毕业设计-电气化铁道电能质量分析与研究参考模板范本.doc

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1、毕业设计-电气化铁道电能质量分析与研究山东职业学院毕业设计（论文）题目：电气化铁道电能质量分析与研究系别： 电气系专业： 电气化铁道技术班级： 学生姓名： 指导教师： 完成日期： 0 / 25摘要电气化铁路牵引负荷是具有非线性、波动性和冲击性的大容量不对称负荷， 其电能质量问题具有特殊性。研究这些特性以及它们对于电力系统的影响是对 电气化铁路牵引负荷进行科学、合理的电能质量评估的基础。 本文依据国家标准和行业导则，并考虑电能质量现有检测水平，建立了电气化铁路牵引负荷电能质量评估的指标体系，并深入探讨。评估指标体系中，纳入了电压偏差、频率偏差、电压波动与闪变、电网谐波含量、和三相电压不平衡度5项

2、电能质量指标。本文也指出了该指标体系进一步丰富的方向。在综述电能质量的衡量指标的基础上，也对各指标偏差改善措施进行了总结的基础上，分析了各种分析方法的优缺点和适用范围，幷提出静止型动态无功补偿装置SVC对电能质量的改善作用。对于进一步提高电能质量的研究提供参考。关键字 牵引负荷；电能质量；指标体系；改善措施目录摘要I目录II1 绪论11.1 电气化铁路的组成11.1.1电气化铁路电流制与额定电压11.1.2电气化铁道牵引供电系统21.1.3电气化铁路的优越性和存在的问题21.2电能质量定义31.3电能质量的指标41.3.1电压偏差41.3.2频率偏差51.3.3电网谐波含量51.3.4电压波动

3、和闪变61.3.5三相不平衡度6 电气化铁路牵引负荷特性82.1谐波特性82.2负序特性92.3电压偏差102.4电压波动与闪变102.5其他特性103 电气化铁路牵引负荷对电网电能质量的影响113.1谐波和负序对电力一次设备的影响113.2谐波和负序对电力二次设备的影响123.3谐波和负序对用电设备的影响144 电能质量的改善措施及未来展望154.1电能质量的改善措施154.2 SVC 静止型动态无功补偿装置164.2.1 SVC 的发展164.2.2 SVC 的工作原理及在电网中应用164.2.3 谐波抑止与无功补偿174.2.4 负序电流补偿184.3未来展望18总结19致谢20参考文献

4、21221 绪论中国的电气化铁道总里程已经突破24万公里跃居世界第二。电气化铁道具有运载能力强、行车速度快、节约能源、对环境污染小等优点在现代国民经济发展中起着举足轻重的作用。但是由于电气化铁道牵引负载所具有的随即波动性和不对称性其给公共电网带来的诸如负序电流、谐波以及无功功率等电能质量问题也引起了极大的关注。研究如何利用有效手段治理电气化铁道牵引负载所带来的一系列电能质量问题确保电网中其他电力设备的安全经济运行具有重大意义。1.1 电气化铁路的组成 铁路的牵引动力设备是机车。目前，我国铁路实际使用的机车有蒸汽机车、内燃机车和电力机车三种。与此对应的铁路牵引方式也有蒸汽牵引、内燃牵引和电力牵引

5、三种。所谓电力牵引，就是由外电源供给动力车电能的牵引方式。采用电力牵引的的铁路称为电气化铁路。 作为电气化铁路牵引动力的电力机车，本身不带电源。他必须从外部电源和牵引供电系统获得电能，经过变化后，输送到牵引电动机。是牵引电动机旋转，来驱动车轮转动进而牵引列车运行。因此，电气化铁路除了一般的铁路线路、车站、通讯、信号等设施外，还包括特殊的牵引供电系统、电力机车以及相应的运行、维修和管理单位供电段、电力机务段电力调度及其主管部门等。1.1.1电气化铁路电流制与额定电压关于电气化铁路输电线路问题有过激烈的争论，以美、德和瑞士为代表的一方主张用单相工频交流电路；而以英、法等国为首的另一方则主张用高压直

6、流电路。 单相工频交流制利用工业系统电网作为电源，经过降压即可使用。由于采用比较高的电压25000 伏和2*25000 伏，接触网的电流减小，这样在输送同样功率的条件下，牵引变电所的距离可延长，接触网可以采用轻型结构，由于悬挂的重量减轻，支柱的容量可以减小，这些都直接降低建设的投资。同时运营中电能的损失也大大降低。但是由于电气化铁路采用的是单相电流对电网系统产生不平衡电流和电压，及负序电流和负序电压。1.1.2电气化铁道牵引供电系统我国的动力供电电网电压一般为110kV 或者220kV,通过牵引变压器转换为275kV 作为牵引动力机车的供电。现在普遍流行的牵引变压器种类主要有 单相牵引变压器、

7、Y-D11 牵引变压器、阻抗匹配牵引变压器、Scott 变压器等。我国电气化铁道采用工频交流50Hz 三相供电单相用电,其负荷牵引电力机车的 功率大,速度、负载状况变化频繁,且具有不对称的特性,导致牵引电网具有功率因数低、谐波含量高、负序电流大等特点,不但自身损耗大,而且对公共电网及铁 路沿线的其他电力设备也带来严重危害,必须采取有效措施加以治理。1.1.3电气化铁路的优越性和存在的问题 1、电气化铁路的优越性体现在以下几点： 1）拉得多，跑得快，运输能力大2）节约能源消耗，综合利用能源 3）经济效益好 4）对环境无污染，劳动条件好，有利于实现净化运输 5）有利于铁路沿线实现电气化，促进工农业

8、发展2、电气化铁路存在的问题： 在介绍电气化铁路的优越性的同时，也要指出它存在的下列问题： 1）对电气化铁路牵引负荷供电的电力系统造成负序电流和负序电压的产生、功率因数低、高次谐波含量增大因数降低等不良影响。 2）对沿线电气化铁路架设的通信线路有干扰 3）基建投资比蒸汽牵引和内燃牵引大4）接触网检修需要“天窗”时间 1.2电能质量定义电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的质量。理想状态的公用电网应以恒定的频率、标准正弦波和额定电压对用户供电。同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值大小应相等、相位对称且相差120度。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称、负荷性质多

9、变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态并不存在。因此，产生了电网运行电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。电能质量的具体指标通常为国家技术监督局相继颁布的涉及电能质量五个方面的国家标准，即：供电电压允许偏差，供电电压允许波动和闪变，供电三相电压允许不平衡度，公用电网谐波，以及供电频率允许偏差等的指标限制。围绕电能质量含义，从不同角度理解通常包括：(1)电压质量。给出实际电压与理想电压间的偏差，以反映供电部门向用户分配的电力是否合格。电压质量通常包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、电磁暂态现象、电压波动与闪变、短时电压变动、电压谐波、电

10、压间谐波、电压缺口、欠电压、过电压等。(2)电流质量。电流质量与电压质量密切相关。为了提高电能的传输效率，除了要求用户汲取的电流是单一频率正弦波外，还应尽量保持该电流波形与供电电压相同。电流质量通常包括电流谐波、间谐波、电流相位超前与滞后、噪声等。研究电流质量有助于电网电能质量的改善，降低线路损耗，但不能概括大多数因电压原因造成的质量问题，而后者往往并不总是用电造成的。(3)供电质量。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，包括技术供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价目的透明度等。(4)用电质量。用电质量反映供用电双方相互作用与影响的责任

11、和义务，它包括技术含义和非技术含义等。技术含义包括对电力系统电能质量技术指标的影响和要求。非技术含义是指用电责任和义务的履行质量，如用户是否按时、如数缴纳电费等。国内外对电能质量确切的定义至今尚没有形成统一的共识。IEEE标准化协调委员会已经给出了power quality(电能质量)的技术定义，合格电能质量的概念是指，给敏感设备提供电力和设置的接地系统均适合于该设备正常工作。国际电工委员会(IEC)也给出了定义，电能质量定义是指在电力系统中某一指定点上电压的特性，这些特性可根据预定的基准、技术参数来评价。根据这一定义，可以认为电能质量就是电压质量，合格的电能质量应当是恒定频率和恒定幅值的正弦

12、波形电压与连续供电。但大多数专家认为，对现代电能质量的定义应理解为“导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或频率偏差，造成用电设备故障或错误动作的任何电力问题都是电能质量问题”，这个定义概括了电能质量问题的成因和后果，当然这里的“偏差”应作广义的理解，它还包括供电可靠性的问题。1.3电能质量的指标理想的三相交流供电系统的三相交流电压是平衡的，其幅值和频率都是恒量。电压和电流的波形为正弦无畸变波形。电能质量通常用电网的实际状况与理想系统的差距来衡量。主要有五个指标：电压偏差、频率偏差、谐波含量、电压波动和闪变、三相电压不平衡度。1.3.1电压偏差电压偏差是指电力系统各处的电压偏离其额定值的百分

13、比，当用电设备端子上出现电压偏差时，其运行参数和寿命将受到影响，影响程度视偏差的大小、持续的时间和设备状况而异，电压偏差计算公式如下：电压偏差（）（实际电压额定电压）/额定电压*100 (1.1)目前，GB12325-1990供电电压允许偏差中规定：电压偏差是在正常运行条件下应保持电网各点电压在额定的水平上。其中：35kv及以上供电电压和对电压质量有特殊要求的用户为55；10kv及以下高压供电和低电压用户为额定电压的77；低压照明用户为额定电压的510为了保证用电设备的正常运行，在综合考虑了设备制造和电网建设的经济合理性后，对各类用户设备规定了如上允许偏差值，此值为工业企业供配电系统设计提供了

14、依据。1.3.2频率偏差我国的电力系统额定频率为50Hz，频率偏差是指电力系统频率的实际值和额定值之差，用下式表示： fffn (1.2)式中f为频率偏差，f为系统的实际频率，fn为系统的额定频率，即50Hz。频率偏差对电力系统极其设备的影响，取决于偏离值的大小和偏移持续时间。概括地说正负0.5Hz之内主要是经济问题，即引起设备的效率降低。偏离值超过了正负0.5Hz不仅使设备效率降低，还有可能危及设备的安全，轻则引起不可逆的累积性损伤，重则立即损坏设备，导致系统瓦解甚至崩溃。1.3.3电网谐波含量谐波即对周期性的变流量进行傅立叶级数分解得到频率大于1的整数倍基波频率的分量。电网谐波产生的根本原

15、因是由于系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加的电压与电流不成线性关系而造成的波形畸变。波形畸变后，会产生高次谐波。这是因为对一个周期性非正弦量（如电压、电流、磁通等）进行傅立叶级数分解，即可得到一个同频率的和很多整数倍频率的正弦波之和，即基波和各次谐波。对谐波的测量一般包括：各次谐波分量幅值和相位，各次谐波含有率（HR）、总谐波畸变率（THD）、谐波功率（Ph）。为了定量表示电力系统正弦波形的畸变程度，采用以各次谐波含量及谐波总量大小表示的下列波形畸变指标：(1)谐波含有率（HR）：h次谐波分量的有效值（或幅值）与基波分量的有效值（或幅值）之比。(2)总谐波畸变（THD）：谐波总量的有效值

16、与基波分量的有效值之比。理论上，谐波测量通常是利用谐波分析的方法求出信号的各次谐波（电压或电流）的幅值和相角，然后由相应公式可以方便的求出总谐波畸变率（THD）、谐波功率（Ph）。电网谐波的增加，将导致电器设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加，同时可能引起继电保护和自动装置的误动，仪器指示和电度计量不准以及通信受干扰等一系列问题。由于谐波引起的损耗以及电气设备绝缘寿命的缩短所造成的等值损失量也很可观。如果电网中谐波严重超标或发生谐波谐振，则损耗将大大增加。提高电能质量，防止谐波的危害，限制电力系统的谐波，就是要把上列指标限制到国家标准规定的允许范围之内。1.3.4电压波动和闪变

17、电压波动是指一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化。电压波动值为电压均方根值的两个极值Umax和Umin之差U，通常以其额定电压UN的百分数表示其相对百分值，即： V=UUn*100% (1.3)电压的快速变动是指供电电压在两个相邻的，持续一定时间的电压均方根值U1和U2之间的差值，称为电压变动。通常以额定电压的百分数来表示电压的相对百分值。即：V=（U1U2）Un*100% (1.4)在不超过30ms的期间内，同方向的二次或二次以上的电压均方根值的变动，只算作一次变动。也就是说，同方向小于30ms的快速变化不计入电压变动。在单位时间内电压变动的次数称为电压变动的频度。一般以1/min或1

18、/s为单位。供电系统中电压的波动和闪变多是由用户的波动性负荷引起的，波动性负荷可分为周期性波动负荷和非周期性波动负荷两类。周期性或近似周期性的波动负荷对闪变的影响更为严重。波动性负荷在系统阻抗上将引起电压降上的波动。当负荷波动时，系统功率和系统阻抗越大，则导致的电压波动越大，这取决于供电系统的容量，供电电压，用户负荷大小，类型，电动机起动频度和功率等。1.3.5三相不平衡度电力系统的三相不平衡是由于三相负载不平衡以及系统元件参数的不对称所致。当三相电源电压畸变不对称时，对于三相四线制电路，电压中除了含有谐波分量外，还含有正序，负序，零序分量。对于三相三线制电路，没有零序分量，所以，三相电量的不

19、平衡度通常以负序分量与正序分量的有效值的百分比值来表示：g=U2/U1*100% (1.5)式中：U1为三相电压正序分量的有效值；U2为三相电压负序分量的有效值。三相电压的不平衡主要是因为分配在三相上的负荷不平衡所致。系统三相阻抗不对称，消弧线圈补偿电网不平衡，电动机车等大容量非对称负荷的接入也会造成三相电压的不平衡。国际中对三相不平衡的规定如下：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，电气设备额定工况的电压允许不平衡度和负序电流允许值仍由各自标准规定。 电气化铁路牵引负荷特性电气化铁路牵引负荷是具有非线性、波动性和冲击性的大容量不对称负荷，其电能质量问题具有特殊性。研究

20、这些特性以及它们对于电力系统的影响是对电气化铁路牵引负荷进行科学、合理的电能质量评估的基础。电气化铁路牵引负荷是波动性很大的大功率单相整流负荷，具有不对称、非线性、波动性和功率大的特点。它与线路条件、机车类型、牵引重量以及运行状态（如速度、加速度、正常运转、滑行与制动）等多种因素紧密相联，而这些影响因素又具有随机性和日波动性。本节将从谐波特性、负序特性、电压偏差、电压波动与闪变等方面展开讨论电气化铁路牵引负荷的电能质量特性。2.1谐波特性电气化铁路牵引负荷是直接接入高压电力系统的大宗负荷，其产生的谐波直接注入高压电力系统。牵引负荷与一般负荷的最大区别是它的不对称性和随机波动性，其产生的谐波也区

21、别于一般负荷产生的谐波，具有如下特点：1）特征谐波不同；2）谐波初相角分布广泛；3）谐波幅值随机剧烈波动；4）谐波电流直接从110kV或220kV电压等级注入电网。从谐波次数上看，普通电力系统中常含有5次以上的奇次谐波，其中又以5次谐波含量最高。电气化铁路牵引负荷产生的谐波则不同：直流机车的谐波以3次为主，其余奇次谐波依次衰减，并且不同于普通系统中的缓慢衰减，其衰减速度很快，到15次一般可至1%以下，而普通系统中17次谐波的含有率一般高于3.5%；交直交型的电力机车由于电力电子器件的高频开关，通常含有一定量的高次谐波，而总量较小。从初相角的分布来看，电气化铁路中的各次谐波分布呈现随机性，而一般

22、系统的谐波的初相角更容易掌握，其范围更多是由谐波次数决定。而电气化负荷的特殊性决定其谐波幅值的变化具有波动性和周期性，谐波电流的峰值持续时间较短，不到半分钟。由于牵引站与大电网系统通过110kV或者220kv的公共连接点相连，因此谐波电流将通过该点注入并进一步影响到更高或更低的电压等级，从而对电源部分和配电其他支路均有影响，但值得注意的是，不同于大多数从电网末端来的一般电力谐波，电气化铁路的谐波的影响程度会随电压等级的变化逐级减小，从而不会直接影响中、低压等级的电气设备。电气化铁路的基本负荷电力机车需要通过牵引站与公用电网相连，电能从高压侧传输至低压侧并供给电力机车，而谐波又反过来通过馈电线汇

23、总到站内并注入系统，因此牵引变和接触网都是谐波注入的重要流经途径，其不同的规模参数、接线形式和电压等级都将增加电气化铁路谐波的复杂程度。2.2负序特性电气化铁路牵引负荷是大功率单相整流负荷，当三相电力系统向它供电时，它将向电力系统注入大量的负序电流。拓扑结构的不对称，是电气化铁路对电网电能质量产生各种不利影响的根本原因，加上单相牵引负荷的独立性和随机波动性，使其返回系统的负序问题十分复杂。电能由原本公共电网中的三相电通过牵引变电站中的变压器转换为向单相负荷供电，因此牵引变压器的不同接线方式都将引起不同的负序电流，从而造成不同的负序特性，这一特性的衡量与一般电力系统基本相同，均通过电压不平衡度来

24、体现。针对不对称系统，采用一般电力系统中的对称分量法针对不同的变压器接线方式下的负序电流进行计算，研究显示，单相接线方式下，负序电流最为严重，此时I2=I1，不平衡度非常大；V/v接线与YNd11接线方式对负序的影响基本相同，当两供电臂电流相同时影响最小，此时I2=0.5I1；而Scott接线与阻抗平衡接线在两臂电流相同时，I2=0，此时不平衡度为0。因此综合考虑可知，Scott接线和阻抗平衡接线的牵引变压器对负序的影响最小，带来的不平衡度最低，因此是较为理想的变压器接线方式。电气化铁路牵引负荷的负序特性可以通过牵引变电站的轮流换相连接、采用不同型式变压器、安装分相无功补偿装置等措施得到改善，

25、然而，这些措施都只能在一定程度上减少负序的影响而不能消除。如牵引变电站的轮流换相连接，需要三个牵引变电站才能完成一次轮换，但受实际供电能力的限制，一般难以实现，并且牵引负荷随机车运行方式和运行工况随机变化，负序的影响难以得到有效的改善。2.3电压偏差交直型电力机车功率因数较低，平均功率因数仅为0.800.85。此外，牵引网阻抗的影响使牵引负荷在牵引网上的有功和无功损失之比小于，因此功率因数还要再降低0.010.05。同时，牵引变压器阻抗的影响使牵引站110kV侧的功率因数还要再降低0.05。交直交型机车功率因数较交直型电力机车有较大提高，网侧的功率因数接近于1（0.93以上）。列车高速运行时，

26、需要的牵引功率大幅增加。特别是在高峰客流期，需要组织加大编组、高密度运输，这样也将造成公共连接点的电压偏差问题。目前我国在运的电力机车中，交直型电力机车仍占较大比重。2.4电压波动与闪变电气化铁路牵引负荷具有随机波动性。由于受到列车行驶过程中的各种运行工况（包括加速、恒速、惰性、制动等）、轨道情况（如坡道、弯道、站场、道岔等）、自然气候、列车司机操作过程等各种因素的变化影响，牵引负荷随之波动变化。负荷的波动及其伴随的较大的无功冲击，会造成电压波动，对电网和牵引供电系统本身造成不良影响。2.5其他特性此外，牵引供电回路合闸、机车启动及更换供电区间时产生的冲击和励磁涌流引起的电压暂降也是值得关注的

27、电能质量问题。3 电气化铁路牵引负荷对电网电能质量的影响谐波和负序是电气化铁路牵引负荷的两大主要电能质量问题。这两类电能质量问题影响电力系统内多种设备的正常运行，给电力系统的安全稳定运行带来隐患。下文将对电力系统发电、输电、配电、用电各环节电力设备在谐波和负序作用下可能产生的问题进行分析，为电铁牵引负荷电能质量评估提供依据。3.1谐波和负序对电力一次设备的影响谐波会导致电网中的元件产生附加损耗，降低发电、输电、配电及用电设备的效率；引发电机产生机械振动、噪声和过电压；造成电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，甚至损坏。在谐波频率下，电力系统中各个元件的等值需要考虑分布参数。由于对地电容和

28、相间分布电容的存在，使电力系统成为一个由电容、电抗和电阻组成的复杂网络，加上系统中本身存在的补偿电容器等大电容元件和电磁式电压互感器、变压器等非线性铁磁元件的互相作用，系统中发生局部谐振的可能性大大增加。因而，应特别关注电力系统中并联电容器引起的谐振、谐波放大，以及电缆的过负荷和过电压击穿等现象。另外，应考虑交直交型的电力机车产生高次谐波可能导致的谐振过电压问题。据报道，韩国高速铁路产生的谐波曾引发谐振过电压，谐振频率为1500Hz。一般地，负序电流对于输电线路和变压器的影响并不大，这是由于大多数输电线路和变压器是非满载运行的，在热容量方面有较大的余地。但对于一般运行在满载（或接近满载）的情况

29、的发电机和电动机，其热容量一般没有余地或者很小，负序电流产生的额外升温，会导致电机过热而使寿命缩短。我国曾多次发生电气化铁路牵引负荷产生的谐波和负序影响发电机组影响事例，如表3-1所示。表3-1电气化铁路谐波和负序对发电机组影响事例省份相关牵引站对电力系统继电保护的影响事例河北井南、南新城牵引站石太电气化铁路石家庄-太原段于1979年投运，其中位于河北段的井南和南新城牵引站在电气化铁路投运初期由徽水电厂2台50MW机组机端振动发热，保护动作，机组不能正常运行。为解决徽水电厂机组问题，被迫在该区增设了一座220kV变电站，耗资巨大，到目前为止，该站的负荷仍然很小，造成了投资的浪费。福建华安牵引站

30、直供电气化铁路的华安电厂机组发生严重振荡，导致2、3号发电机定子绑线严重断裂，需要新做加固处理。2005年总华线路改造，单条线路与系统并网，机组频繁受电气化铁路负序电流干扰而发生振动，经测试，负序电流持续时间最长达4-5min，最大值达120A，当电气化铁路双回与系统并网时，时常出现负序电流引起发电机振动。陕西安康地区某牵引站1984年，陕西省安康地区发生5次谐波振荡，使10kV配电电压中的5次谐波电压含有率达8%，甚至达到19%以上。安康当地氮肥厂内的数台10kW级感应电动机因发热而损坏，故障明显高于往年，并且损坏的时间都在电网电压升高时，损坏的电动机中，主要损坏部件就是定子绕组。这很可能是

31、电网电压升高和谐波增大，加剧了电动机的磁饱和，从而产生功率损耗和附加温升。3.2谐波和负序对电力二次设备的影响谐波电流和负序电流会干扰继电保护和自动装置，引起保护误动作，影响系统安全稳定运行，造成电气测量仪表计量精度下降。例如发电机的负序电流保护、主变压器的过电流保护、母线的差动保护、线路的距离保护和高频保护、自动准周期装置、故障录波器等。此外，谐波电流还会影响电网中各种计量仪表的准确性，造成经济损失。电气化铁路负荷对电力系统的诸多影响中，绝大多数都需要长期积累才会体现出来，很多人将其作为一种“慢性病对待”。而电气化铁路负荷所产生的谐波和负序问题对即便保护和自动装置的影响，则可以马上显现出来。

32、因此，目前所表现出来的电力系统中受谐波和负序影响而导致非正常工作或者性能恶化的装置中，继电保护和自动装置最多。表3-2所示为我国5省继电保护及自动装置受电气化铁路负荷影响的事例。电能计量是电力系统收费的依据，关于电气化铁路供电谐波和负序对计量准确性与合理性的影响，长期以来成为供、用电双方争论的焦点。谐波对通信线路的干扰可能影响通话的清晰度，甚至在谐波和基波的共同作用下，曾发生多次触发电话铃响的情况，严重时会威胁到通信设备和人员的安全。不平衡电流在通信线上产生的感应电动势将对通信系统产生较大的干扰。表3-2电气化铁路负荷对电网继电保护及自动装置影响事例省份相关牵引站名称对电力系统继电保护的影响事

33、例陕西千阳牵引站千阳变电站10kV电容器1998年3月12日微机调压装置动作，1999年6月28日过流保护动作。上述保护动作的同时，主变压器声音都有异常增大。现场试验证明，110kV和10kV谐波电压达5%，电压不平衡度达3%均严重超标。咸阳西牵引站电气化铁路负荷增大时经常微机保护装置负序突变量启动，发出告警信号。四川官渡牵引站2000年9月，因襄渝输电线电气化铁路谐波，负序电流造成川东电网枢纽复兴变电站继电保护动作，导致达州、巴中地区大面积停电和襄渝线停运67min；南昌北、黄联关、德昌、越西、普雄、乐武、新凉牵引站在南昌电网正常运行（无故障）的情况下，西昌变电站与越西变电站的220kV线路

34、高频保护收发信号频繁启动，使220kV越西线线路开关多长跳闸，造成越西变电站和由其供电的6座牵引站全部停电。山西翼城牵引站电气化铁路负荷较大时，220kV郑庄变电站220kV故障录波器启动，220kV郑庄变电站1号主变压器控制盘瞬时发出“保护装置故障”报警；阴塔、神池南、离柳磴、东冶牵引站电气化铁路产生的负序电流造成系统变电站的负序电压闭锁经常开放，严重影响电力系统继电保护的整定和电力系统的安全稳定运行。宁夏宜和牵引站电气化铁路负荷产生的谐波造成故障录波器频繁启动，两年内数据硬盘损坏两次，被迫退出运行长达两个月；电气化铁路负荷产生的谐波使113电气化铁路1回线路保护装置频繁启动，造成保护装置多

35、次出现程序故障。湖南潭市牵引站电气化铁路产生负序电流引起东山变电站110kV零序电压元件启动报警。3.3谐波和负序对用电设备的影响电气化铁路负荷所产生的谐波和负序问题除了对电力系统的一次和二次设备产生影响外，还会对各种用电设备（如：电视机、计算机、电力电子设备等）产生影响。4 电能质量的改善措施及未来展望4.1电能质量的改善措施电能质量的好坏是电气化铁道电力工业水平的重要标志。改善电能质量，抓好管理工作是不可忽视的环节，因此我们可以做一些工作：1）建立质量管理体系。2）电气产品的电能质量管理。3）改善 电能质量还要对电能质量进行研究。4）随着高性能的电力电子元器件(例如GTO、IGBT、LTT

36、等)的出现，国外专家提出了柔性交流输电(FACTS)技术。在此基础上也提出了一些解决电能质量问题的方法。 (1) 调节有载调压变压器的分接头，可保持电压稳定，保证电压质量，但不能改变系统无功需求平衡状态，同时也可能影响变压器运行的可靠性。(2) 局部并联电容器组的投切，可补偿系统无功功率，解决电压偏低的情况，但对轻载电压偏高的电能质量问题却无能为力。 (3) 无源滤波器是传统的抑制谐波电流的主要手段，它通过 LC 谐振吸收电网中的谐波电流但只能抑制固定频率的谐波，同时也可能造成系统谐振。(4) 通过备用发电机组和机械式双电源切换装置（2 S）等方法对重要用户连续供电。以上方法都能在一定程度上解

37、决电能质量问题，但也都存在着本身无法克服的缺陷，因此必须提出新的解决电能质量问题的方法。 1988 年美国N.G.Hingorani博士首次提出了Custom Power 的概念，即将电力电子技术、微处理器技术、控制技术等高新技术运用于中、低压配、用电系统，以减小谐波畸变，消除电压波动、电压闪变、电压的不平衡和供电的短时中断，从而提高供电可靠性和电能质量的新型综合技术。用户电力技术的提出为全面解决供电网电能质量问题提供了一种新的途径。作为FACTS技术在配电系统应用的延伸DFACTS技术（又称Custom Power 技术）已成为改善电能质量的有力工具，该技术的核心器件IGBT 比GTO 具有

38、更快的开关频率，并且关断容量已达MVA级，因此DFACTS 装置具有更快的响应特性。目前主要的DFACTS装置有：有源滤波器（APF）、动态电压恢复器（DVR）、配电系统用静止无功补偿器（DSTATCOM）、固态切换开关（SSTS），统一电能质量控制器（UPQC）等。其中APF（属于并联补偿）是补偿谐波的有效工具；而 DVR（属于串联补偿）通过自身的储能单元，能够在ms级内向系统注入正常电压与故障电压之差，因此是抑制电压暂降的有效装置，UPQC综合了串联补偿和并联补偿的特点，既能抑制电流谐波，又能补偿电压畸变量，是一种综合的补偿装置。4.2 SVC 静止型动态无功补偿装置4.2.1 SVC 的

39、发展静止型动态无功补偿装置SVC是一种先进的高压电网动态功率因数补偿装置。它通过提高功率因数来节约大量的电能,同时又起到减少电网谐波、稳定电压、改善电网质量(环境)的作用。20世纪70年代以来,以晶闸管控制的电抗器(TCR)、晶闸管投切的电容器(TSC)以及二者的混合装置(TCR+TSC)等主要形式组成的静止无功补偿器(SVC)得到快速发展。SVC可以看成是电纳值能调节的无功元件,它依靠电力电子器件开关来实现无功调节。SVC作为系统补偿时可以连续调节并与系统进行无功功率交换,同时还具有较快的回应速度,它能够维持端电压恒定。4.2.2 SVC 的工作原理及在电网中应用 TCR+TSC型SVC由1

40、台TCR、2台TSC以及2个无源滤波器组成,在实际系统中,TSC及无源滤波的组数可根据需要设置。TCR的工作原理是通过控制与相控电抗器连接的反并联晶闸管对的移相触发脉冲来改变电抗器等效电纳的大小,从而输出连续可变的无功功率。两个晶闸管分别按照单相半波交流开关运行,通过改变控制角可以改变电感中通过的电流。的计量以电压过零点为基准,在90180之间可部分导通,导通角增大则电流基波分量减小,等价于用增大电抗器的电抗来减小基波无功功率。导通角在90180之间连续调节时电流也从额定到0连续变化,TCR提供的补偿电流中含有谐波分量。TSC的工作原理是根据负载感性无功功率的变化通过反并联晶闸管对来切除或者投

41、入电容器。这里,晶闸管只是作为投切开关,而不像TCR中的晶闸管起相控作用。在实际系统中,每个电容器组都要串联一个阻尼电抗器,以降低非正常运行状态下产生的对晶闸管的冲击电流值,同时避免与系统产生谐振。用晶闸管投切电容器组时,通常选取系统电压峰值时或者过零点时作为投切动作的必要条件。由于TSC中的电容器只是在两个极端的电流值之间切换,因此它不会产生谐波,但它对无功功率的补偿是阶跃的。TCR和TSC组合后的运行原理为:当系统电压低于设定的运行电压时,根据需要补偿的无功量投入适当组数的电容器组,并略有一点正偏差(过补偿),此时再利用TCR调节输出的感性无功功率来抵消这部分过补偿容性无功;当系统电压高于

42、设定电压时,则切除所有电容器组,只留有TCR运行。4.2.3 谐波抑止与无功补偿 利用SVC动态无功补偿装置对牵引供电系统的谐波和无功进行综合治理的关键是SVC最大无功补偿量的确定和滤波器支路的设计。SVC最大无功补偿量Qsvc应该和设计线路牵引负荷的大小相适应,应该按电气化铁道牵引负荷的最大有功需求以及补偿后对装设地点功率因数或在最大无功冲击时的最大电压损耗的要求来确定,具体可以按照式(1)、(2)来计算。 QSVC=(tan1-tan2)Pmax(1) 式中,1、2 分别为补偿前后110kV 电源测功率 因子角;Pmax 为电铁负荷最大有功需求。QSVC=Qfmax-U%Xs(2) 式中,

43、Qfmax 为装设地点最大无功冲击;U%为装设地点最大电压损耗要求;Xs为系统阻抗。要想达到理想的谐波抑止效果,必须综合考虑FC滤波支路的设计,既要保证装置的安全运行,又要达到预计的理想效果。在实际设计中,首先需要根据供电臂中所含的谐波分量来确定FC滤波支路的组成。由于在电力牵引负荷的谐波中, 3、5、7次谐波占了很大的比重,所以FC滤波支路一般由3、5、7次单调谐滤波器构成。当最大无功补偿容量和滤。如果各滤波支路的容量分配不合理,一方面会使设备安装总容量偏大,另一方面有可能因为某此滤波回路补偿功率偏小而发生过负荷,对设备安全运行造成影响。4.2.4 负序电流补偿 牵引电力机车产生的大量负序电

44、流给电网中其他的电力设备的安全、经济运行带来极大影响。SVC静止动态无功补偿装置在补偿负序和末端电压上有着相当高的效率。工程应用上可以选择在电网系统和负荷上都安装SVC。在电网系统端安装应用SVC来补偿负序电流的原则是参照斯坦梅茨法则(Steinmetzs laws)。不管采用哪一种牵引变压器,负序补偿的实现分为如下两步: 1)电力因子修正。通过安装电容器件,使得每相负荷都为电阻性。 2)参照斯坦梅茨法则(Steinmetzs laws),AB相的电阻性负荷,与BC相的电容性负荷，以及CA相的电感性负荷相互对称，系统中的所有负序电流都可以被补偿而消除。现在问题的关键是如何随着牵引负荷的起伏动态

45、地控制补偿需要的电容和电感器组。急于数字信号处理器(DSP)的固定电容(FC)和晶闸管控制的电抗器TCR)的组合得以广泛应用。得益于DSP对数据信息的快速处理,补偿所需的电容和电感参数可以被快速、精确计算得到。4.3未来展望本文提出的基于静止动态无功补偿装置(SVC)的电气化铁道牵引电网电能质量综合控制与治理原理与方案具有重要的工程意义。它通过提高功率因数来节约大量的电能,同时又起到减少电网谐波、稳定电压、改善电网质量(环境)的作用。电气化铁道的电能质量是一个突出且严峻的课题与难题，要求我们不断探求新的综合补偿方法，来综合控制与治理影响电能质量的无功、谐波、负序等因素，以提高电网电能质量，确保

46、电网安全、经济运行。相信在不久的将来电气化铁道系统会有一个全新的面貌。总结电气化铁路牵引负荷是具有非线性、波动性和冲击性的大容量不对称负荷， 它的电能质量特性以及不同电能质量问题对电网的影响是对其进行科学、合理的电能质量评估的基础。负序和谐波是电气化铁路牵引负荷电能质量问题中比较复杂并且对电网影响较大的两类问题，在建立电气化铁路牵引负荷电能质量模型时应予以着重考虑。本文依据国家标准和行业导则，幷考虑电能质量现有检测水平，建立了电气化铁路牵引负荷电能质量评估的指标体系，幷深入探讨。指标体系中，纳入了电压偏差、频率偏差、电压波动与闪变、电网谐波含量、和三相电压不平衡度5项电能质量指标。本文也给出了

47、该指标进一步丰富的方向。电能质量的好坏也是电气化铁道电力工业水平的重要标志。改善电能质量，抓好管理工作是不可忽视的环节。对于电能质量的改善，本文提出的基于静止动态无功补偿装置(SVC)的电气化铁道牵引电网电能质量综合控制与治理原理与方案具有重要的工程意义。相信在将来的设计中，电能质量会有更丰富系统的功能，更高的系统性能。这些都期待在以后的工作总不断充实。致谢此文在导师老师的悉心指导下完成。老师广博的学识严谨的治学态度高度的事业心和责任感给力我深刻的影响，让我永生难忘。在这里我要向老师致以最崇高的敬意幷表达我最诚挚的感激之情。匡老师在学习和生活上都给予了我很多帮助。使我在各方面都得到了长足的进步，我所取得的每一点进步、每一次成绩无不凝聚着老师的教诲，这使我受益匪浅。在此，还要感谢山东职业学院给与我的一切，将我从一个无知的小子带到现在的程度。感谢三年来陪伴我的老师同学、朋友，是你们给了我一个丰富多彩的大学生活，无论时间怎样变幻，你们终将是我一生无法忘却的一段记忆。