第八章负序对系统的影响课件

电气化铁道牵引供电系统西南交通大学电气工程学院1第八章 牵引变电所负序电流负序对系统的影响负序电流的分析工具－－对称分量法负序电流的通用表达式典型接线的牵引变压器（单相、三相、三相－两相平衡变压器）负序电流的计算减小负序影响的措施§8-1

负序对系统的影响负序电流对电力系统的不利影响主要表现在对发电机、异步电动机、反应负序分量的继电保护装置、电力系统主元件如变压器和输电线以及通讯干扰等方面。1.使发电机转子产生附加损耗并出现过热现象负序电流经过定子绕组时，形成负序旋转磁场，它以同步转速旋转，方向与转子的旋转方向相反。因此，此负序旋转磁场以两倍同步转速切割转子，在转子中就感应出两倍频率的电流，称为倍频附加电流。它会引起局部过热，破坏转子部件的机械强度，以及温升过高而影响励磁绕组的绝缘强度。一、负序电流对发电机的影响2.造成发电机组的震动负序旋转磁场产生两倍工频的附加交变电磁转矩，同时作用在转子转轴和定子机座上，从而引起附加的两倍工频频率的振动。长时间的振动将会引起金属疲劳和机械损坏。针对发电机的负序限值，有相关的国家标准：对于负序电流：长期运行情况时，短时运行情况对于负序电压：在110kV侧，二、负序电压对电动机的危害负序电压在电动机中将产生负序电流。而异步电动机的正序阻抗很大，负序阻抗很小，故很小的负序电压就会产生较大大的负序电流。它与额定负载时的正序电流叠加，会使定子和转子绕组局部过载，绕组铜损局部增大，引起局部过热而烧毁。同时，负序电流在定子绕组中产生的反向旋转磁场，在转子铁心中产生涡流，引起铁损增加，使转子发热。并产生反向制动转矩，降低电动机的出力和过载能力。三、负序分量对继电保护的影响以负序电流或负序电压为动作条件的继电保护和自动装置，如发电机的负序电流保护装置、线路的相差高频保护装置，以及故障录波器等，当遭受到电气化铁道产生的大量负序侵入时，在谐波的共同干扰下，使保护误动作，引起供电的中断。四、负序电流占用系统容量有负序电流存在时，三相中的最大电流总是大于系统设备原有的正序电流，造成设备的过电流，即负序电流限制系统设备的出力。五、负序电流会增大电网损耗负序电流不但不传递任何有功功率，而且产生网损。存在负序电流时三相系统的总损耗为六、对通讯线路产生干扰§8-2

对称分量法对称分量法的基本思想是，任意一组三相不平衡（不对称）的相量

、

、 ，通过变换，都能分解成三组不同相序的三相对称分量，这三种相序即零序、正序和负序。也就是说这组三相不对称的相量

、

、中的每一相 ，都可以看作是对应相别的零序、正序和负序分量的叠加。用数学语言可以描述为零序分量正序分量负序分量？现引入算子各个序分量之间的关系可表示为：零序正序负序可记为其中其中，因为B、C相的序分量可由A相分量来表示，所以在通常的分析计算中所提及的零、正和负序分量，都是指A相相应的分量，因此简记为则有另外，因为矩阵A

的逆矩阵A-1

存在，因此用对称分量法解决问题的基本思路：ABC三相线性系统的不对称问题系统A相的012分量原ABC三相系统的解ק8-3

负序电流的通用表达式目前，牵引变电所中所采用的牵引变压器的接线方式主要有纯单相接线Ii、Vv接线、Ynd11接线和三相—两相平衡接线等。为通用起见，暂且撇开这些具体的接线方式，用系统变换的方法研究牵引变电所负序电流的一

般表达式。牵引供电系统可以用这样的结构来描述：电力系统牵引变电所牵引负荷牵引变电所原边高压侧电力系统的相电压、相电流分别记为

、

、

和

、

、 。设牵引变电所牵引侧有n个端口，且其电气量分别记为、

， 。可见，牵引变电所是联结两侧系统的变换单元。假设电力系统足够强大，能够提供三相对称的电压源。若取 为基准相量，则有其中，为算子，。之比设牵引侧端口电压 与高压侧线电压为 ，即。（称为端口 的接线并设 滞后 的角度为角），

，即取端口功率因数角的电流 滞后其端口电压 的角度为（设滞后为“+”），则端口电流的表达式为

，

。牵引侧任一端口单独运行时都不在三相电力系统中产生零序电流，则当存在时，原边高压侧的三相电流满足，再者，由功率守恒原理(电压取共轭,忽略变压器内部损失)得，联立上述各条件，可得，在上式两边左乘复数变换阵可得经变换可得 ，利用叠加原理即可求得个单相端口电流共同作用时的原边三相电流再利用对称分量法，可解得正、负序电流通用表达式通用三相系统的正、负序（视在）功率表达式可用 乘以正、负序电流通用表达式的共轭复数求得。其中，

， ，为端口 的视在功率模值。由上述推导，可得如下结论：结论1：各端口负荷在三相系统造成的负序功率，不仅与各端口负荷的功率因数角 （负荷性质）有关，还因端口接线角 不同而不同，即与负荷在各端口上的分布方式及牵引变压器的接线方式有关。结论2：负荷占有三相系统的总容量 ，将因（正序）无功功率和负序功率的存在而增大，同时负序功率的存在还使总功率

s

的瞬时值随时间脉动，使三相系统设备容量利用率下降。结论3：当单相的端口负荷功率给定时，不论牵引变压器接线方式如何，不论如何变换所选端口，均产生相同模值的负序功率。换言之，为降低纯单相负荷产生的负序功率（或负序电流）而选择牵引变压器的接线方式是无效的。结论3说明，给定端口负荷 ，接到任意两个不同的端口

、

（ ）时，它产生的负序功率均为

。结论4：当两臂牵引负荷大小不等时，无论采用何种接线方式牵引变压器，均不能自行彻底消除负序电流或功率，即此时恒有剩余负序电流存在。证明：牵引供电系统通常有两个相异相位的单相牵引端口，且端口电压模值相等。令负序电流表达式为零，即可得显然，只有当两者同时成立时，才有

。对于随机波动性较大的牵引负荷， 成立的几率几乎不存在。换言之，只要有牵引负荷存在，就几乎总有剩余负序电流注入电力系统。若认为两臂负荷的功率因数角相等，即

，则只要 ，即两臂端口电压等量垂直，则有从减弱负序电流的方面来看，三相-两相平衡牵引变压器，如Scott、Le-Blanc、变形Wood-Bridge、Kübler等具有最佳的效果。§8-4典型接线的牵引变电所负序电流计算在上一节中，抛开牵引变电所的具体接线方式，从系统变换的角度对负序电流进行了分析。为贴近实际，本节以最常见的纯单相Ii接线、Vv接线、Ynd11接线和三相—两相平衡接线牵引变压器为例讨论其负序电流的计算。牵引负荷在原边110kV三相系统的A相引起的负序电流的求解步骤：将每一个臂负荷视为一个独立的负序源，分别求得各个负序源在110kV侧A相所产生的负序电流利用叠加原理，求总负序电流。Ynd11牵引变电所负序电流计算Ynd11牵引变电所的两供电臂端口电压是电力系统A、B、C三相中的某两相，观察前面得到的负序电流通用表达式可以发现，只要知道每个端口的接线角和变比，就能求得电力系统（A相）中的负序电流。设Ynd11变压器牵引侧三相均有负荷，即端口1、2、3负荷为

、

、 ，并分别对应A、B、C三相，且变比

，

。。则接线角

，

，那么可求得原边合成负序电流为显然，当次边三端口负荷电流大小和功率因数角相等时，上式的合成负序电流为0，这就是对称负荷的情况。实际上，Ynd11牵引变电所只有两相牵引负荷，其相别可由实际情形选择。对于给定的Ynd11接线牵引变电所及其实际负荷分布情况，亦可不直接套用负序电流通用表达式，而按下列步骤推导：①将负荷臂端口电流分配到次边△绕组中；②归算到原边三相系统中；③用对称分量法求负序电流。（如无特殊说明，均以为基准相量）ABC则次边△绕组中的电流（1）负荷 单独作用

设该端口对应原边 相。用对称分量法得以变比 （原边线电压与次边端口电压之比）归算到原边，通常原边线电压110kV，次边27.5kV，即，注意△—Y的变换，则为基准相量，则（2）负荷 单独作用设该端口对应原边 相。以有关相量图如下所示，其中，。在次边△绕组中的电流分布为归算到原边用对称分量法分解出负序分量为基准相量，则（3）负荷 单独作用设该端口对应原边 相。以有关相量图如下所示，其中，。在次边△绕组中的电流分布为归算到原边分解出负序分量得这样，我们就分别求得了次边端口负荷作用时

在原边产生的负序电流。实际变电所都是两负荷臂，因此用叠加定理不难对上述讨论结果作相量相加得

到总的负序电流。【例】已知Ynd11接线牵引变电所，进线电压为110kV，两臂负荷为

、 。求注入三相系统

相的负序电流。【解1】使用负序电流通用表达式来求合成负序电流：、

、

、 ，则【解2】应用本节分析的结果分别求两相负荷电流，并用叠加原理直接可得2.

Vv和Ii接线牵引变电所负序电流计算仍以 为基准相量，供电臂电压取

、

、

中任一对或任一个。ABC（1）当负荷为

时相关相量图如图所示，。变换到原边的三相电流其中，从而可解出单独作用时原边的负序电流（2）当负荷为

时相关相量图如图所示，。，变换到原边的三相电流从而可解出单独作用时原边的负序电流（3）当负荷为

时相关相量图如图所示，。，同理可求得原边负序电流以上分析得出了以 为基准相量时，单相接线牵引变压器在有一相负荷时原边

A

相中产生的负序电流。根据实际情况，Ii接线牵引变电所从三相电力系统中的某一个线电压取电，因此其负序电流是上述3种情形中任一种，而Vv接线牵引变电所接于电力系统的两个线电压，所以它的负序电流实际上是上述情形中2种的叠加。3.

平衡变压器负序电流计算以Scott接线变压器为例，原、次边电流关系为ABCD（1）当单独作用时其中，

、

、 分别表示 在一次侧

A

相产生的零序、正序、负序分量。可以发现其产生的各序分量与三相变压器 单独作用时相同。（2）当单独作用时其中，

、

、 分别表示 在一次侧

A

相产生的零序、正序、负序分量。可以发现其产生的各序分量与单相变压器 单独作用时相同。因此，根据Scott接线变压器接入电力系统的实际相别，其在高压侧A

相中所产生的负序电流可能是和、和、和产生的负序电流分量的叠加。上面已述及，负序在电力系统中所造成的不良影响，如额外占用系统及其设备容量，造成附加网损，引起系统电压不对称，降低发电机和电动机出力等。为使电力系统经济运行和提高电能质量，尽可能降低负序是十分必要的。§8-5

降低负序影响的措施1.

理论依据由负序电流的一般表达式来观察负序的合成特性：可见，在各种负荷条件不变的情况下，只要合理安排负荷所在的端口，就能最大程度的使构成负序电