06外部电源对电气化铁路电能质量的影响

1、电气化铁路电能质量与综电气化铁路电能质量与综合控制技术合控制技术西南交通大学电气工程学院西南交通大学电气工程学院第六章第六章 外部电源对电气化铁路电能质量的影响外部电源对电气化铁路电能质量的影响 6.1 概述概述v电气化铁路进线一般选择电气化铁路进线一般选择110kv或或220kvv情况变化情况变化 电网建设和改造：主网由电网建设和改造：主网由220kv向向500kv发展发展重视电能质量：尤其针对电气化铁路重视电能质量：尤其针对电气化铁路v因此推荐电气化铁路进线采用因此推荐电气化铁路进线采用220kv电压等级电压等级v依据依据220kv的供电可靠性高于的供电可靠性高于110kv电压等级，与电压

2、等级，与客运专线和高速铁路的高可靠性相匹配；客运专线和高速铁路的高可靠性相匹配； 220kv的供电电压水平要求更高；的供电电压水平要求更高； 大量新建的客运专线和高速铁路全部采用最先大量新建的客运专线和高速铁路全部采用最先进的交进的交-直直-交牵引方式，功率因数极高，谐波交牵引方式，功率因数极高，谐波含量极低，不再对电网构成威胁。含量极低，不再对电网构成威胁。v牵引变电所采用牵引变电所采用220kv进线会使变电所的造价有进线会使变电所的造价有所增加。所增加。 6.2 牵引供电系统常用供电方式牵引供电系统常用供电方式6.2.1 牵引供电系统的电流制牵引供电系统的电流制v直流制：直流制：优势优势采

3、用串励直流电机，采用串励直流电机，不足不足电压低电压低v单相低频交流制：单相低频交流制：16.67hz，德国、奥地利等西，德国、奥地利等西欧国家采用欧国家采用三种方式：三种方式：完全独立完全独立的电力牵引专用的低频供的电力牵引专用的低频供电系统；在电系统；在专设的变频变电所专设的变频变电所内将三相工频交内将三相工频交流电变为单相电；流电变为单相电；在牵引变电所在牵引变电所进行降压、变进行降压、变频变相。频变相。 v工频单相交流制：工频单相交流制：50hz，法国、日本、前苏联、，法国、日本、前苏联、中国等，中国等，40%工频单相交流制特点工频单相交流制特点v主要优点主要优点 牵引供电系统结构简单

4、。牵引供电系统结构简单。牵引供电电压增高。牵引供电电压增高。交流电力机车的粘着性能和牵引性能良好。交流电力机车的粘着性能和牵引性能良好。和直流制比较，交流制的地中电流对地下金属的腐蚀和直流制比较，交流制的地中电流对地下金属的腐蚀作用小，作用小，般可不设专门防护装置。般可不设专门防护装置。v主要问题主要问题负序电流负序电流功率因数低功率因数低交直机车谐波电流严重交直机车谐波电流严重对沿线通讯线路造成电磁干扰对沿线通讯线路造成电磁干扰 环形供电环形供电牵引变电所在高压侧与一次系统联成环形网。牵引变电所在高压侧与一次系统联成环形网。优点：优点：供电可靠性好，能适应负荷的剧烈变化供电可靠性好，能适应负

5、荷的剧烈变化要求：要求：铁路附近有两个以上发电厂或地区变电所铁路附近有两个以上发电厂或地区变电所且其间有电力网互联。（受系统结构限制）且其间有电力网互联。（受系统结构限制） 地区变电所地区变电所或发电厂或发电厂地区变电所地区变电所或发电厂或发电厂牵引变电所牵引变电所牵引变电所牵引变电所6.2.2 电力系统供电方式电力系统供电方式 双侧供电（两边供电）双侧供电（两边供电）电源来自电力系统的两个地区变电所，给铁路供电源来自电力系统的两个地区变电所，给铁路供电的输电线是联络这两个地区变电所的通路。电的输电线是联络这两个地区变电所的通路。优点：优点：同环形供电同环形供电要求：要求：牵引变电所两侧都有电

6、源牵引变电所两侧都有电源 应用广泛应用广泛 双路输电线双路输电线牵引变电所牵引变电所牵引变电所牵引变电所 单侧供电（一边供电）单侧供电（一边供电）单侧供电是由一个地区变电所给数个牵引变电所单侧供电是由一个地区变电所给数个牵引变电所供电，为保证供电可靠性，应采用供电，为保证供电可靠性，应采用双路（或双回）双路（或双回）输电线输电线 。单侧供电方式的可靠性一般比双侧供电方式和环单侧供电方式的可靠性一般比双侧供电方式和环形供电方式要差，而投资不会比环形供电方式和形供电方式要差，而投资不会比环形供电方式和双侧供电方式少。双侧供电方式少。要求：要求：必须有两回路输电线供电，且有各自的杆必须有两回路输电线

7、供电，且有各自的杆塔和走线塔和走线双路输电线双路输电线牵引变电所牵引变电所牵引变电所牵引变电所散射供电（辐射线供电）散射供电（辐射线供电）当各牵引变电所离开电源差不多等距并且比单边当各牵引变电所离开电源差不多等距并且比单边供电更经济时，可采用散射供电方式。供电更经济时，可采用散射供电方式。缺点：缺点：可靠性差可靠性差要求：要求：相邻几个牵引变电所布置成弧形，且地区相邻几个牵引变电所布置成弧形，且地区变电所或发电厂的距离较近时，必须两回路输电。变电所或发电厂的距离较近时，必须两回路输电。 地区变电所地区变电所或发电厂或发电厂牵引变电所牵引变电所 6.2.3 内部供电方式（按牵引网设备类型的分类）

8、内部供电方式（按牵引网设备类型的分类）（1） 直接供电方式直接供电方式 牵引网结构最简，投资最小，但钢轨电位较高，牵引网结构最简，投资最小，但钢轨电位较高，对通信线的干扰感应最大，主要适用于通信线路对通信线的干扰感应最大，主要适用于通信线路（主要是明线）较少或很易将受扰通信线迁改径路（主要是明线）较少或很易将受扰通信线迁改径路的场合。的场合。基本型直接供电方式基本型直接供电方式在法国、英国、原苏在法国、英国、原苏联都广泛应用。联都广泛应用。 ct基本型直接基本型直接供电方式供电方式带回流线的直接供电方式：带回流线的直接供电方式：在钢轨上并联架空回流在钢轨上并联架空回流线（又称负馈线）。钢轨电位

9、大为降低，对通信线线（又称负馈线）。钢轨电位大为降低，对通信线的干扰得到较好抑制。还能降低牵引网阻抗，使供的干扰得到较好抑制。还能降低牵引网阻抗，使供电臂延长电臂延长30%及以上。及以上。 带负馈线的带负馈线的直接供电方式直接供电方式nct（2） bt供电方式供电方式 bt/回流线方式：回流线方式：bt串入接触网，间隔约串入接触网，间隔约1.5km-4km，用以吸回地中电流，减少通讯干扰。，用以吸回地中电流，减少通讯干扰。 bt/回流线方式牵引网结构复杂，造价较高，牵回流线方式牵引网结构复杂，造价较高，牵引网阻抗变大，供电臂长度将减小；因存在引网阻抗变大，供电臂长度将减小；因存在bt分段分段（

10、火花间隙），不利于高速、重载等大电流运行；（火花间隙），不利于高速、重载等大电流运行；但但bt方式的钢轨电位低，抑制通信干扰的效果很好。方式的钢轨电位低，抑制通信干扰的效果很好。bt/bt/回流线方式回流线方式btbtnct bt-回流线方式比回流线方式比bt-钢轨方式抑制通信干钢轨方式抑制通信干扰的效果好。扰的效果好。 我国采用的我国采用的bt方式均为方式均为bt-回流线方式，而回流线方式，而英国、法国、瑞典两种方式都有应用，挪威只用英国、法国、瑞典两种方式都有应用，挪威只用bt-钢轨方式。钢轨方式。 bt/bt/钢轨方式钢轨方式btbtct（3） at供电方式供电方式 at并联于牵引网中，

11、克服了并联于牵引网中，克服了bt串入网中串入网中bt分段分段的缺陷，使供电电压成倍提高，牵引网阻抗小，供电的缺陷，使供电电压成倍提高，牵引网阻抗小，供电距离长（约为直接供电方式的距离长（约为直接供电方式的170%-200%），网上），网上压损和能损都小，是一种适于高速、重载等大电流牵压损和能损都小，是一种适于高速、重载等大电流牵引方式。引方式。 一般一般at间隔约间隔约10km左右，左右，at供电方式的钢轨供电方式的钢轨电位较低，抑制道路干扰的效率与电位较低，抑制道路干扰的效率与bt-回流线方式相回流线方式相近，投资要高一些。近，投资要高一些。at供电方式在日本山阳新干线供电方式在日本山阳新干

12、线上应用，后来法国、美国、前苏联、我国等相继采上应用，后来法国、美国、前苏联、我国等相继采用。用。 nnatatpfctat接触网接触网钢轨钢轨正馈线正馈线6.3 电源供电能力与电气化铁路运行可靠性电源供电能力与电气化铁路运行可靠性 v电源供电能力电源供电能力 一般用一般用短路容量短路容量来衡量。来衡量。短路容量是指三相短路时系统短路容量是指三相短路时系统等效电源等效电源供给短供给短路点处的容量。路点处的容量。 v电力系统的短路容量，是选择牵引变电所电力系统的短路容量，是选择牵引变电所牵引变牵引变压器压器与与开关开关等电力设备所必需的重要参数，同时等电力设备所必需的重要参数，同时也是估计电力系

13、统供电能力的重要依据。也是估计电力系统供电能力的重要依据。 6.3 电源供电能力与电气化铁路运行可靠性电源供电能力与电气化铁路运行可靠性v日本、法国、英国、美国平均每户每年停电时间日本、法国、英国、美国平均每户每年停电时间分别为分别为 9、94、77、58 min，即供电可靠率分别，即供电可靠率分别为为 99.998、99.982、99.98、99.989%。v我国的供电可靠性较低，我国的供电可靠性较低，1995 年供电可靠率只年供电可靠率只有有99.075%。 6.4 电能质量与外部电源电压等级选择电能质量与外部电源电压等级选择 v影响因素影响因素供电的可靠性供电的可靠性电源电压等级越高，其

14、供电可靠性也越高，客运专电源电压等级越高，其供电可靠性也越高，客运专线、高速铁路及重载铁路都提出了更高的可靠性要线、高速铁路及重载铁路都提出了更高的可靠性要求求 电能质量电能质量 电气化铁路主要涉及电气化铁路主要涉及电压偏差电压偏差、三相电压不平衡三相电压不平衡、电压波动、电压波动、电网谐波电网谐波、无功补偿与功率因数等电能、无功补偿与功率因数等电能质量指标，它们在国标中主要反映用户干扰量与系质量指标，它们在国标中主要反映用户干扰量与系统短路容量的关系。统短路容量的关系。 v增大系统供电容量，可以达到增强系统的承受能增大系统供电容量，可以达到增强系统的承受能力的目的。力的目的。6.4.1电力系

15、统的供电能力电力系统的供电能力 v限制电力网送电能力的因素限制电力网送电能力的因素 导线发热导线发热电压损失电压损失功率和能量损耗功率和能量损耗v起因：电流起因：电流v解决方法：提高供电电压，减小电流解决方法：提高供电电压，减小电流表表6-1 电力网电压与输送功率、距离的关系电力网电压与输送功率、距离的关系 额定电压（kv）输送功率（mva）输送距离（km）11010505015022010015010030050010001500150850v我国我国普速电气化铁路普速电气化铁路一般采用一般采用110 kv电压等级。电压等级。v对于对于高速电气化铁路高速电气化铁路推荐采用推荐采用220kv电

16、压等级。电压等级。v既有京沪线既有京沪线电气化工程部分即采用了电气化工程部分即采用了220 kv的电的电压等级。压等级。v新建客运专线新建客运专线则全部采用则全部采用220 kv电源。电源。 外部供电电源容量与可靠性外部供电电源容量与可靠性（1 1）短路容量）短路容量 外部供电电源容量外部供电电源容量一般用短路容量来衡量一般用短路容量来衡量 电力系统的发电容量电力系统的发电容量越大，短路容量越大；负载点越大，短路容量越大；负载点距离电力系统电源越近，短路容量也越大距离电力系统电源越近，短路容量也越大 提高输电线的电压等级，可提高电力系统的短路容提高输电线的电压等级，可提高电力系统的短路容量量s

17、d分布范围分布范围(mva)110kv电网电网4403500220kv电网电网370014000电网短路容量分布范围6.4.2 牵引供电系统牵引供电系统电压损失电压损失对短路容量的需求对短路容量的需求 v分析的负荷和系统条件分析的负荷和系统条件普速普速110kv系统系统pcc短路容量取短路容量取5002000mva，供电，供电设备容量取设备容量取180350mva。牵引变压器容量取较为。牵引变压器容量取较为常见的常见的20mva 、25mva、31.5mva、50mva；牵；牵引变压器的接线方式；采用复线带回流线直接供电引变压器的接线方式；采用复线带回流线直接供电方式或方式或at方式；供电臂长

18、度方式；供电臂长度2025 km且每供电臂且每供电臂最大列车数为四列。最大列车数为四列。列车采用交直传动方式，时速列车采用交直传动方式，时速120km/h，追踪间，追踪间隔隔5分钟，列车功率因数大于分钟，列车功率因数大于0.8，单列机车额定功，单列机车额定功率率6400kw，4800kw。6.4.2 牵引供电系统牵引供电系统电压损失电压损失对短路容量的需求对短路容量的需求 v分析的负荷和系统条件分析的负荷和系统条件高速高速按按220kv系统系统pcc短路容量取短路容量取7506000mva，供，供电设备容量取电设备容量取180350mva。牵引变压器容量。牵引变压器容量63mva 、75mva

19、、120mva（规划中远期最大容（规划中远期最大容量），阻抗电压量），阻抗电压10.5%；牵引变压器的接线方式；牵引变压器的接线方式；采用复线采用复线at供电方式；供电臂长度供电方式；供电臂长度30 km且每供电且每供电臂最大列车数为四列。臂最大列车数为四列。列车采用交直交传动方式，时速列车采用交直交传动方式，时速250350km/h，追踪间隔追踪间隔3分钟，列车功率因数大于分钟，列车功率因数大于0.95，谐波电流，谐波电流总畸变率总畸变率5%，单列机车额定功率，单列机车额定功率13200kw，最大，最大功率功率23000kw。 6.4.2 牵引供电系统牵引供电系统电压损失电压损失对短路容量的

20、需求对短路容量的需求v牵引供电系统的最低电压水平牵引供电系统的最低电压水平 v牵引网压损影响因素牵引网压损影响因素列车功率因数列车功率因数供电臂长度供电臂长度v常速列车牵引网压损为常速列车牵引网压损为4000v左右，高速列车牵左右，高速列车牵引网压损为引网压损为5000v左右。左右。 minmax29jtsuuuu6.4.2 牵引供电系统牵引供电系统电压损失电压损失对短路容量的需求对短路容量的需求v牵引变压器压损影响因素牵引变压器压损影响因素变压器的容量变压器的容量变压器的漏抗变压器的漏抗负载电流的大小负载电流的大小低压侧功率因数低压侧功率因数 v牵引网电压损失和牵引变压器压损与系统短路容牵引

21、网电压损失和牵引变压器压损与系统短路容量无关。量无关。v常速列车两者之和在常速列车两者之和在6500v左右，高速列车两者左右，高速列车两者之和在之和在7000v左右左右。 短路容量与电压偏差短路容量与电压偏差 为减小电压偏差，应选择尽量大的短路容量为减小电压偏差，应选择尽量大的短路容量 普通铁路普通铁路高速铁路高速铁路st（mva）202531.5506375120sd（mva）50075012001900180025004500sd/st2530 383829 3338最低网压20kv要求的st与sd的关系普通铁路：建议sd在5002000mva以上，接入110kv电网。 高速铁路：建议sd

22、在18004500mva以上，接入220kv电网。以上是按以上是按铁路标准铁路标准（tbtb）最低网压）最低网压20kv20kv计算的结果。计算的结果。表表 6-3各部分各部分电压损失电压损失统计分析表统计分析表 牵引变容量（mva）202531.540506380牵引网压损（v）3162 35% 3900 43% 4612 49% 4777 53% 3568 40% 3830 43% 4889 54%牵引变压损（v）4193 47% 3850 43% 3479 37% 3335 37% 4307 48% 4235 47% 3407 38%电力系统压损（v）1597 18% 1222 14%

23、1392 15% 8479% 1079 12% 907 10% 6838%结论：由统计分析可见，与电力系统短路容量密切相关的电力系统电压损失仅占总损失的%至18间。因所占份量相对较小，通过提高短路容量提高电铁供电电压的所得是有限的。电压偏差电压偏差v系统短路容量与供电电压偏差的关系系统短路容量与供电电压偏差的关系 gb/tl23252008电能质量一供电电压允许电能质量一供电电压允许偏差偏差中规定：中规定：35kv及以上供电电压正负偏差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的绝对值之和不超过额定电压的10。 电压波动的范围与牵引供电系统的外部电源供电压波动的范围与牵引供电系统的外部

24、电源供电能力即电压等级直接相关电能力即电压等级直接相关。一般系统容量增。一般系统容量增大，系统的短路阻抗减小，使得系统的电压损大，系统的短路阻抗减小，使得系统的电压损失降低，从而牵引变压器出口电压水平提高，失降低，从而牵引变压器出口电压水平提高，牵引网电压水平提高，但相应的电压波动允许牵引网电压水平提高，但相应的电压波动允许百分比也降低了。百分比也降低了。 v保证电铁供电系统电压质量的基本结论保证电铁供电系统电压质量的基本结论常速普通电气化铁路常速普通电气化铁路（牵引变容量（牵引变容量20mva-50mva）：）：系统短路容量建议在系统短路容量建议在500mva至至2000mva以上，即为牵以

25、上，即为牵引变容量的引变容量的25-38倍倍。重载货运电气化铁路重载货运电气化铁路（牵引变容量（牵引变容量63mva-75mva）：）：系统短路容量建议在系统短路容量建议在2800mva至至3800mva以上，即为以上，即为牵引变容量的牵引变容量的44-48倍倍。高速客运专线电气化铁路高速客运专线电气化铁路：（牵引变容量：（牵引变容量63mva-120mva）：系统短路容量建议在）：系统短路容量建议在1800mva至至4500mva以上，即为牵引变容量的以上，即为牵引变容量的29-38倍倍。v上述计算中，上述计算中，仅考虑了典型的牵引负载仅考虑了典型的牵引负载，在实际系统设计中，在实际系统设计

26、中，还要更详细的考虑牵引系统可能遇到的各种负载情况。还要更详细的考虑牵引系统可能遇到的各种负载情况。 6.4.3 三相电压不平衡度限定对短路容量的需求三相电压不平衡度限定对短路容量的需求 vgb/t 155432008电能质量电能质量-三相电压不平衡三相电压不平衡的规定，电力系统公共连接点的正常电压不平衡的规定，电力系统公共连接点的正常电压不平衡度允许值为度允许值为2，短时不得超过，短时不得超过4。 v三相电压不平衡度可由下式近似计算三相电压不平衡度可由下式近似计算v在负序功率一定的情况下，三相电压不平衡度只在负序功率一定的情况下，三相电压不平衡度只与公共连接点的短路容量有关，短路容量越大，与

27、公共连接点的短路容量有关，短路容量越大，系统承受负序影响的能力越强。系统承受负序影响的能力越强。 knusiu103v京津城际京津城际v采用交采用交-直直-交型电力机车，设计速度交型电力机车，设计速度350km/h，运营速度运营速度300km/h，全线（复线）按，全线（复线）按2个单相个单相接线牵引变电所配置计算，每个牵引变电所的接线牵引变电所配置计算，每个牵引变电所的最大单相负荷功率为最大单相负荷功率为81.9mva。 v220kv电力系统电力系统 v110kv电力系统电力系统81.9100%100%1.638%5000euss81.9100%100%4.095%2000euss短路容量与电

28、压不平衡度短路容量与电压不平衡度 增大牵引变电所受电点处的短路容量，可以减小该处的三增大牵引变电所受电点处的短路容量，可以减小该处的三相电压不平衡程度和对其他负荷的负序影响。相电压不平衡程度和对其他负荷的负序影响。从电压不平衡度（负序）看：依从电压不平衡度（负序）看：依gb/t 15543-2008，取，取1.5倍牵引变压器额定负荷为倍牵引变压器额定负荷为95概率大负荷值，则需要概率大负荷值，则需要sd 116 st 。gb/t电压偏差要求的st与sd的关系 标准对负序的要求很严格，当给电气化铁路供电的电网标准对负序的要求很严格，当给电气化铁路供电的电网sd达不到表所列数值时，铁路产生的负序需

29、予治理。达不到表所列数值时，铁路产生的负序需予治理。注注意到意到120mva牵引变电所牵引变电所对应的电网对应的电网sd为为13920mva，已，已近近220kv极限，极限，负序问题尤为突出负序问题尤为突出。 普通铁路普通铁路高速铁路高速铁路st（mva）202531.5506375120sd（mva）23201900 365458007310870013920谐波电压、电流限值与短路容量的关系谐波电压、电流限值与短路容量的关系 v不同电压等级接入时的电铁谐波指标不同电压等级接入时的电铁谐波指标 表表6-6 公用电网谐波电压限值公用电网谐波电压限值表表6-7 注入公共连接点的谐波电流允许值注入

30、公共连接点的谐波电流允许值电网标称电压kv电压总谐波畸变率 %各次谐波电压含有率，%奇次偶次1102.01.60.8标准电压kv基准短路容量mva谐波次数及谐波电流允许值ihp （a）234567891011121314151617181920212223242511075012 9.6 6.0 9.6 4.0 6.8 3.0 3.2 2.4 4.3 2.0 3.7 1.7 1.9 1.5 2.8 1.3 2.5 1.2 1.4 1.1 2.1 1.0 1.9v谐波影响分析谐波影响分析表表6-10 典型系统的谐波计算结果（典型系统的谐波计算结果（31.5mva）表表6-14 高速铁路典型系统的

31、谐波计算结果高速铁路典型系统的谐波计算结果牵引变接线方式主要电能质量数据谐波电流（a）不采取任何措施的谐波电压（thd%）装设12%电抗率补偿电容器时的谐波电压（thd%）110kv接入纯单相接线超标7.0（大于2%）6.1（大于2%）v/v接线超标5.0（大于2%）4.7（大于2%）220kv接入纯单相接线超标2.6（大于2%）2.3（大于2%）v/v接线超标1.9（小于2%）1.7（小于2%）牵引变接线方式主要电能质量数据谐波电流（a）不采取任何措施的谐波电压（thd%）装设12%电抗率补偿电容器时的谐波电压（thd%）110kv接入纯单相接线超标5.6（大于2%）4.9（大于2%）v/v

32、接线超标4.2（大于2%）3.7（大于2%）220kv接入纯单相接线超标2.1（大于2%）1.8（小于2%）v/v接线超标1.6（小于2%）1.4（小于2%）短路容量与谐波短路容量与谐波为减小电压畸变，应选择尽量大的短路容量为减小电压畸变，应选择尽量大的短路容量 gb/t中3次谐波限制要求的st的sd之关系gb/t 14549-93谐波（特别是谐波（特别是3次）电流要求的电网次）电流要求的电网sd远远大于大于110kv实际电网的实际电网的sd，连连220kv电网都不能达到，电网都不能达到，因因此，普通铁路的谐波电流均需治理。此，普通铁路的谐波电流均需治理。普通铁路普通铁路高速铁路高速铁路st（mva）202531.5506375120sd（mva）84201052513262 21050265203157550520v