管理学牵引供电系统第十章谐波.ppt

第十二章 牵引供电电能质量 第一讲 谐波2谐波的基本概念•“谐波”一词起源于声学有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪己经奠定了良好的基础傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用电力系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，对于满足狄里赫利条件非正弦电量 可分解为一系列频率为电网基波频率整数倍的正弦分量3牵引供电谐波的产生•（1）电源含有的谐波•受工艺、环境以及制作技术等方面的限制，发电机三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，多少也会产生一些谐波•（2）输变电过程产生的谐波 •输变电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线特性以及额定工作磁密位于磁化曲线近饱和段上等诸多因素，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，含有大量奇次谐波铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大 •（3）负荷产生的谐波： •用电环节含有大量非线性负载，如晶闸管式整流设备、变频装置、电子荧光灯镇流器、调速传动装置、不间断电源(UPS)、磁性铁芯设备及某些家用电器等，均能产生非正弦电流。

4牵引供电谐波的产生•在牵引供电分析中，一般只考虑牵引负荷也就是电力机车产生的谐波现行的电力机车有传统的交直型和新发展起来的交直交型两种，交直型电力机车的牵引负荷是单相非线性的，在牵引工作状态时，整流回路投入工作，其功率因数偏低，含有较丰富的奇次谐波随着电力电子技术的迅速发展，电力机车已经实现由直流传动向现代交流传动的转变，采用交流传动模式，不仅是牵引动力上的进步，也可以大幅度提高电力机车的功率因素和显著改善电力机车牵引取流的波形5牵引供电谐波的危害•1、高压输电线路及牵引网线路的影响•由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的升高而增加在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加另外输电线路存在着分布的线路电感和对地电容，它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，在一定的参数配合条件下，会发生串联谐振或并联谐振一般情况下，并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大可能构成某次谐波的谐振回路,造成牵引负荷谐波电流的谐振放大6牵引供电谐波的危害•2、对牵引变压器的影响•谐波电流流过牵引变压器，将产生集肤效应和邻近效应（相邻导线流过高频电流时，由于磁电作用使电流偏向一边的特性，称为“邻近效应”)，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加。

另外3的倍数次零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使绕组电流超过额定值对于带不对称负载的变压器来说，如果负载电流中含有直流分量，会引起变压器的磁路饱和，从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量这些导致变压器容量减小、效率降低7牵引供电谐波的危害•3、对电力电容器的影响•因在高次谐波下的容抗要比在基波下的容抗小得多，从而使谐波电流的波形崎变更比谐波电压的波形畸变大得多，即便电压中谐波所占的比例不大，也会产生显著的谐波电流特别是在谐振的情况下，很小的谐波电压就会引起很大的谐波电流，使电容器成倍地过负荷，导致电容器因过流而损坏8牵引供电谐波的危害•4、对测量表计的影响•由于相当一部分测量表计是按照标准正弦测量对象设计的，故谐波还会对牵引供电系统中使用的大量测量和计量仪器的指示正确性产生不良影响，可能导致电压表、电流表、功率表、电度表等计量产生较大误差，严重时会导致计量混乱9牵引供电谐波的危害•5、影响继电保护和自动装置的其可靠性•对电力系统中以负序(基波)量或谐波量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些保护装置整定值小、灵敏度高，如果叠加上谐波的干扰则会引起误动或拒动，例如主变复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动、主变纵联差动保护谐波制动失灵、母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、故障录波器等发生误动作，严重威胁牵引供电系统的安全运行。

10牵引供电谐波的危害•6、干扰通信和信号系统的工作•电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全同时，当前铁道信号系统大量使用钢轨传输电码信号，轨回流中的高次谐波成分将对其产生较大影响•除了对铁路自身影响外，牵引供电系统容量较大，对于公共电网的谐波污染较为严重，可能危及整个电网的安全稳定11牵引供电谐波抑制的措施•1、采用新型电力机车•交直型电力机车通过增加整流装置的相数可以有效的消除幅值较大的低频项，从而大大地降低了谐波电流的有效值现代交流传动动车组和电力机车均采用了四象限变流器作为输入端变流装置，较好地满足了电力牵引设备对于功率因数、等效干扰电流、牵引和再生制动能力方面的特殊而苛刻的要求，可以使电网电流波形接近于正弦，电网功率因数接近于1，提高电网的经济效益，最大程度减少谐波影响，在电网电压或负载发生变化时，能够维持直流中间电压的稳定，给电机侧逆变器提供良好的工作条件，其性能优于其它各类交-直变流器12牵引供电谐波抑制的措施•2、在谐波源处加装滤波装置吸收谐波电流•（1）无源滤波器•由滤波电容器、电抗器和电阻器组成，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要，其结构简单、投资少、运行可靠性较高以及运行费用较低，但难以滤除频率较低、幅度较大的畸变波，滤波易受系统参数的影响，对某些次谐波有放大的可能，同时功耗和体积偏大。

•（2）有源滤波器•有源滤波器利用可控的功率半导体器件产生一个与谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的13牵引供电谐波抑制的措施•3、加装静止无功补偿装•电力机车负荷的移动性、变化性和随机性除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，因此宜装设能吸收动态谐波电流的静止无功补偿装置，提高供电系统承受谐波的能力，同时可以抑制电压波动、电压闪变、补偿功率因数14牵引供电谐波抑制的措施•4、防止并联电容器组对谐波的放大•可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限流装置，限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大15谐波的特征量•1、谐波含量•电压谐波含量•           •电流谐波含量16谐波的特征量•2、谐波总畸变率•电压总畸变率  ••电流总畸变率 • •式中：  —基波电压有效值， 一基波电流有效值17谐波的特征量•3、第n次谐波的含有率•第n次谐波电压含有率• •第n次谐波电流含有率• •式中；    — 第n次谐波电压有效值(方均根值)，•                — 第n次谐波电压有效值(方均根值)。

•  18第二讲 功率因数19无功功率及功率因数•我国交直型电力机车的功率因数一般为0.8～0.85左右，再考虑到牵引网和变压器阻抗的影响，未补偿的牵引母线上的功率因数通常为0.80～0.82，主变高压侧的功率因数大概0.77～0.7820提高功率因数的意义•1、降低了电网运行效率•2、增加设备和线路损耗•3.    线路压降增大•4.    降低设备容量利用率，增加设备容量21牵引供电功率因数标准•“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100 kV·A(kW)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0.8022提高牵引供电功率因数的措施•1、改善牵引供电系统自身功率因数•（1）提高电力机车的功率因数，新型的交流传动电力机车通过利用电子电子技术实现功率因数补偿，自身功率因数能够接近1；•（2）改善牵引网的阻抗特性，包括减小牵引网单位阻抗值和阻抗角，限制供电臂的长度等；•（3）合理选择牵引变压器容量，提高其容量利用率。

23提高牵引供电功率因数的措施•2、在牵引变电所牵引侧装设并联无功补偿装置•目前，国内牵引供电系统电容补偿主要采用集中补偿方式，则应投入容性无功 •牵引供电系统常用的无功补偿装置主要有并联电容器和各种动态无功补偿装置24第三讲 负序25负序基本概念•根据电路基础理论，正常运行的电力系统是三相对称的，表现为电源电势、网络结构和网络元件参数、负荷均三相对称，以及各运行参数三相对称无论电源、网络、负荷任一部分的三相对称性遭到破坏，系统的对称运行状态即受破坏，就会出现电压或电流的不对称任意一个不平衡负荷都可用对称分量法分为正序、负序和零序三组对称分量26负序电流的危害•对牵引供电系统来说，因为牵引变压器二次侧一般采用三角形或不完全三角形接线，所以零序电流形成环流无法通过，零序网络中断，不会产生零序分量流入电力系统所以牵引供电系统的不平衡负荷对电力系统的影响，实质上就是负序电流对电力系统的影响•电气化铁路牵引负荷是电力系统的重要不平衡负荷，产生大量的负序分量，影响电力系统及设备的安全稳定与经济运行，可以从电源和负载两方面考虑负序电流的影响27电源方面•电源方面主要是对同步发电机的影响主要是转子的附加损耗与发热和附加振动。

•发热：当负序电流通过发电机定子绕组时，负序电流在定、转子气隙中建立一个以同步转速旋转、方向与转子转向相反的旋转磁场，同步转速切割转子，在转子表面各部件上感应2倍工频电流，在转子表面感应产生涡流且分布不均这些附加电流和涡流形成附加损耗，引起额外温升由于集肤效应转子的表面温升较为明显，容易出现局部温度升高和过热国内曾发生过向电铁供电的汽轮发电机转子部件嵌装面过热受损的事故28电源方面•振动：负序电流使转子产生振动的原因有两个一是转子绕组中感应产生的2倍同步频率的电流，会在转子中造成脉动转矩，引起两倍同步频率的振动，在电机中造成额外的机械应力另一方面，转子上的2倍工频电流流经转子上各部件，因其使用材料不同，各自的热容量也不同，如护环的热容量较小，在护环与转子本体之间就会形成温差，使护环失去紧力，诱发振动29用户方面•对感应电动机的影响•电力牵引的单相负荷使三相系统中的各相线路产生不同的电压降，对接在该线路上的其他动力负荷供给一个不对称的三相电压对邻近牵引变电所而远离电源的异步感应电动机来说，正序电压产生正序电流和顺转的电磁转矩，负序电压产生负序电流和逆转的电磁转矩，此反向磁场对电动机转子起制动作用。

在谐波和负序电流的共同影响下，国内曾发生多起定子绕组过热烧毁事故30用户方面•对电力变压器的影响•负序电流造成电力系统三相电流不对称，从电力变压器的安全运行考虑，其每相电流均不应超过额定值或允许过载值，当最大的一相电流达到额定值时或允许过载值时，较小的两相却小于额定值，从而使变压器的容量利用率下降另外负序电流还造成变压器的附加能量损失并在变压器铁心磁路中造成附加发热，可能引起外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热或局部过热，加速变压器的老化，影响其使用寿命31用户方面•对输电线路的影响•负序电流流过输电线路时，实际上不做功，只造成电能损失，从而降低了电力线路的输送能力32用户方面•对继电保护的影响•由于保护按负序量整定，整定值小、灵敏度高，故得到广泛应用，负序电流容易使系统中由负序分量起动的继电保护及自动装置误动作，从而增加保护的复杂性33三相不平衡的衡量及负序电流的允许标准•牵引供电的不平衡程度，也就是含有负序的程度，一般通过（三相）电压、电流不平衡度表示，定义如下：•电压不平衡度：••电流不平衡度：•34允许标准•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％。

•对每个用户电压不平衡度的一般限值为1.3％，根据连接点的负荷状况，邻近发动机、继电保护和自动装置运行要求，可作适当变动。