牵引变电所负序电流.ppt

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1、第七章第七章 牵引变电所负序电流牵引变电所负序电流负序对系统的影响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分析工具对称分量法负序电流的通用表达式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）负序电流的计算两相平衡变压器）负序电流的计算减小负序影响的措施减小负序影响的措施7-1 7-1 负序对系统的影响负序对系统的影响 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电保护装

2、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。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，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，以及温升过高而影破坏转

3、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。响励磁绕组的绝缘强度。一、负序电流对发电机的影响一、负序电流对发电机的影响2.造成发电机组的震动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。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。长时间的振动将会引起金属疲劳和机械损坏。二、负序电压对电动机的危害二、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。而异负序电压在电动机中将产生负序电流。而

4、异步电动机的正序阻抗很大，负序阻抗很小，故很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的负序电流。它与额小的负序电压就会产生较大的负序电流。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，降低电加，使转子发热。并产生反向制动转矩，降低电动机的出力

5、和过载能力。动机的出力和过载能力。三、负序分量对继电保护的影响三、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，入时，在谐波的共同干扰下，使保护误动作，引起供电的中断。引起供电的中断。四、负序电流占用系统容量四、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

6、总是有负序电流存在时，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。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六、对通讯线路产生干扰7-2 7-2 对称分量法对称分量法 对称分量法的基本思想是，任意一组三相不对称分量法的基本思想是，任意一组三相不平衡（不对称）的相量平衡（不对称）的相

7、量 、，通过变换，通过变换，都能分解成三组不同相序的三相对称分量，这三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。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也就是说这组三相不对称的相量 、中的每一相中的每一相 ，都可以看作是对应相别的零序、，都可以看作是对应相别的零序、正序和负序分量的叠加。正序和负序分量的叠加。供电系统供电系统 用数学语言可以描述为用数学语言可以描述为零序分量零序分量正序分量正序分量负序分量负序分量供电系统供电系统 现引入算子现引入算子？各个序分量之间的关系可表示为：各个序分量之间的关系可表示为：零序零序正序正序负序负序供电系统供电系统 可

8、记为可记为其中其中供电系统供电系统则有则有另外，因为矩阵另外，因为矩阵A A 的逆矩阵的逆矩阵A A-1 1 存在，因此存在，因此 其中，其中，因为因为B、C相的序分量可由相的序分量可由A相分量来表示，所以相分量来表示，所以在通常的分析计算中所提及的零、正和负序分量，都在通常的分析计算中所提及的零、正和负序分量，都是指是指A相相应的分量，因此简记相相应的分量，因此简记 为为供电系统供电系统 用对称分量法解决问题的基本思路：用对称分量法解决问题的基本思路：ABCABC三相线性系统的三相线性系统的不对称问题不对称问题系统系统A A相的相的012012分量分量原原ABCABC三相系统的解三相系统的解

9、供电系统供电系统7-3 7-3 负序电流的通用表达式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的接线方式主要有纯单相接线IiIi、VvVv接线、接线、Ynd11Ynd11接线和三相接线和三相两相平衡接线等。两相平衡接线等。为通用起见，暂且撇开这些具体的接线方为通用起见，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。流的一般表达式。供电系统供电系统 牵引供电系统可以用这样的结构来描述：牵引供电系统可以用这样的结构来描述：电力系统电力系统牵引变电所

10、牵引变电所牵引负荷牵引负荷 牵引变电所原边高压侧电力系统的相电压、牵引变电所原边高压侧电力系统的相电压、相电流分别记为相电流分别记为 、和和 、。设牵。设牵引变电所牵引侧有引变电所牵引侧有n个端口，且其电气量分别记为个端口，且其电气量分别记为 、，。可见，牵引变电所是联结两侧。可见，牵引变电所是联结两侧系统的变换单元。系统的变换单元。假设电力系统足够强大，能够提供三相对假设电力系统足够强大，能够提供三相对称的电压源。称的电压源。供电系统供电系统若取若取 为基准相量，则有为基准相量，则有其中，其中，为算子，为算子，。设牵引侧端口电压设牵引侧端口电压 与高压侧线电压与高压侧线电压 之比之比为为 ，

11、即，即 。并设并设 滞后滞后 的角度为的角度为 （称为端口（称为端口 的接线的接线角），角），即即供电系统供电系统 取端口取端口 的电流的电流 滞后其端口电压滞后其端口电压 的角度为的角度为功率因数角功率因数角 （设滞后为（设滞后为“+”），则端口电流的表），则端口电流的表达式为达式为 ，。牵引侧任一端口单独运行时都不在三相电力系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，则当统中产生零序电流，则当 存在时，原边高压侧的存在时，原边高压侧的三相电流满足三相电流满足，再者，由功率守恒原理再者，由功率守恒原理(电压取共轭电压取共轭,忽略变压忽略变压器内部损失器内部损失)得得，供电系统

12、供电系统 联立上述各条件，可得联立上述各条件，可得，在在上式两边左乘复数变换阵上式两边左乘复数变换阵 可得可得供电系统供电系统 经变换可得经变换可得 ，利用叠加原理即可求得个，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、负序电流通用表达再利用对称分量法，可解得正、负序电流通用表达式式供电系统供电系统 通用三相系统的正、负序（视在）功率表达式可用通用三相系统的正、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。乘以正、负序电流通用表达式的共轭复数求得。其中，其中，为端口，为端口 的视在功率的视在

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

14、功率的存在还使总功率负序功率的存在还使总功率 s 的瞬时值随时间脉动，的瞬时值随时间脉动，使三相系统设备容量利用率下降。使三相系统设备容量利用率下降。结论结论3：当单相的端口负荷功率给定时，不论牵引：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。接线方式是无效的。供电系统供电系统 结论结论3说明，给定端口负荷说明，

15、给定端口负荷 ，接到任意两，接到任意两个不同的端口个不同的端口 、（）时，它产生的负序功）时，它产生的负序功率均为率均为 。结论结论4：当两臂牵引负荷大小不等时，无论采用何：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。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。牵引端口，且端口电压模值相等。令负序电流表达式为零，即令负序电流表达式为零，即 可得可得供电系统供电系统 显

16、然，只有当显然，只有当 两者同时成立时，才有两者同时成立时，才有 。对于随机波动性较大的牵引负荷，对于随机波动性较大的牵引负荷，成立的几成立的几率几乎不存在。换言之，只要有牵引负荷存在，就几率几乎不存在。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。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，即若认为两臂负荷的功率因数角相等，即 ，则只要则只要 ，即两臂端口电压等量垂直，则有，即两臂端口电压等量垂直，则有供电系统供电系统 从减弱负序电流的方面来看，三相从减弱负序电流的方面来看，三相-两相平衡牵引两相平衡牵引变压器，如变压器，如 Scott、Le-Blanc

17、、变形、变形Wood-Bridge、Kbler等具有最佳的效果。等具有最佳的效果。供电系统供电系统全负序相量图全负序相量图定义：单位负序电压定义：单位负序电压 供电系统供电系统用途用途（1）分析各种接线方式牵引变电所合成负序电流（或负序）分析各种接线方式牵引变电所合成负序电流（或负序功率）功率）平均负序电流：静态法平均负序电流：静态法 有效负序电流：动态法有效负序电流：动态法供电系统供电系统(2)、实用的全负序相量图、实用的全负序相量图 纯单相接线变压器只能取用一个线电压，即在牵引侧取 或 VV接线变压器只能取用一对线电压，即在牵引侧取 或 或或Y11接线变压器只能取用一对相电压，即在牵引侧取

18、 或 或或 三相两相平衡接线变压器通常取一个相电压和一个线电压给两个端口（臂）供电，即在牵引侧取 或或 或或 供电系统供电系统端口相别端口相别pABCABBCCA0120120309015001201206018060供电系统供电系统7-4 7-4 典型负序电流的计算典型负序电流的计算 在上一节中，抛开牵引变电所的具体接线在上一节中，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方式，从系统变换的角度对负序电流进行了分析。析。为贴近实际，本节以最常见的纯单相为贴近实际，本节以最常见的纯单相IiIi接接线、线、VvVv接线、接线、Ynd11Ynd11接线和三相接线和三相两相平衡

19、接两相平衡接线牵引变压器为例讨论其负序电流的计算。线牵引变压器为例讨论其负序电流的计算。供电系统供电系统 牵引负荷在原边牵引负荷在原边110kV110kV三相系统的三相系统的A A相引起的相引起的负序电流的求解步骤：负序电流的求解步骤：1.1.将每一个臂负荷视为一个独立的负序源，分别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求得各个负序源在110kV110kV侧侧A A相所产生的负序电相所产生的负序电流。流。2.2.利用叠加原理，求总负序电流。利用叠加原理，求总负序电流。供电系统供电系统1.1.Ynd11Ynd11牵引变电所负序电流计算牵引变电所负序电流计算计算思路：计算思路：将

20、负荷臂端口电流分配到次边将负荷臂端口电流分配到次边绕组中；绕组中；归算到原边三相系统中；归算到原边三相系统中；用对称分量法求负序电流。（如无特殊说明，均用对称分量法求负序电流。（如无特殊说明，均以以 为基准相量）为基准相量）供电系统供电系统（1）负荷）负荷 单独作用单独作用设该端口对应原边设该端口对应原边 相。相。则次边则次边绕组中的电流绕组中的电流 供电系统供电系统以变比以变比 （原边线电压与次边端口电压之比）归算（原边线电压与次边端口电压之比）归算到原边，通常原边线电压到原边，通常原边线电压110kV，次边，次边27.5kV，即，即 ，注意，注意Y的变换，则的变换，则用对称分量法得用对称分

21、量法得 供电系统供电系统（2）负荷）负荷 单独作用单独作用以以 为基准相量，则为基准相量，则则则 所引起的次边所引起的次边绕组中的电流绕组中的电流 供电系统供电系统以变比以变比 （原边线电压与次边端口电压之比）归算（原边线电压与次边端口电压之比）归算到原边，通常原边线电压到原边，通常原边线电压110kV，次边，次边27.5kV，即，即 ，注意，注意Y的变换，则的变换，则用对称分量法得用对称分量法得 供电系统供电系统（3）负荷）负荷 单独作用单独作用以以 为基准相量，则为基准相量，则则则 所引起的次边所引起的次边绕组中的电流绕组中的电流 供电系统供电系统以变比以变比 （原边线电压与次边端口电压之

22、比）归算（原边线电压与次边端口电压之比）归算到原边，通常原边线电压到原边，通常原边线电压110kV，次边，次边27.5kV，即，即 ，注意，注意Y的变换，则的变换，则用对称分量法得用对称分量法得 供电系统供电系统 由以上分析可得，对于由以上分析可得，对于Ynd11牵引变压器，以牵引变压器，以 为基准相量，其负序电流分量相角如下表所示。为基准相量，其负序电流分量相角如下表所示。相别相别abc负荷电流的负荷电流的相角相角产生的负序产生的负序电流分量的电流分量的相角相角供电系统供电系统分析中仍以分析中仍以 为基准相量，供电臂电压取为基准相量，供电臂电压取 、中任一组或任一个。中任一组或任一个。(1)

23、当负荷为当负荷为 时，时，相关量矢量，相关量矢量图如图所示图如图所示 2.Vv2.Vv、IiIi牵引变电所负序电流计算牵引变电所负序电流计算供电系统供电系统以以 、表示表示 在一次侧在一次侧 相产生的零相产生的零序、正序、负序分量，则序、正序、负序分量，则 供电系统供电系统(2)当负荷为当负荷为 时，时，相关量矢量，相关量矢量图如图所示图如图所示 供电系统供电系统以以 、表示表示 在一次侧在一次侧 相产生的零相产生的零序、正序、负序分量，则序、正序、负序分量，则 供电系统供电系统(3)当负荷为当负荷为 时，时，相关量矢量，相关量矢量图如图所示图如图所示 供电系统供电系统以以 、表示表示 在一次

24、侧在一次侧 相产生的零相产生的零序、正序、负序分量，则序、正序、负序分量，则 供电系统供电系统 由以上分析可得，对于单相接线牵引变压器，以由以上分析可得，对于单相接线牵引变压器，以 为基准相量，其负序电流分量相角如下表所示。为基准相量，其负序电流分量相角如下表所示。相别相别ABBCCA负荷电流的负荷电流的相角相角产生的负序产生的负序电流分量的电流分量的相角相角供电系统供电系统以以Scott接线变压器为例，以接线变压器为例，以 为基准相量为基准相量3.3.平衡牵引变压器负序电流计算平衡牵引变压器负序电流计算0 0D D供电系统供电系统(1)当负荷为当负荷为 单独作用时，单独作用时，以，以 、表示

25、表示 在一次侧在一次侧 相产生的零序、相产生的零序、正序、负序分量。正序、负序分量。分析结果其产生的各序分量与三相变压器分析结果其产生的各序分量与三相变压器 单独作用单独作用时相同。时相同。供电系统供电系统(2)当负荷为当负荷为 单独作用时，单独作用时，以，以 、表示表示 在一次侧在一次侧 相产生的零序、相产生的零序、正序、负序分量。正序、负序分量。分析结果其产生的各序分量与分析结果其产生的各序分量与单相变压器单相变压器 单独作用单独作用时相同。时相同。供电系统供电系统 由以上分析可得，对于平衡接线牵引变压器，以由以上分析可得，对于平衡接线牵引变压器，以 为基准相量，为基准相量，和和 产生的负

26、序电流分量相产生的负序电流分量相角如下表所示。角如下表所示。当当 和和 同时存在，并且两负荷电流相当时，即同时存在，并且两负荷电流相当时，即 则两负荷电流所产生的负序分量相互抵消。则两负荷电流所产生的负序分量相互抵消。相别相别CAB负荷电流的负荷电流的相角相角产生的负序产生的负序电流分量的电流分量的相角相角供电系统供电系统 上面已述及，负序在电力系统中所造成的上面已述及，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。机和电动机出力等。为使电

27、力系统经济运行和提高电能质量，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。尽可能降低负序是十分必要的。7-5 7-5 降低负序影响的措施降低负序影响的措施供电系统供电系统1.理论依据理论依据 由负序电流的一般表达式来观察负序的合由负序电流的一般表达式来观察负序的合成特性：成特性：可见，在各种负荷条件不变的情况下，只可见，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流的各分量互相抵消，从而减少使构成负序电流的各分量互相抵消，从而减少总的负序电流。总的负序电流。供电系统供电系统2.实际措施实际措施（1

28、）采用特殊接线的牵引变压器）采用特殊接线的牵引变压器 比较常用的是比较常用的是Scott接线牵引变压器。其他接线牵引变压器。其他三相两相平衡接线牵引变压器，如三相两相平衡接线牵引变压器，如 接接线、线、Le Blanc接线、接线、Wood-Bridge接线等，却接线等，却很少用到。很少用到。（2）并联补偿装置）并联补偿装置供电系统供电系统（3）牵引变电所换相联接）牵引变电所换相联接 为整体减轻进入电力系统的负序分量，电气化为整体减轻进入电力系统的负序分量，电气化区段的各种接线的牵引变电所几乎无一例外地实行区段的各种接线的牵引变电所几乎无一例外地实行换相联接，即轮换接入电力系统的不同相。换相联接，即轮换接入电力系统的不同相。大量实践证明，牵引变电所换相联接对减少电大量实践证明，牵引变电所换相联接对减少电气化铁道对电力系统的负序影响是十分有效的。气化铁道对电力系统的负序影响是十分有效的。供电系统供电系统