题的角度不同所致，例如：电力部门可能把电能质量定义为电压与频率的合格率,并且用统计数字来说明，供电可靠率（RSI）达到99.99%，表明电力系统是安全可靠运行的;,发达国家平均供电可靠率（RSI）达到99.999；中国电力企业联合会于2003年7月12日宣布：我国平均供电可靠率（RSI）首次超过3个“9”，达到99.907%，这意味着我国城镇10kV用户年平均停电降至8小时10分钟，而10年前，这一数字为95小时45分钟。但高端制造业，如IC制造厂商，希望供电可靠率达到9个“9”，99.9999999，即全年只允许2个工频周波（40ms）的故障时间。,电力用户则把电能质量定义为是否向负荷正常供电；设备制造厂家则可能将电能质量定义为电源质量，要求电源特性完全满足电气设备的正常工作需要；另外一些事件，例如供电中断，究竟应当归属于输配电工程问题还是用户用电质量问题，供用电双方意见往往无法一致。,正因如此，人们谈到电能质量时,使用的技术名词也不规范，例如：电力系统质量（electricpowersystemsquality）供电质量（qualityofpowersupply）电压质量（voltagequality）在1968年发表的一篇关于美国海军电子设备电源规范研究的论文中,最先使用了“powerquality”（电能质量）这一术语。,IEEE标准化协调委员会已正式采用“powerquality”(电能质量)这一术语，并且给出了相应的技术定义。IEC没有采用“powerquality”(电能质量)，而是提出使用“EMC”(电磁兼容)术语，其强调设备之间、电源与设备之间的相互作用和影响。,在IEC的电磁兼容概念中，采用以下两个术语：排放(emission)表示设备产生的电磁污染，反映的是负荷电流质量问题;抗扰(immunity)表示设备抵抗电磁污染的能力，它与供电电压质量相关。IEC以此为基础,制定出了一系列相关的电磁兼容标准。电磁兼容术语与电能质量术语有很大重叠性，它们之间有许多同义词。,国内外关于“电能质量”的几个定义定义1：IEEE标准化协调委员会给出的电能质量定义:合格电能质量概念指的是，给敏感设备提供的电力和设置的接地系统均能适合于该设备正常工作。定义2：所谓电能质量是指电压质量、频率质量及供电可靠性的总称。定义3：电能质量定义为导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。,除此之外,许多文献还采用了一些并未得到公认的术语和补充定义。例如：1电压质量(voltagequality),实际电压与理想电压的偏差反映向用户供给的电力是否合格。2电流质量(currentquality),除了对电流提出恒定频率正弦波形要求外,还力图使该电流波形与供电电压同相位,保证系统以高功率因数运行。3供电质量(qualityofsupply),它包括技术含义和非技术含义两部分。技术含义有电压质量和供电可靠性;非技术含义是指服务质量(qualityofservice),它包括供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价格的透明度等。4用电质量(qualityofconsumption)包括电流质量和非技术含义,如用户是否按时、如数缴纳电费，等。,第2节电能质量问题分类1稳态电能质量问题供电电压偏差；公用电网谐波；三相电压不平衡度；电力系统频率偏差；电压波动与闪变。2暂态电能质量问题暂态过电压和瞬态过电压。,电能质量的实际测量方法和输出结果,第3节我国已建立的电能质量标准GB12325-1990供电电压允许偏差；GB/T14549-1993公用电网谐波；GB/T15543-1995三相电压允许不平衡度；GB/T15945-1995电力系统频率允许偏差；GB12326-2000电压波动与闪变；GB/T18481-2001暂态过电压和瞬态过电压。,第4节GB/T159451995中华人民共和国国家标准电能质量电力系统频率允许偏差简介电力系统频率偏差：系统频率的实际值与额定值之差。频率偏差允许值：电力系统正常频率偏差允许值为0.2Hz；当系统容量小于3000MW时，偏差值可以放宽到0.5Hz。冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过0.2Hz，根据冲击负荷性质、大小以及系统的条件也可适当调整限值，但应保证电网发电机组和用户的安全稳定运行。,电网频率实测案例：图为成(都)-达(州)铁路大英牵引变电所110kV电网频率实测结果，其偏差远小于0.2Hz，表明我国主网有功功率比较充足。,但在弱小电网，负荷较小的变动都可能导致电网频率较大波动,下图是青藏线安多35kV配电所的频率测试情况。当雄安多297km铁路专用输电线路退出时,那曲安多各个35kV铁路配电所由查龙水电站（装机容量8000kW）供电。从安多35kV配电所频率测试结果可以看出，在这一过程中，电网频率出现12分钟的较大波动。,第5节GB1232590中华人民共和国国家标准电能质量供电电压允许偏差简介交流50Hz电力系统供电电压偏差定义为实测电压与额定电压之差，以额定电压的百分数表示。供电电压允许偏差：（1）35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%；（2）10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的7%；（3）220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%、-10%。,说明：1电压偏差按以下公式计算2标准中“供电电压”指的是：供电部门与用户的产权分界处的电压；或由供用电协议所规定的电能计量点的电压。对于电气化铁路牵引变电所，“供电电压”指110kV或220kV母线电压。,计算到负荷端口，系统电压损失表达式如下式中，x为负荷端口看出的电网等值相电抗，；Q为该相线路传输的无功功率，kvar；UN为线路额定相电压，kV；为负荷功率因数角，感性负荷取正值。,将上式变化一下，系统电压损失表达式如下式中，UN为线路额定相电压，kV；Sk为负荷端口的系统三相短路容量，MVA；ST为负荷三相变压器容量，kVA；负荷功率因数角。,进一步，计算电压偏差式中，Sk为负荷端口的系统三相短路容量，MVA；ST为负荷三相变压器容量，kVA；负荷功率因数角。,对于高压电网，如果要求在额定负荷下，负荷端口电压偏差不大于UN，即可以求得系统三相短路容量Sk不应小于负荷主变容量ST的倍数,上式表明，可以通过以下两条途径，来保证供电电压偏差满足国家标准要求：（1）电网中传输的无功功率尽可能小；（2）负荷端口的系统三相短路容量尽可能地大。由此可见，维持良好的供电电压水平，取决于供电部门和电力用户双方的共同努力。,通常认为，高一级电网的供电能力较强，2005年对国内南方某城市电网20个110kV变电站、70个220kV变电站的短路容量调查，结果如下：（1）110kV的短路容量：878.04MVA-3891.21MVA；（2）220kV的短路容量：1715.73MVA-7697.7MVA。,2006年对国内华北某电网4个110kV变电站、10个220kV变电站的短路容量调查，结果如下：（1）110kV的短路容量：439.6MVA、1315.8MVA、1007.5MVA、3077MVA；（2）220kV的短路容量：3726.7MVA17422.4MVA。,相对西部而言，我国东部经济发达地区的电网较为强大，例如京沪电铁天津段牵引变电所110kV接入点的系统三相短路容量如下表所示,又如，京沪电铁北京、上海段牵引变电所110kV接入点的系统三相短路容量如下表所示,相比而言，发达国家电网供电能力较强，韩国电铁接入系统的短路容量如下表所示，国外部分客运专线对接入系统提出了9000MVA短路容量的要求。,电气化铁路牵引供电系统的电压水平受电力系统电压损失、牵引变压器电压损失和牵引网电压损失三方面制约。对应不同容量的牵引变压器，为保证供电臂未端电压不低于19kV，要求的系统短路容量如下表所示,需要强调的是，增大系统短路容量，能够减少的仅仅是电力系统电压损失，而牵引变压器绕组电压损失和牵引网电压损失与电网短路容量无关。为保证接触网的电压变化在允许值以内，可以考虑选择牵引变压器的短路电压为8%，而不是通常的10.5%，这也是国外的成功经验。,世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级一览表,我国边远地区电气化铁路目前面临的问题是电网短路容量偏小，供电能力较弱。电网短路容量偏小意味着系统发电容量偏小或电源距负荷中心偏远。国外专家通常认为，电网公共连接点短路容量不足用户容量的30倍时，可以视其为小电网，小电网常见的电能质量问题之一就是供电电压偏差较大。在弱小电网中，牵引负荷可能引起电网电压较大的偏差和波动。,图为内昆铁路盐津牵引变电所试运行的测试情况，上图为110kV母线A相电压，下图为A相电流。向该所供电的云南昭通电网较为薄弱，造成空载时变电所110kV母线电压偏高，负荷时偏低。在昭通电网扩能改造之后，这一状况得以改变。,南昆线牵引测试数据（时间：2002.6.46）,对于更弱小的电网，情况更是如此，运行中，系统较小的变动都可能导致网压较大波动，下图是青藏线安多35kV配电所的电压测试情况。在当雄安多铁路专用输电线路退出时，35kV铁路配电所均由查龙水电站（装机容量8000kW）供电，此时电网电压出现较大波动。,铁路专家对外部电源供电方案的建议电力系统对电铁的供电方案，不仅关系到铁路牵引供电系统的供电质量，也同时影响到电力系统的稳定和其他用户的供电质量，需要综合研究确定。（1）对电铁供电原则建议最大供电能力按铁路远期规划考虑，适应铁路远期发展的需要，避免今后对电源系统进行改造。供电方案应考虑电铁牵引负荷波动频繁，冲击大的特点。,（2）对供电方案的建议,对客运专线供电方案的建议客运专线供电负荷大，可靠性要求高，全部采用交直交动车组，功率因数高，谐波含量低。京津城际、武广客专、京沪客专等客运专线，最高速度达到350km/h；石家庄-太原，沪汉蓉客运通道的南京-合肥-武汉，沿海客运通道的宁波-温州-福州-厦门-深圳等客运专线，近期客货共线运输，远期客货分线，客车最高速度达250km/h至300km/h,供电负荷大，可靠性要求高，建议采用220kV电源供电。沪宁城际、广珠城际等客运专线，供电负荷较大，可靠性要求高，建议有条件时尽量采用220kV电源供电。,对一般铁路供电方案的建议对于运量较小的电气化铁路，可采用110kV电源供电。这样，110kV输电线路、开关装置、主变压器等高压设备投资可以降低13以上。但在电力系统特别薄弱地区，如果系统短路容量偏小，电压波动较大时，建议加强电力系统容量或提高电压等级供电。,对重载铁路供电方案的建议运煤专线等重载铁路，列车牵引质量10000吨，最高可达20000吨，以后有可能发展更大牵引质量的运输方式。由于重载铁路供电负荷大，可靠性要求较高，建议采用220kV电源供电。,改善电压水平的措施为保证电网具有良好的电压水平，电网公司除进行全局无功优化调整外，还要求大宗电力用户对无功做到“就地补偿”，使用户月平均功率因数达到0.90以上，并对用户实行奖惩制度。提高牵引变电所功率因数的主要方法是在27.5kV侧设置并联电容补偿装置。目前我国铁道电气化铁路较多采用固定补偿方式。,随着无功计量方式的转变，由“反送反计”或“反送不计”变为“反送正计”，固定补偿的缺点显现出来。在“反送正计”方式下，过度的无功补偿使得变电所平均功率因数更低，这一现象在个别牵引变电所较为突出。例如大同西供电段，1993年2月该段对永嘉堡变电所b相并联电容补偿装置进行增容改造，电容器容量由原来的6640kvar增至7600kvar，但是变电所月平均功率因数却由改造前的0.73降至0.590.65，造成当年该变电所罚款额达220万元，直到该所完成可调无功补偿改造后，这一情况才得以改变。,又如，上图为成达铁路金堂牵引变电所2006年10月份供电月报表。该所无功计量方式为反送不计，当月平均功率因数为0.921;但若按无功反送正计考核，该所当月平均功率因数仅为0.299。,随着科技进步和新型电力设备尤其是电力电子设备制造技术的发展，使可调并联无功补偿装置的工程应用成为可能。在电气化铁道，晶闸管投切电容器组(TSC)、晶闸管控制电抗器(TCR)和真空接触器投切电容器组的可调无功补偿装置于2000年前后在各地牵引变电所应用，取得了良好的无功补偿效果。需要强调的是，固定并联电容补偿方式有着结构简单、工程造价低、可靠性高、现场运行经验成熟及运行维护方便等诸多优点。在一定的运输条件下是能够较好地发挥其补偿效益的，对固定补偿方式采取简单否定的态度是不可取的。,德国高速铁路牵引变电所采用固定并联电容器补偿装置,法国Commuue牵引变电所采用固定并联电容器补偿装置,在我国，采用固定并联电容补偿也有许多成功案例。例如，丰沙大线的东城乡牵引变电所，采用固定并联电容补偿方式，按无功反送正计计量，变电所日平均功率因数达到0.92，取得满意的补偿效果。,第6节GB/T155431995中华人民共和国国家标准电能质量三相电压允许不平衡度简介正、负、零序电压、电流计算如下式所示,负序电流和三相电压不平衡的主要危害引起发电机转子附加损耗、发热，负序磁场产生制动力矩、机械振动；增加电动机定子和转子的铜损，负序磁场产生制动力矩，正负序磁场产生的脉动转矩引起电动机振动；降低变压器负载能力，造成局部过热，缩短变压器寿命；造成继电保护和自动装置误动；造成输电线路损耗的增加。,三相电压不平衡度用电压负序分量与正序分量的均方根百分比表示。电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%。接于公共接点的每个用户引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1.3%，根据连接点的负荷状况、邻近发电机继电保护和自动装置安全运行要求，可作适当变动。,根据GB/T155431995，电网公共连接点的三相电压不平衡度按下式计算式中，I2为注入电网公共连接点的A相负序电流，A；Sk为公共连接点的三相短路容量，MVA；UN和UL分别为公共连接点的额定相电压和线电压，kV。,根据以上公式，可以导出式中，Sk为公共连接点的三相短路容量，MVA；S2为负荷的负序容量，MVA；U为公共连接点的三相电压不平衡度允许值，。选择不同的U允许值，可求得最小的系统三相短路容量对负荷负序容量的倍数Sk/S2。,国外在对电气化铁路的实际执行中，要求牵引变电所的负序容量占系统侧短路容量的百分数，长时间不大于1.5%，短时间（不超过10min）不大于2%。按变压器允许过负荷30计算，三相、V接和单相牵引变电所的负序容量如下表所示,以上分析表明，如果三相不平衡负荷较小，即I2足够小或系统较强大，即三相短路容量Sk足够大，都可以将三相电压不平衡度控制在国标规定的范围内。在同样牵引负荷条件下，进入高一级电网，例如220kV系统，由于电网供电能力的提高，三相电压不平衡问题能够得以缓解。同样的牵引负荷，在不同的110kV电网中，三相电压不平衡程度不同，较强电网的情况往往较好。,测试实例：测试期间，洛阳东牵引变电所110kV电压不平衡度最大值为2.33%，95%概率值为1.30%，符合国标要求,说明河南电网比较强大。,测试实例：雁翅牵引变电所在测试期间，110kV三相电压不平衡在任一极短时间内均无超出国标GBT155431995规定的限值。,测试实例：江油牵引变电所，测试期间110kV电压不平衡度最大值为1.70%，符合国标要求。该所110kV母线三相电压平衡状况良好的原因除其紧邻江油热电厂外，牵引变压器采用平衡接线方式也是一个重要原因。,泸沽牵引变电所110kV母线最小短路容量不足400MVA。尽管该所负荷远远小于洛阳东牵引变电所，但从测试结果看，该所110kV母线三相电压不平衡度远远高于洛东变电所。,另一案例，成昆铁路泸沽牵引变电所，装接容量为220MVA，日通过能力为22对车天。西昌电网为小电网，西昌220kV变电所供电设备容量180MVA；110kV公共连接点最小短路容量为613MVA；,另一案例：2000年10月27日至11月5日，陕西省电力公司对神（府）朔（州）电气化铁路进行电能质量测试，发现110kV线路最大三相电压不平衡度达到13.34、负序电流最大值达到100A，持续时间达5s，致使电气化铁路附近的某发电厂自动装置不能正常工作，为保证发电机组安全，机组被迫停运。,牵引负荷对电力系统产生冲击、谐波、负序等不利影响，这是世界各国电铁的共同属性。设计时，应采取下列措施来减轻电铁负荷对电力系统的不平衡影响：（一）在牵引变电所电源进线侧采取相序轮换接入电力系统的方式，使电铁牵引负荷均衡接入电网。（二）牵引变电所二个供电臂负荷尽可能设计均衡。（三）采用负荷平衡性较好的牵引变压器接线型式。（四）在运输组织上尽量使列车均衡发车。,下图为郑州至徐州电气化工程相序轮换接入电力系统方案示意图：,第7节GB/T14549-93中华人民共和国国家标准电能质量公用电网谐波简介电压、电流波形畸变并不是一个新课题，在20世纪20年代，德国就已提出静态整流器引起的波形畸变问题。从20世纪50年代起，由于高压直流输电技术的发展，技术人员在晶闸管换流器谐波问题的研究方面作了大量工作。20世纪70年代后，各种功率换流器的普遍应用，引起了人们对电网谐波问题的关注，促进了谐波问题研究的发展。自那时起，各国以及相关专业委员会，如国际电工委员会（IEC），先后制定了包括配电系统、电力设备、用电设备包括家用电器在内的各类谐波标准。,谐波污染对电网及用户的主要影响造成电网功率损耗增加，线路和设备过热；引起变电站局部的并联或串联谐振，造成电力设备损坏；造成电力变压器、电力电缆、电动机设备发热，电容器损坏、绝缘材料老化、延长断路器灭弧时间；造成继电保护和自动装置误动作；增大磁场干扰，影响电子仪表和通信系统的正常工作，降低通信质量。降低电能计量的准确度。,谐波污染引起的电力事故屡见不鲜，例如:1989年3月，加拿大魁北克系统因地磁感应电流过大导致系统主变饱和并产生大量谐波，造成SVC保护动作、系统电压失稳，最终使魁北克系统崩溃；1991年意大利阿尔俾斯山区20kV电网，因谐波电流引起18电压畸变而最终瘫痪；1993年2月13日，我国河南信阳驻马店地区由电气化铁路谐波引起220kV线高频保护误动作，引发大面积停电事故；。,上世纪80年代初，由于石太电气化铁路开通和葛洲坝上海500kV直流输电工程的建设，我国展开大规模谐波问题的研究，至今已取得众多基础性成果。谐波国家标准GB/T14549-93电能质量公用电网谐波自1994年3月起开始实施。基于IEC61000-3-6技术文件的国家标准化指导性技术文件GB/Z17625.4-2000电磁兼容限值中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估也于2000年12月颁布。,谐波国家标准GB/T14549-93规定的公用电网谐波电压（相电压）标准如下表所示。,在基准短路容量下，注入各级电网公共连接点的谐波电流允许值如下表所示。,根据GB/T14549-93，电网公共连接点第h次谐波电压含有率HRUh按下式计算式中，Ih为注入电网公共连接点的总h次谐波电流，A；h为谐波次数；Sk为公共连接点的三相短路容量，MVA；UN和UL分别为公共连接点的额定相电压和线电压，kV。,上式表明，如果非线性负荷较小，即Ih足够小或系统三相短路容量Sk足够大，都可以将谐波电压控制在国标规定的范围内。在同样牵引负荷条件下，进入高一级电网，例如220kV系统，由于电网供电能力的提高，有助于改善谐波状况。同样的牵引负荷在不同的电网中，谐波表现不同，在较强电网，情况往往较好。,平果变A相电压总谐波畸变率田东变A相电压总谐波畸变率典型案例：南昆电气化铁道广西境内由南宁电网和百色地区电网供电，南宁电网主要由广西主网供电，百色地区电网则由广西电网一部分以及地方小水电、小火电厂联合供电。平果和田东变电所相邻，地理情况和铁路运量相当。由于百色电网容量较小，所以田东变电所谐波电压情况较平果变电所严重得多。,洛阳东牵引变电所谐波测试实例：河南电网较强大。该时段内，最大电压综合畸变率为2.62%；95%概率大值为1.89%，符合谐波国标要求。,左图为丰台供电段雁翅牵引变电所电压总谐波畸变率测试数据，其谐波状况与江油变相当。,右图为绵阳供电段江油牵引变电所电压畸变率测试数据，95%概率值为2.17%，表明谐波电压部分超标。,田林变110kV侧A相电压总谐波畸变率,百色变110kV侧A相电压总谐波畸变率,田东变110kV侧A相电压总谐波畸变率,平林变110kV侧A相电压总谐波畸变率,南昆电气化铁路百色电网谐波电压测试情况,在电气化铁道谐波评估方面，我国电力和铁路部门长期以来存在较大争议。谐波国标GB/T14549-93电能质量公用电网谐波对各级用户制定了详细的各次谐波电流测量评估标准，但对用户端口的谐波电压评估没有作明确说明。GB/Z17625.4-2000对各级用户详细规定了谐波电压限值制定和考核方法，但其认为“即使其目的在于限制网络中的谐波电压，最好是对畸变设备规定谐波电流限值”。英、美、加拿大等国对电气化铁路侧重谐波电压考核。,综合考虑国内外经验，我国铁路专家认为对电气化铁路谐波考核应主要针对谐波电压，采用总量控制方法，以电铁总谐波电压畸变率作为谐波限值，不再对各次谐波电流进行评估。铁路专家认为牵引变电所作为电气化铁路谐波源头，如果控制其110kV（或220kV）母线总谐波电压畸变率不超标，那么连接它的公共连接点的总谐波电压畸变率必然不会超标。,目前我国电气化铁道较多采用交直型电力机车，由于采用相控整流，产生3、5、7等奇次谐波，对电力系统及相关设备产生不利影响。铁路在设计时，应采取下列措施来减轻电铁负荷对电力系统的谐波影响:（1）在牵引变电所内安装并联电容无功补偿装置，兼顾滤波作用，一般3次谐波可滤除50；5次谐波可滤除20；7次谐波可滤除15。（2）在部分交直型电力机车上加装补偿装置，补偿功率因数，并兼滤部分高次谐波。（3）发展交直交型电力机车和动车组牵引，逐渐淘汰交直型电力机车，全面推广交直交型电力机车和动车组。我国高速客运专线将全部采用交直交动车组，谐波含量大幅度降低，有望根本解决电铁谐波问题。,第8节GB12326-2000中华人民共和国国家标准电能质量电压波动与闪变简介电压波动和闪变作为评价电能质量的一个重要指标，直接反映出电网电压质量。1986年，国际电工委员会(IEC)根据1982年国际电热协会(UIE)的推荐，制定了闪变仪的测试功能和设计规范。我国在2000年以前主要参照日本的V10闪变标准进行测试和评价，以IEC标准为准，新的国标GB12326-2000电能质量电压波动与闪变已于2000年颁布。,电压波动和闪变产生的主要原因冲击性负荷用电，如电弧炉、轧钢机、电焊机等；系统发生短路故障；设备投切，如备用电源自动投切、自动重合闸等；系统遭受雷击。电压波动和闪变的主要影响电压波动和闪变大多产生于配电系统，通过配电变压器传输到低压用户。电压波动和闪变主要干扰计算机和控制系统和各种电子仪器设备的正常工作。,电压波动是指电压调幅波中相邻两个极值（电压均方根）之差，以额定电压的百分数表示；电力系统公共连接点由冲击性负荷产生的电压波动允许值见表所示。闪变是指人眼对灯闪的主观感觉，IEC标准规定低、中压电网短时（10min）闪变兼容值Pst=1，中、高压电网的闪变规划值分别为0.9和0.8。,在GB12326-2000中华人民共和国国家标准电能质量电压波动与闪变中，值得注意的有2点：（1）该标准虽然论及电压波动（电压变动）和电压闪变，但其着眼点在于闪变，最终可具操作（指测量程序实现、测量值的统计和评估）的指标也是闪变。所以在工程实践中，都是以电压闪变测量来评估电压的波动。（2）电压闪变的测量方法（即数据采样方法）与其他稳态电能质量（如无功、负序、谐波等）的测量方法不同。,测试案例：成达铁路金堂变电所110kV母线，测试期间处于空载状态，电压10min闪变评估值Pst为0.4,没有超标。,第9节GB/T18481-2001中华人民共和国国家标准电能质量暂态过电压和瞬态过电压简介根据不同负荷对电压质量的敏感度,负荷分为三类:(1)普通负荷(CommonLoad)：普通负荷对电能质量要求不太高。(2)敏感负荷(SensitiveLoad)：如电机控制器、UPS、变频调速装置等。(3)严格负荷(CriticalLoad)如信息技术的芯片生产、微电子元件的智能化流水线、医院、银行和证券交易中心的计算机等。,严格负荷通常对供电网电能质量提出很高要求，例如：浦东新区上海索广映像有限公司的等离子电视机显像管生产线，要求低于85UN的电压不得持续10ms；英特尔中国有限公司的芯片封装厂对电源提出零停电要求，要求低于87UN的电压不得持续12ms；华虹NEC芯片生产厂同样对电源提出零停电要求，并要求低于90UN的电压不得持续10ms，该公司在建厂初期向有关电力公司索要完整电网背景电能质量测试资料。,人们关注的暂态电压扰动主要有4类,即电压下跌、断电、尖峰脉冲、电压上升。,(1)电压下跌(Sag)，这是电压幅值下降持续时间小于2s的情况,通常是由电动机启动瞬变或电力系统的切换操作引起的。这是用户投诉最多的一种电压扰动。(2)断电(Interruption)，这是由电力系统故障引起的,图中表明允许断电时间小于10ms（50Hz系统),超过半个周波就会产生严重后果。(3)电压尖峰脉冲(Spike)，这是电压高频突发,产生极高的短暂电压升高而损坏电子设备。(4)电压上升(Swell)，这是系统电压瞬时波动所常见的,关键是幅值和持续时间。,引起暂态电能质量问题的几个主要原因：电力系统短路故障，尤其是线路重合闸对电压的扰动更为复杂；闪络或线路对大地放电；电力系统正常的开关操作；储能性设备的正常操作；冲击性负荷的生产过程，典型的冲击性负荷有：交（直）流炼钢电弧炉、电力机车、轧机、提升机、绞车、电焊设备、大型电机起动等。,人们最关注的暂态电能质量问题是电压跌落，其主要危害如下：,美国CBEMA（美国信息技术工业协会）提出的电压容限曲线及典型电压扰动(阴影部分为合格电压),ITIC曲线(CBEMA曲线的修正),适用于所有类型设备的电压容限幅值和持续时间,测试实例：对我校供电系统实验室某220V供电点电压进行测量,评估结论是在暂态电压质量方面不存在问题。,第10节电能质量监测与管理电能质量的监测、管理是一个巨大的系统工程，需要人力、物力的大量投入，例如：日本关西电力公司为了精确掌据各类用户的谐波发生量和排放规律，曾分别在日本的工业区、商业区和住宅区进行了长达3年的连续监测。美国也曾于1993年6月至1995年9月对4.16kV34.5kV的277座变电站及馈线进行了全面的监测，获得了5691份监测数据。加拿大电气协会(CEA)自1991年起开始一项为期3年的电能质量调查，共有22个电力公司参与，监测了550个供电点，包括工业、商业和居民住宅区。一些发达国家目前也已建立完备的电能质量监测网络。,第11节电气化铁道电能质量综合补偿技术我国既有普速电铁线路，除少数从国外引进的电力机车（如日本的6K型，法国的8K型）外，绝大多数采用的是我国自行设计制造的SS（韶山）交直型电力机车。如：适用于重载货运的SS4型，客货两用的SS6和SS7型，以及快速客运和准高速客运的SS5、SS8和SS9型。电力机车从接触网取得25kV工频单相电压，经车载变压器降压到1500V，整流后向牵引电动机供电。牵引电动机采用直流串励式，额定电压为1020V，单台功率约为700900kW。,交直型电力机车采用半控桥式整流装置，通过控制晶闸管的导通角来实现机车出力的调节。这一控制方式，使得交直型机车的功率因数较低（0.8左右），并产生丰富的谐波，主要是3、5、7、9等奇次谐波。交-直-交型电力机车提高了机车用电的功率因数（0.95以上）、降低了注入系统的谐波（谐波电流总畸变率小于5%），从而减少了电网的压损、电压波动和注入系统的谐波电流，综合用电效益明显，以其优异的性能，成为机车传动的主流技术和发展方向。,在近期一段时间内，既有线仍以交-直型机车为主，未来客运专线也可能出现交直和交-直-交机车混跑的局面。就我国电气化铁路供电系统而言，对电网存在主要的电能质量问题是：（1）不平衡，即负序问题；（2）谐波问题；（3）无功，即功率因数问题；（4）冲击性牵引负荷引起的电网电压波动与闪变。,国外高速铁路供电系统的电能质量指标与措施1法国高速铁路牵引供电系统根据欧洲标准，法国电力公司控制电网负序电压的总水平为2%，分配给电气化铁路的指标为1%。电力公司在实际执行中，要求：负序电流限制：牵引变电所负序容量与系统连接点三相短路容量之比不超过1.5%；负序电压限制：三相电压不平衡度，1小时不超过2%、短时不超过4%。,法国采取的限制不平衡措施如下：（1）牵引变电所由225kV或400kV供电，以确保系统连接点有足够大的短路容量。（2）所有牵引变电所在接入电力系统时，必须采用轮换换相，降低总负序电流水平。（3）在电力系统薄弱，电铁大密度运行时，对单相运行可能导致负序超标的变电站，运行时可将“单相”与“V”接线相互转换。即正常时单相运行，在可能出现负序超标时，根据电力系统调度的命令，将两台变压器改为“V接”。（4）在牵引变压器低压侧（25kV侧）安装滤波及无功补偿装置。,2意大利高速铁路牵引供电系统意大利高速铁路系统，采用ETR500高速列车，25kV、50Hz交流AT供电方式。牵引供电系统设计准则为：保证高速列车以12MW、300km/h、5min间隔双向持续运行，并留有一定的裕度。牵引变电所平均设置距离为50km，安装两台60MVA单相牵引变压器。变电所不采用“V”接线，而是一台变压器运行，另一台作热备用，接入系统的电压为132kV。牵引变压器能够50%过载运行15min；100%过载运行5min。,意大利接入132kV系统的电力系统，其10min允许总谐波电压畸变率THD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，不超过10min）。意大利抑制高速铁路负序的措施，主要靠牵引变压器接入系统时的轮流换相来保证。在设计时要求每个电力系统变电站以不同的相序同时供给三个牵引变电所，以使三相负荷基本平衡。,3日本高速铁路牵引供电系统新干线采用AT供电方式，高速列车的牵引机车采用交-直-交传动方式。东海道、山阳、北陆新干线采用25kV、60Hz供电；上越新干线采用25kV、50Hz供电；山形新干线采用20kV、50Hz供电。AT供电方式变电所的容量在100150MVA之间，变电所间隔60km左右。接入系统电压主要为154kV、220kV和275kV。,日本要求66kV以上系统的允许总谐波电压畸变率THD不超过3%。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10min)。日本新干线采取了严格的电能质量控制措施，一般在25kV侧设无功补偿兼滤波器，容量为6000kvar，串联1213%的电抗器，滤除30%以上的三次谐波；在系统侧采用静止无功补偿装置(SVC)，达到滤除谐波、抑制电压波动、改善三相平衡等作用；,近期采用RPC方式（铁路静止功率调整器），用可关断电力电子器件构成有源功率变换装置。对于Scott接线牵引变压器，可以平衡两供电臂的有功功率、补偿无功功率、并同时吸收高次谐波电流，达到综合治理的目的，该系统已于2002年投入运行，效果良好。,4西班牙高速铁路牵引供电系统西班牙马德里-塞维利亚高速铁路，全长471km，1992年4月投入运营。高速铁路线路基础设施的设计速度为300km/h，列车实际运行速度可达250270km/h，采用德国AVE型高速列车。该线路共设12个牵引站，其中9座牵引变电所由一条220kV线路采用轮流换相方式单相供电，3座由一条132kV线路轮流换相供电。25kV侧采用交流50Hz直供加回流线供电方式。除一个牵引变电所为三台20MVA变压器并列运行外，其他牵引变电所均设两台20MVA变压器并列单相供电。,牵引变电所最大供电距离27km，变压器设计50%过载运行15min、100%过载运行6min，每次过载后按不高于额定容量运行6小时后才允