第8章-交流电气化铁道对电力系统的影响和改善措施

1、由于工频单相交流电气化铁道的负荷是单相的，当三相电力系统向它供电时，三相不均衡的负荷将在电力系统中引起负序电流，同时，整流型电力机车使牵引网的电流畸变，产生的谐波电流进入电力系统，这些会都对电力系统的运行产生不良的影响。所以，有必要对这些不良影响和改善措施深入研究。,第8章 交流电气化铁道对电力系统的 影响和改善措施,8-1 负序电流及其影响和改善措施 8-2 并联电容无功功率补偿 8-3 谐波电流及其影响和改善措施,第8章 交流电气化铁道对电力系统的 影响和改善措施,8-1 负序电流及其影响和改善措施,任意一个不平衡负荷都可以用对称分量法分解为正序、负序、零序三组对称分量。 对牵引供电系统而

2、言，因为牵引变压器二次侧都采用三角形或不完全三角形结线，所以零序电流无法流通，即牵引供电系统二次侧不会产生零序分量。所以牵引供电系统的不平衡负荷对电力系统的影响问题，实质上就是负序电流对电力系统的影响。,8-1 负序电流及其影响和改善措施,8-1-1 负序电流对电力系统的影响 8-1-2 负序电流的允许值 8-1-3 单相牵引负荷在电力系统中 引起的负序电流 8-1-4 不同结线型式的牵引变电所 负荷引起的负序电流 8-1-5 减少负序影响的措施,8-1-1 负序电流对电力系统的影响 从两方面讨论：电源方面、用户方面。 1、电源方面 主要是对同步发电机的影响。当负序电流通过发电机定子绕组时，将

3、在定子绕组中产生与正序旋转磁场大小相等方向相反的负序旋转磁场，使转子的激磁绕组、阻尼绕组中感应产生两倍工频的附加电流，对电源产生以下三个方面的影响： 1）附加电流形成附加损耗，引起额外温升，严重时损害绝缘； 2）限制发电机的出力； 3）在电机中造成额外的机械应力。,2、用户方面 主要表现在以下四个方面： 1）对感应电动机的影响； 2）对电力变压器的影响； 3）对输电线路的影响； 4）对继电保护的影响。,8-1-2 负序电流的允许值 也从两方面讨论：发电机（电源方面）、感应电动机（用户方面）。 1、发电机 现行的发电机运行规程规定：发电机持续允许不平衡电流值，应遵守制造厂的规定。 制造厂无规定时

4、： 1）对于空气冷却和氢气表面冷却的发电机，可按下式计算：,2）对于内冷发电机，应通过试验来确定。 2、感应电动机 通常对10.5kV母线上的允许值按5%考虑。 因为感应电动机在结构上对发热有一定裕度，所以国家无明确规定。,8-1-3 单相牵引负荷在电力系统中引起的负序电流 1、正序电流和负序电流 纯单相接线如图8-1所示。,相应的三相牵引电流为：,(8-1),(8-2),由式5-57可得：,其相量图如图8-2所示：,单相负荷在电力系统中引起的不对称程度用不对称系数表示为；,(8-3),2、正序功率和负序功率 如果以I为基准量，则UB和UC的相量关系、相电压与正序电流的相位关系、相电压与负序电

5、流的相位关系如图8-3所示。,（1）正序功率,(8-4),即：正序电流的有功功率等于负载的有功功率。 （2）负序有功功率,(8-5),即：负序电流的有功功率为零。,（3）正序和负序视在功率 正序视在功率为：,(8-6),负序视在功率为：,即：单相负荷的正序视在功率等于负序视在功率，都等于单相负荷的视在功率。,(8-7),8-1-4 不同结线型式的牵引变电所负荷引起的负序电流 1、纯单相结线 纯单相接线如图8-4所示。,由于变压器的变比为K=110/27.5=4，所以当两供电臂牵引负荷分别为I和I时，反应在系统的电流为：,(8-8),所以A相正序和负序电流、电流不对称系数和负序功率为：,(8-9

6、),2、V，V结线 V，V接线及其相量图如图8-5所示。,假设两供电臂负荷相等，功率因数也相等，并且以IA为基准相量，则有：,(8-10),用对称分量法可得：,(8-11),3、YN，d11结线 三相YN，d11结线时，牵引负荷流入电力系统的情况如图8-6所示。,3、YN，d11结线 三相YN，d11结线时，牵引负荷流入电力系统的情况如图8-6所示。,三相牵引变压器就其本身结构而言，是完全对称的，所以可把它看作是电力系统的一部分。从图中可看到两边供电分区负载与主变副边的结线型式，与V，V结线形式相似，所以三相牵引变电所在电力系统中产生的负序电流也与V，V结线相同。即：,(8-11),其他结线形

7、式的牵引变压器是专为平衡系统的三相电流而设计采用的。理论上当两供电臂的电流相等时，系统的三相电流平衡。即便是供电臂负荷不相等时，负序电流也较小。,8-1-5 减少负序影响的措施 可从两方面改善：电力系统、牵引供电系统。 1、电力系统采取的措施 1）在发电厂或枢纽变电所安装特殊的同期调相机； 2）临时性的过渡措施。 2、牵引供电系统采取的措施 1）采用牵引变电所换相连接的供电方式； 2）牵引变电所采用Scott结线、平衡牵引变压器。 这里主要介绍换相连接。,3、这里主要介绍换相连接。 对牵引变电所换相连接的基本要求： 1）对称； 2）除了单相结线牵引变电所，其他牵引变电所两相邻变电所的供电分区同

8、相； 3）接触网分相绝缘器两端的电压不超过接触网的对地电压； 4）相邻电气化铁路汇合处，如果不设牵引变电所，则考虑各供电臂为同相； 5）三相牵引变电所换相的联结，应考虑重负荷供电臂作为引前相。,4、牵引变压器的端子标志、联结以及供电臂相序与电力系统相序的关系 （1）三相YN，d11结线牵引变压器 其端子标志如图8-7(a)所示，其联接组如图8-7(b)所示，则，当其副边C端子接钢轨、供电臂相序与电力系统相序的关系如图8-7(c)所示。,（2）单相V，V结线牵引变压器 其端子标志如图8-8(a)所示，为使原、副边电压同相，可有两种联接方式，如图8-8(b)、(c)所示。,（3）三相V，V结线牵引

9、变压器 其端子标志和联接组如图8-9所示。,5、牵引变电所换接相序的接线设计步骤和方法 设计步骤： 1）确定各供电臂电压相序： 单相结线依次为：-UCA，-UCA；UBC，UBC；-UAB，-UAB。 单相V，V结线依次为：UCA，-UAB；-UAB，UBC；UBC，-UCA。 三相YN，d11结线依次为：-UC，UA；UA，-UB；-UB，UC 2）单相结线和单相V，V结线，牵引变压器副边端子x接钢轨、地，端子a与接触网连接。三相YN，d11结线牵引变压器副边端子c接钢轨、地，端子a,b分别与两供电臂的接触网连接，但每隔一个牵引变电所，a,b两端子交叉，郊外叉的目的是为了满足左、右两供电臂所

10、要求的电压相序，并标出各连接线的对应相别。 3）按确定的各供电臂电压相序完成各牵引变电所牵引变压器原边各端子到电力系统的对应连接。对三相YN，d11结线牵引变压器，一般按重负荷相进行排列。,设计方法： （1）单相牵引变电所的换相连接 对于单相牵引变电所的换相连接就是把各牵引变电所的变压器轮换着接到电力系统的不同相上。如图8-10所示。,图8-10所示换相连接电路有一较大缺点，即两相邻供电分区间接触网分相器上要承受31/2倍牵引网电压。以牵引变电所I、II为例，接于变电所I的接触网对地电压为UCA，而接于变电所II的接触网对地电压为UAB。因而这两个电压在相位上相差120，如图8-11所示，则两

11、个供电分区间的分相绝缘器上的电压应为两者之间的相量差。,为了避免分相绝缘器承受电压过高，在实际应用中都采用相邻变电所反相接地的方法，其接线如图8-12所示。,（2）单相V，V结线牵引变电所的换相连接 单相V，V结线牵引变电所的两台单相变压器不是并联运行，而是跨接在三相系统上，分别对两个供电分区供电，所以其换相连接如图8-13所示。,在实际设计与施工中，多采用变压器次边同名端接地方式，以便于运行与维护，其接线方法如图8-14所示。,（3）三相牵引变电所的换相连接 三相牵引变电所的换相连接，是指其重负荷相的相序排列而言的。其接线方式如图8-15所示。,应当注意：实际上加于牵引网的电压的相号同变压器

12、绕组的接线方式有关。图8-15所示三相变压器的绕组接线为我国目前普遍采用的YN，d11接线。对于牵引网，例如变电所I其左侧供电分区电压实际为Ucb，而右侧供电分区电压为Uab，将图8-15中变电所I的接线关系详细描述如图8-16所示。,（4）三相共轭式V，V结线牵引变电所的换相连接 确定各供电臂电压相序依次为UCA，-UAB；-UAB，UBC；UBC，-UCA。 各牵引变电所牵引变压器原边V结线顶点依次接入电力系统的A相、B相、C相。 三个牵引变电所原、副边端子的接线如下： I*号变电所牵引变压器副边端子a2与x1连接为C，接钢轨、地，标为A；端子b(x2)与左边供电臂连接，标为C；端子a(a

13、1)与右边供电臂连接，标为B。原边端子B（X2）、A（A1）分别接入电力系统的C相、B相。 II*号牵引变电所牵引变压器副边端子b(a2)、a(x1)分别与左、右供电臂连接，都标为B；端子X2与a1连接为c，接钢轨、地，对应标为A、C。原边端子B（X2）、A（A1）分别接入电力系统的A相、C相。 III*号牵引变电所牵引变压器副边端子a2与x1连接为c，接钢轨、地，标为C；端子b(X2)与左边供电臂连接，标为B；端子a(a1)右边供电臂连接，标为A。原边端子B（X2）、A（A1）分别接入电力系统的B相、A相。最后结果如图8-17所示。,三个牵引变电所共换了三次相，对电力系统而言，也是三个牵引变

14、电所构成一个换相循环。依此类推。,单、三相结线的牵引变电所依次、对称换相连接结线如图8-18图8-23所示。,8-2 并联电容无功功率补偿,8-2-1 无功功率补偿概述 8-2-2 并联电容无功补偿的作用和原理 8-2-3 补偿方案 8-2-4 并联电容补偿的主接线 8-2-5 静电电容器组的运行 8-2-6 可调并联补偿装置,8-2-1 无功功率补偿概述 1、功率因数低的不良影响 （1）降低发电机组的输出能力和输变电设备的供电能力，使电气设备的效率降低，发电和输变电的成本提高。电气设备的视在功率为：,(8-12),（2）增加输电网络中的电能损失。有功功率损失为：,(8-13),（3）增加输电

15、网络中的电压损失。引起电力用户的供电电压不足。,2、功率因数标准 全国供用电规则关于功率因数的规定如下： “无功电力应就地平衡。用户应在提高用电自然功率因数的基础上，设计和装置无功补偿设备，并做到随其负荷和电压变动及时投入或切除，防止无功电力倒送。用户在当地供电局规定的电网高峰负荷时的功率因数，应达到下列规定： 1）高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户，功率因数为0.90以上； 2）其他100kVA及以上电力用户和大、中型电力排灌站，功率因数为0.85以上； 3）农业用电，功率因数为0.80。 凡功率因数不能达到上述规定的新用户，供电局可拒绝接电。未达到上述规定的现在用

16、户，应在23年内增添无功补偿设备，达到上述规定。对长期不增添无功补偿设备又不申明理由的用户，供电局可停止或限制供电。”,3、提高牵引负荷功率因数的措施 1）提高用电自然功率因数； 2）在牵引变电所牵引侧装设并联电容器补偿装置。,8-2-2 并联电容无功补偿的作用和原理 1、提高功率因数。 如图8-24所示，在电路中并联XC，可将牵引变压器中流过的电流减小，牵引侧的功率因数得到提高。,2、改善电力系统的电压质量，提高牵引变电所牵引侧母线电压。 在图8-24中，如果电源电压保持不变，则未补偿和补偿后的电压方程式分别为：,(8-14),(8-14),可变换为：,3、减少电力系统电能损失。 4、吸收谐

17、波电流，具有滤波作用。,8-2-3 补偿方案 共有三种： 1）采取牵引侧滞后相集中补偿； 2）牵引侧两相等容量补偿； 3）牵引侧两相不等容量补偿。,8-2-4 并联电容补偿的主接线 并联电容补偿装置的两种主接线如图8-25所示。,主接线的主要设备有： 1）并联电容器组； 2）串联电抗器； 3）断路器； 4）隔离开关； 5）电压互感器； 6）电流互感器； 7）避雷器； 8）熔断器。 并联电容补偿装置也是由多台电容器串并组成的，其计算方法与串联电容补偿装置相似。由于该装置是露天装设，并且并联在牵引侧，会有高次谐波通过电容器，所以还要考虑多方面因素对电容器组的影响。为了更合理地选择并联电容并联电容补

18、偿装置的容量，还要考虑供电臂带电概率等因素。,8-2-5 静电电容器组的运行 1、牵引供电系统电压、电流畸变时，静电电容器组的工作情况 由于采用大功率整流型的电力机车，造成牵引供电系统的电压波形发生畸变，严重时会使电容器成倍地过负荷，造成电容器严重损坏，甚至无法运行。且波形畸变越严重，电容器的功率损失也将越大。 （1）波形畸变后的电流,(8-15),（2）波形畸变后的功率损失 无功功率损失为：,(8-17),有功功率损失为：,(8-16),2、运行电压的影响 用作交流电气化铁道供电系统的无功补偿装置，实际上是一组串并联电容器，它跨接在供电臂与牵引轨之间，所以它的运行电压就是接触网电压。电容器组

19、两端的电压，就决定其无功出力、功率损耗、温升和寿命等问题。 在正弦波电压情况下，电容器的无功功率出力为：,(8-18),可见，若静电电容的运行电压比额定电压低很多时，无功功率的输出将大为减少，就起不到应有的无功补偿作用，这是不允许的。相反，若运行电压升高，则将会使电容器的发热和温升都增加。 由介质损失引起的有功功率损失为：,(8-19),其随着电压的平方而变化，运行电压升高后，使电容器的温度显著增加，热平衡遭到破坏，最后导致电容器的损坏。,3、静电电容器组的保护 从上面的讨论中可知，并联静电电容器的过电流和过负荷，主要是由运行电压的升高和电压波形的畸变两个原因引起的。 我国规定，静电电容器可以

20、允许在不超过1.3倍的额定电流下长期工作。当电容器组的过电流超过允许范围时，应装设能切除补偿装置的过负荷保护，将电容器组从电源上断开。而对于电容器本身的故障，如极板绝缘击穿和接地等故障，应将故障电容器及时切除。 因补偿装置的电容器串联级数较多，所以在电容器发生故障时，装置的总电流变化不大，这种情况过电流保护是不会动作的，如图8-26所示，一台电容器绝缘击穿后，与它并联的电容器会向它放电，从而增加了加剧了故障的扩大。 为了避免这种情况的出现，通常采用以下措施：1）将电容器内的熔丝与每个元件并联；2）在电容器外部用熔断器保护；3）差动保护；4）谐波过电流保护；5）差压、电流速断保护；6）按母线电压

21、升高量进行自动投切电容组的保护。,8-2-6 可调并联补偿装置 可调并联补偿装置常用的是技术上较成熟且成本相对低廉的TSC（晶闸管投切电容器装置）。 1、TSC的构成 如图8-27所示。,2、补偿电容器组支路数选择原则 TSC分组越多调节越平滑，跟随负载变化能力越强，但投资也越大，综合考虑之后，通常采用两大组，每组再设几个支路，根据运行需要灵活投切电容器组。 TSC具有数据监测功能及远动接口，可以实现整套装置的遥测、遥调及遥控。可根据牵引网电压的变化自动确定电容器组的投切组数，也有人工手动功能。 研究结果表明，当牵引变电所供电臂空载概率不很大时，用适量的一组TSC就能达到所要求的功率因数。若采

22、用多组TSC则可更理想地达到所要坟的功率因数和减少网压波动，同时减少对供电系统的谐波影响。,8-3 谐波电流及其影响和改善措施 电气化铁道所采用的交-直流式电力机车，是电力系统重要谐波源之一。在现代电力系统中，非线性负荷日益增多，谐波造成危害的机率和程度也随之增加。为保障系统供电质量和用户设备的安全，目前世界各国对谐波的管理较为重视，不少国家都根据本国的具体情况，制定了限制谐波的试行标准。因此，要对工频单相交流制的电气化铁道采取有效的措施来抑制谐波。,8-3 谐波电流及其影响和改善措施,8-2-1 电力牵引负荷谐波电流的产生和谐波对电力系统的影响 8-2-2 电气化铁道的谐波允许值 8-2-3

23、 减少谐波影响的措施,8-3-1 电力牵引负荷谐波电流的产生和谐波对电力系统的影响 1、谐波的产生 我国电气化铁道采用单相工频交流制供电，电力机车的受电弓由接触网获取电流，经过降压变压器、整流装置、平波电抗器、驱动直流牵引电机，经钢轨流回牵引变电所。由于机车变压器器、整流器、平波电抗器等的影响，使机车原边电流发生畸变，交流侧不再是正弦波，包含着丰富的谐波成分。 2、谐波对电力系统的影响 （1）高次谐波电流可能引起电力系统内的共振现象 如图8-28所示，电力系统感抗与电容器容抗相并联，则有：,(8-20),当基波频率为f1时，则并联谐振频率为：,(8-21),（2）对发电机的影响 包括以下四个方面： 1）引起额外的振动扭矩； 2）谐波电流流入三相定子绕组时，还增加定子绕组和定子铁心的附加电能损失和发热； 3）引起转子激磁绕组的附加发热； 4）引起阻尼绕组过热，以致损坏。 （3）对感应电动机的影响 当流过感应电动机的谐波电流增大时，对其影响主要表现在以下两方面： 1）使谐波功率损失增大； 2）使附加发热增大。,（4）对电容器和串联电抗器的影响 1）增加电容器额外的电和热的影响 谐波电流流入电容器后，电容器的实际电压、工作容量、合成电流等于对应的额定值乘上一个大于1的系数，因此会引起电容器的过电压、温升过高，过负荷，电容器要承受额外的电和热的影