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1、电气化铁路电能质量电气化铁路电能质量及其综合控制技术及其综合控制技术解绍锋解绍锋路路电：电：061-60959手机：手机：13908068987邮箱：邮箱：西南交通大学 电气工程学院主要内容主要内容绪论绪论电能质量概述电能质量概述电气化铁路电能质量实例电气化铁路电能质量实例电气化铁路外部电源电气化铁路外部电源电气化铁路电能质量控制电气化铁路电能质量控制1 绪绪 论论1 绪论绪论电力作为商品摆脱传统的计划经济模式进电力作为商品摆脱传统的计划经济模式进入市场，以入市场，以市场运作规则市场运作规则来制约供用电双方，来制约供用电双方，是我国电力市场建设与发展的必然。是我国电力市场建设与发展的必然。我国
2、电力市场建设是一项长期复杂的系我国电力市场建设是一项长期复杂的系统工程，涉及电力系统规划、电力生产、电统工程，涉及电力系统规划、电力生产、电网运行和负荷管理等诸多方面。网运行和负荷管理等诸多方面。电能质量电能质量是评估电力系统运行水平的重是评估电力系统运行水平的重要技术标准，要技术标准，优良的电能质量应由优良的电能质量应由供电、电供电、电气设备制造商、电力用户气设备制造商、电力用户三方共同保证。三方共同保证。自自20世纪中期开始，国际上开始将世纪中期开始，国际上开始将电电能质量能质量以及以及电磁兼容电磁兼容构筑成一个技术体构筑成一个技术体系加以研究。系加以研究。电能质量电能质量已经成为电力系统
3、研究领域已经成为电力系统研究领域一个新的学科分枝。一个新的学科分枝。电能质量管理已经成为电能质量管理已经成为电力市场管理电力市场管理中的一项系统工程。中的一项系统工程。优质电能质量的基本要求优质电能质量的基本要求优质的供、用电应具有以下特征：优质的供、用电应具有以下特征：(1)(1)供电电压具有供电电压具有稳定的标称频率、稳定的标称频率、幅值和波形幅值和波形；(2)(2)保持三相电压和电流的保持三相电压和电流的平衡平衡，保，保证电网最大传输效率；证电网最大传输效率；(3)(3)持续稳定和充足持续稳定和充足的电能供应；的电能供应；(4)(4)低廉的电价低廉的电价；(5)(5)对环境的对环境的不良
4、影响较小不良影响较小。保证优质电能的目的保证优质电能的目的(1)现代用电设备现代用电设备对电能质量的要求更高对电能质量的要求更高，许许多带有微处理器和功率电子器件的多带有微处理器和功率电子器件的装置对电磁干装置对电磁干扰极为敏感扰极为敏感。(2)电力用户电力用户提高了对诸如供电间断提高了对诸如供电间断、电压凹电压凹陷陷、电路通断引起的暂态现象的认识电路通断引起的暂态现象的认识，提出更高提出更高供电质量要求供电质量要求。(3)电网各部分是相互联系的电网各部分是相互联系的，供电部门在保供电部门在保证向用户优质供电的同时证向用户优质供电的同时，还需极力避免遭受用还需极力避免遭受用户产生的电力干扰户产
5、生的电力干扰，维护维护电网安全运行电网安全运行。如何保证电能质量？如何保证电能质量？近年来，在经济发达地区高端产业快速增长的同近年来，在经济发达地区高端产业快速增长的同时，非线性负荷大幅增加，电网中的电能质量问题时，非线性负荷大幅增加，电网中的电能质量问题日益突出。据美国电力科学院的粗略估计，认为每日益突出。据美国电力科学院的粗略估计，认为每年因电能质量相关问题，造成美国经济损失达年因电能质量相关问题，造成美国经济损失达260亿亿美元美元。发达国家电能质量问题主要是。发达国家电能质量问题主要是供电电压暂降供电电压暂降，占供电质量投诉量的占供电质量投诉量的80%。因此，有必要因此，有必要建立电能
6、质量监管体系建立电能质量监管体系，使其成为，使其成为保证电网安全运行、保护电气环境、保障电力用户保证电网安全运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用电能的基本技术规范，同时也是实施电能正常使用电能的基本技术规范，同时也是实施电能质量管理、维护供用电双方合法权益的法律依据。质量管理、维护供用电双方合法权益的法律依据。自自20世纪世纪60年代起，世界大多数国家制年代起，世界大多数国家制定了有关定了有关供电频率和电压允许变动供电频率和电压允许变动的技的技术指标，部分国家还制定了术指标，部分国家还制定了限制谐波电限制谐波电压、电流畸变以及电压波动压、电流畸变以及电压波动等推荐导则。等推荐导则。近十几年
7、来，许多工业发达国家已制定近十几年来，许多工业发达国家已制定了更加完备的了更加完备的电能质量系列标准电能质量系列标准，而且，而且各国的电能质量标准正在与国际相关专各国的电能质量标准正在与国际相关专业委员会推荐标准接轨，逐步实现标准业委员会推荐标准接轨，逐步实现标准的统一与完整。的统一与完整。电气化铁路与电能质量电气化铁路与电能质量电气化铁道负荷的电气化铁道负荷的波动性、不对称性、波动性、不对称性、功率因数低和非线性功率因数低和非线性一直是电力专家关注的一直是电力专家关注的电能质量问题。电能质量问题。我国第一条电气化铁路我国第一条电气化铁路宝成铁路宝宝成铁路宝鸡至凤州段于鸡至凤州段于196119
8、61年年8 8月月1515日建成通车日建成通车。由。由于当时向该段供电的电网容量较小，电网于当时向该段供电的电网容量较小，电网三三相不平衡相不平衡是当时专家们关注较多的问题。是当时专家们关注较多的问题。1961年宝凤段供电示意图在宝（鸡）凤（州）段开通时，在宝（鸡）凤（州）段开通时，考虑到宝鸡考虑到宝鸡电厂无法承受电气化铁道产生的负序电流，所以电厂无法承受电气化铁道产生的负序电流，所以在供电上在供电上“舍近求远舍近求远”，从，从关中系统兴平地区变关中系统兴平地区变电所电所受电。直至上世纪受电。直至上世纪9090年代，随着电网容量扩年代，随着电网容量扩大，该地区的电压不平衡问题得以缓解。大，该地
9、区的电压不平衡问题得以缓解。19611961年到年到19801980年底，我国共建成电气化铁路年底，我国共建成电气化铁路1676km1676km，发展十分缓慢。，发展十分缓慢。自自19801980年改革开放后，电气化铁路开始从山区年改革开放后，电气化铁路开始从山区走向平原；由低标准边远地区铁路向主要长大干线、走向平原；由低标准边远地区铁路向主要长大干线、重载、高速铁路发展。重载、高速铁路发展。到到20102010年底年底,我国电气化铁路已达我国电气化铁路已达4.24.2万万公里。公里。电气化率约电气化率约46%46%，其中高速铁路投入运营里程达，其中高速铁路投入运营里程达83588358公里公
10、里，位居世界第，位居世界第1 1位。位。在此期间，电力、铁路两部门在电能质量，尤在此期间，电力、铁路两部门在电能质量，尤其是在谐波、负序、无功方面的争议一直没有停止。其是在谐波、负序、无功方面的争议一直没有停止。“十一五”期间十一五”期间,铁路里程铁路里程新增新增2万公万公里里;其中其中高速铁路高速铁路9800公里公里，时速在，时速在300公里以上的有公里以上的有5457公里；既有线电公里；既有线电气化气化改造改造15000公里公里。根据国务院批准的根据国务院批准的中长期铁路网中长期铁路网规划规划（2004年批准，年批准，2008年调整年调整），），至至2020年，我国铁路营运总里程将达到年，
11、我国铁路营运总里程将达到12万公里，电气化率万公里，电气化率60%，其中高速铁，其中高速铁路达到路达到1.6万公里；包括万公里；包括“四纵”、“四纵”、“四横”“四横”八条时速在八条时速在200公里以上的客公里以上的客运专线。运专线。我国我国200km/h客货共线铁路的单台机车功率达客货共线铁路的单台机车功率达8000 12000kW；设计列车追踪间隔为；设计列车追踪间隔为5min；牵；牵引变电所主变安装容量为引变电所主变安装容量为31.550MVA；部分达到；部分达到63MVA。高速铁路的单台机车功率达到高速铁路的单台机车功率达到23000kW；设；设计列车追踪间隔为计列车追踪间隔为3min
12、；牵引主变安装容量达到；牵引主变安装容量达到73MVA 以上，甚至达到以上，甚至达到120MVA。在这些线路上，一方面，电气化铁路需要电在这些线路上，一方面，电气化铁路需要电力系统提供高质量、高可靠性的供电电源；另一力系统提供高质量、高可靠性的供电电源；另一方面，电气化铁路产生的电能质量问题也会更加方面，电气化铁路产生的电能质量问题也会更加突出。突出。例如，电气化铁路进入我国经济较发例如，电气化铁路进入我国经济较发达的东部地区，电气化铁道负荷对电网达的东部地区，电气化铁道负荷对电网以及高端制造业的影响已经引起当地电以及高端制造业的影响已经引起当地电力部门的高度重视，这些力部门的高度重视，这些电
13、铁线路的供电铁线路的供电协议谈判电协议谈判进行得比较艰难。进行得比较艰难。对从事电气工程的技术人员和研究人对从事电气工程的技术人员和研究人员来说，对电能质量相关知识的了解，员来说，对电能质量相关知识的了解，是很有必要的。是很有必要的。2 电能质量概述电能质量概述2 电能质量概述电能质量概述电能质量定义电能质量定义电能质量的分类电能质量的分类电能质量问题的起因电能质量问题的起因电能质量相关标准电能质量相关标准什么是电能质量什么是电能质量目前无统一定义目前无统一定义IEEE定义：合格的电能质量是指供给敏感定义：合格的电能质量是指供给敏感设备的电力和设置的接地系统是适合于该设备的电力和设置的接地系统
14、是适合于该设备正常工作的。设备正常工作的。IEC标准对电能质量的定义为标准对电能质量的定义为:电能质量是电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和不指供电装置在正常工作情况下不中断和不干扰用户使用电力的物理特性。干扰用户使用电力的物理特性。导致供电设备或用户设备故障或不能正常导致供电设备或用户设备故障或不能正常工作的电流、电压或频率偏差。工作的电流、电压或频率偏差。电能质量的分类电能质量的分类IEEE第第22标准统筹委员会标准统筹委员会(电能质量电能质量)和其他国际和其他国际委员会推荐用如下术语表述几种主要的电能质量委员会推荐用如下术语表述几种主要的电能质量干扰：干扰：断电断电(interr
15、uption)频率偏差（频率偏差（frequency deviation）电压凹陷电压凹陷/下跌下跌(voltage sags)电压上升电压上升(swell)瞬时脉冲或暂态瞬时脉冲或暂态(impulse，Transient)电压波动和闪变电压波动和闪变(voltage fluctuation and flicker)电压切痕电压切痕(voltage notches)谐波谐波/谐间波谐间波(harmonics/interharmonics)电能质量问题的起因电能质量问题的起因95的电能质量问题由用户侧引起（相对于计量点）。的电能质量问题由用户侧引起（相对于计量点）。80的经济损失是由的经济损失是
16、由5的系统侧（相对于计量点）电的系统侧（相对于计量点）电能质量问题引起的。能质量问题引起的。电力系统引起的电能质量问题绝大多数是电压暂降。电力系统引起的电能质量问题绝大多数是电压暂降。95%5%20%80%电能质量问题起因出现频率电能质量问题起因出现频率用户负荷用户负荷气候因素（强日照、狂风、暴雨等）气候因素（强日照、狂风、暴雨等）配电系统配电系统输电系统输电系统发电系统发电系统电能质量国家标准电能质量国家标准GB/T15945-2008电能质量电能质量 电力系统频率偏差电力系统频率偏差（GB/T 15945-1995）GB/T12325-2008电能质量电能质量 供电电压允许偏差供电电压允许
17、偏差(GB/T12325-2003)GB/T15543-2008 三相电压不平衡三相电压不平衡（GB15543-1995）GB/T 145491993，电能质量，电能质量 公用电网谐波公用电网谐波GB/Z 17625.42000，中、高压电力系统中畸变负荷发射，中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估限值的评估GB/T12326-2008 电能质量电能质量 电压波动和闪变电压波动和闪变（GB12326-2000）GB/T18481-2001，电能质量，电能质量 暂时过电压和瞬态过电压暂时过电压和瞬态过电压3 电气化铁路电能质量实例电气化铁路电能质量实例3 电气化铁路电能质量实例电气化铁路电能质
18、量实例直接接入高压系统直接接入高压系统一般电气化铁道牵引供电系统接入一般电气化铁道牵引供电系统接入110kV电网电网新建客运专线均拟直接接入新建客运专线均拟直接接入220kV电网电网不对称性不对称性牵引供电系统运行方式由牵引变压器接线方式决定牵引供电系统运行方式由牵引变压器接线方式决定除纯单相接线外，都是两相（异相）供电除纯单相接线外，都是两相（异相）供电非线性非线性交直型电力机车功率因数低、谐波含量大交直型电力机车功率因数低、谐波含量大可能有交可能有交-直直-交机车与交交机车与交-直机车混用局面，负序、无直机车混用局面，负序、无功和谐波仍然存在功和谐波仍然存在波动性波动性线路条件线路条件司机
19、操作司机操作3.1 电力系统频率偏差电力系统频率偏差影响系统频率的主要因素是有功功率影响系统频率的主要因素是有功功率仅当所有发电机的仅当所有发电机的总有功出力与总有功负荷总有功出力与总有功负荷（包括电网的所有损耗）相等（包括电网的所有损耗）相等时，系统频率才时，系统频率才能保持能保持不变不变。当所有发电机的当所有发电机的总有功出力与总负荷不平衡时总有功出力与总负荷不平衡时，各发电机组的转速及相应的频率就要发生各发电机组的转速及相应的频率就要发生变化变化。大型冲击负荷因短时从近区发电机大量吸收有大型冲击负荷因短时从近区发电机大量吸收有功功率，会造成局部电网短时频率波动功功率，会造成局部电网短时频
20、率波动。GB/T15945电力系统频率偏差电力系统频率偏差基本条款基本条款电力系统额定频率为电力系统额定频率为50Hz。电力系统正常频率偏差允许值为电力系统正常频率偏差允许值为0.2Hz。当系统容量。当系统容量较小时，频率偏差值可以放宽到较小时，频率偏差值可以放宽到0.5Hz。制定依据制定依据保证电力系统，发电厂和用户的安全和正常运行保证电力系统，发电厂和用户的安全和正常运行相关国标和规范的规定相关国标和规范的规定相关国际标准规定（相关国际标准规定（0.5Hz 甚至甚至0.1Hz）各个电网的实际情况有所差别各个电网的实际情况有所差别GB/T15945电力系统频率偏差电力系统频率偏差附加条款附加
21、条款用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过过0.2Hz。测量仪表测量仪表频率测量仪表绝对误差不大于频率测量仪表绝对误差不大于0.01Hz 电网频率实测案例：电网频率实测案例：图为成(都)-达(州)铁路大英牵引变电所110kV电网频率实测结果，其偏差远小于0.2Hz，表明主网有功功率比较充足。电气化铁路牵引供电频率基本能够电气化铁路牵引供电频率基本能够达到国标规定。达到国标规定。但在弱小电网，负荷较小的变动都可能导致电网频率较大波动,下图是青藏线安多35kV配电所的频率测试情况。当雄安多297km铁路专用输电线路退出时,那曲安多各个35kV铁路配电所由
22、查龙水电站（装机容量8000 kW）供电。从安多35kV配电所频率测试结果可以看出，在这一过程中，电网频率出现12分钟的较大波动。3.2 供电电压允许偏差供电电压允许偏差GB/T12325-2008供电电压偏差供电电压偏差基本条款基本条款35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的和不超过标称电压的10%。如供电电压上下偏。如供电电压上下偏差同号时，按较大的偏差绝对值为衡量依据。差同号时，按较大的偏差绝对值为衡量依据。20kV及以下三相供电电压允许偏差为标称电及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的压的7。220V单相用户的供电电压允许偏差为标称
23、电单相用户的供电电压允许偏差为标称电压的压的+7%、-10%。计算电压偏差计算电压偏差式中，式中，Sk为负荷端口的系统三相短路容量，为负荷端口的系统三相短路容量，MVA；ST为负荷三相变压器容量，为负荷三相变压器容量，kVA；负荷功率因数角负荷功率因数角。(%)10sin100kTNSSUUU=上式表明，可以通过以下两条途径，上式表明，可以通过以下两条途径，来保证供电电压偏差满足国家标准要求：来保证供电电压偏差满足国家标准要求：（1）电网中传输的）电网中传输的无功功率尽可能小无功功率尽可能小；（2）负荷端口的系统）负荷端口的系统三相短路容量尽可三相短路容量尽可能地大能地大。由此可见，维持良好的
24、供电电压水平，由此可见，维持良好的供电电压水平，取决于取决于供电部门和电力用户双方供电部门和电力用户双方的共同努的共同努力。力。我国边远地区电气化铁路目前面临的问题我国边远地区电气化铁路目前面临的问题是电网短路容量偏小，供电能力较弱。是电网短路容量偏小，供电能力较弱。电网短路容量偏小意味着系统发电容量偏电网短路容量偏小意味着系统发电容量偏小或电源距负荷中心偏远。小或电源距负荷中心偏远。国外专家通常认为，电网公共连接点短路国外专家通常认为，电网公共连接点短路容量不足用户容量的容量不足用户容量的3030倍时，可以视其为小倍时，可以视其为小电网，小电网常见的电能质量问题之一就是电网，小电网常见的电能
25、质量问题之一就是供电电压偏差较大。供电电压偏差较大。在弱小电网中，牵引负荷可能引起电网电在弱小电网中，牵引负荷可能引起电网电压较大的偏差和波动。压较大的偏差和波动。图为内昆铁路盐津牵图为内昆铁路盐津牵引变电所的测试情况，引变电所的测试情况，上图为上图为110kV母线母线A相电相电压，下图为压，下图为A相电流。相电流。向该所供电的云南昭通向该所供电的云南昭通电网较为薄弱，造成空电网较为薄弱，造成空载时变电所载时变电所110kV母线电母线电压偏高，负荷时偏低。压偏高，负荷时偏低。对于更弱小的电网，情况更是如此，运行中，系统较对于更弱小的电网，情况更是如此，运行中，系统较小的变动都可能导致网压较大波
26、动，下图是青藏线安小的变动都可能导致网压较大波动，下图是青藏线安多多35kV配电所的电压测试情况。配电所的电压测试情况。在当雄安多铁路专用输电线路退出时，在当雄安多铁路专用输电线路退出时，35kV铁路配铁路配电所均由查龙水电站（装机容量电所均由查龙水电站（装机容量8000 kW）供电，此）供电，此时电网电压出现较大波动。时电网电压出现较大波动。改善电压水平的措施改善电压水平的措施为保证电网具有良好的电压水平，电网为保证电网具有良好的电压水平，电网公司除进行全局无功优化调整外，还要公司除进行全局无功优化调整外，还要求大宗电力用户对无功做到“求大宗电力用户对无功做到“就地补就地补偿偿”，使用户月平
27、均功率因数达到”，使用户月平均功率因数达到0.90以上，并对用户实行奖惩制度。以上，并对用户实行奖惩制度。提高牵引变电所功率因数的主要方法是提高牵引变电所功率因数的主要方法是在在27.5kV侧侧设置并联电容补偿装置设置并联电容补偿装置。目。目前我国铁道电气化铁路较多采用固定补前我国铁道电气化铁路较多采用固定补偿方式。偿方式。GB/T15543-2008三相电压不平衡三相电压不平衡由电压不平衡度换算为负序电流值，标准中推荐由电压不平衡度换算为负序电流值，标准中推荐的近似公式的近似公式式中：式中：I2负荷电流的负序分量负荷电流的负序分量/A；U线电压线电压/kV；SSC公共连接点的短路容量公共连接
28、点的短路容量/MVA。(%)103SC2SUIu=3.3 三相电压不平衡三相电压不平衡3.3 三相电压不平衡三相电压不平衡GB/T15543-2008 三相电压不平衡三相电压不平衡主要由不平衡负荷引起，因此标准的衡量点选在电网主要由不平衡负荷引起，因此标准的衡量点选在电网的的公共连接点（公共连接点（PCC），），以便在保证其他用户正常用以便在保证其他用户正常用电的基础上，给干扰源用户以最大的限值。电的基础上，给干扰源用户以最大的限值。主要条款主要条款电力系统公共连接点正常电压不平衡度限值为电力系统公共连接点正常电压不平衡度限值为2%，短短时不得超过时不得超过4%。低压系统零序电压限值暂不作规定
29、，但是各相电压必低压系统零序电压限值暂不作规定，但是各相电压必须满足须满足GB/T12325的要求的要求。标准规定对标准规定对每个用户每个用户电压不平衡的一般限值为电压不平衡的一般限值为1.3%，短时不超过短时不超过2.6%。根据公共连接点的负荷状况以及临。根据公共连接点的负荷状况以及临近发电机、继电保护和自动装置安全运行要求，该允近发电机、继电保护和自动装置安全运行要求，该允许值可作适当变动，但是必须满足上述规定。许值可作适当变动，但是必须满足上述规定。电气化铁道测量实例电气化铁道测量实例某牵引变电所三相相电压曲线某牵引变电所三相相电压曲线电气化铁道测量实例电气化铁道测量实例某牵引变电所电压
30、不平衡度曲线某牵引变电所电压不平衡度曲线该牵引变电所三相电压不平衡度该牵引变电所三相电压不平衡度95%概率大值为概率大值为1.72%，没有超过国标规定的，没有超过国标规定的2%的限值。的限值。测试实例：测试实例：测试期间，洛阳东牵引变电所110kV电压不平衡度最大值为 2.33%，95%概率值为1.30%，符合国标要求,说明河南电网比较强大。泸沽牵引变电所泸沽牵引变电所110kV母线母线最小短路容量为最小短路容量为600MVA左右左右。尽管该所负荷远远小于洛阳东牵。尽管该所负荷远远小于洛阳东牵引变电所，但从测试结果看，引变电所，但从测试结果看，该所该所110kV母线母线三三相电压不平衡度远远高
31、于洛东变电所相电压不平衡度远远高于洛东变电所。另一案例，成昆铁路另一案例，成昆铁路泸沽牵引变电所，装接泸沽牵引变电所，装接容量为容量为2 20MVA。西昌。西昌电网为小电网，西昌电网为小电网，西昌220kV变电所供电设备容变电所供电设备容量量180MVA；110kV公共公共连接点最小短路容量为连接点最小短路容量为613MVA。3.4 公用电网谐波公用电网谐波国际标准国际标准IEC61000-3-6G5/4（G5/3）IEEE STD519-1992（IEEE STD519-1982）国家标准国家标准GB/T14549-1993GB/Z17625.4-2000GB/T14549-1993 公用电
32、网谐波公用电网谐波限限值值电网标称电压/kV电压总谐波畸变率/%各次谐波电压含有率/%奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.510353.02.41.2661102.01.60.8IEC61000-3-6 提出了决定大型畸变负荷（产生谐波和提出了决定大型畸变负荷（产生谐波和/或谐间波）或谐间波）接入公用电力系统所依据的一些接入公用电力系统所依据的一些基本原则基本原则目的目的在于为工程实践提供指导在于为工程实践提供指导保证对所有接入系统的用户都有保证对所有接入系统的用户都有合适的供电质量合适的供电质量兼容水平兼容水平是用来协调供电网络设备或由供电网络是用来协调供电网络设备或由供电网
33、络供电的设备发射和抗扰度的参考值，以保证整个供电的设备发射和抗扰度的参考值，以保证整个系统（包括网络及所连设备）的电磁兼容性。系统（包括网络及所连设备）的电磁兼容性。规划水平规划水平是在规划时评估所有用户负荷对供电系是在规划时评估所有用户负荷对供电系统的影响所用水平。统的影响所用水平。发射水平发射水平是针对用户的。是针对用户的。表表5-5 中压（中压（MV）、高压（）、高压（HV）和超）和超高压（高压（EHV）系统中谐波电压规划水平）系统中谐波电压规划水平奇次谐波（非3倍数）奇次谐波（3倍数）偶次谐波谐波次数谐波电压/谐波次数谐波电压/谐波次数谐波电压/MVHV-EHVMVHV-EHVMVHV
34、-EHV55234221.61.574291.214111131.5150.30.360.50.5132.51.5210.20.280.40.4171.61210.20.2100.40.4191.21-120.20.2231.20.7-120.20.2251.20.7-250.20.5(25/h)0.20.5(25/h)-THDU=3%规划水平分配方法由于用户协议容量通常是与其承担的电力系统投资份由于用户协议容量通常是与其承担的电力系统投资份额相一致额相一致，所以根据用户协议容量所以根据用户协议容量Si和用户接入系统和用户接入系统的公共连接点处修正的网络总可用功率的公共连接点处修正的网络总可用
35、功率St之比分配发之比分配发送限值是合理的送限值是合理的。用户发送谐波电压的允许值为用户发送谐波电压的允许值为：（3 3）考虑高压系统负荷之间的同时系数考虑高压系统负荷之间的同时系数F FHVHV的影响的影响，用户发用户发送谐波电压的允许值为：送谐波电压的允许值为：（4 4）HVtHVU1FSSLEihhi=tHVUSSLEihhi=同时系数对谐波发送允许值的影响图图1 叠加指数叠加指数2.0 牵引负荷同时系数表表1 实测牵引负荷同时系数实测牵引负荷同时系数公共连接点上牵引变电所个数同时系数FHVA相B相C相平均20.380.330.370.3630.410.420.430.4240.470.
36、460.470.4750.480.490.460.48牵引负荷同时系数高压电力系统谐波电压规划水平的指标值（用标称电压的百分数表高压电力系统谐波电压规划水平的指标值（用标称电压的百分数表示）示）非3倍次数的奇次谐波3倍次数的奇次谐波偶次谐波谐波次数/h谐波电压/%谐波次数/h谐波电压/%谐波次数/h谐波电压/%523221.5729141111.5150.360.5131.5210.280.4171100.4191120.2230.7250.7注：总谐波畸变率（THD）为3%。牵引负荷同时系数考虑考虑牵引负荷同时系数在牵引负荷同时系数在0.30.5范围内变化范围内变化，取牵引变电所个数为，取牵
37、引变电所个数为5。表3 同时系数对用户谐波发送限值的影响非非3倍次数的奇次谐波倍次数的奇次谐波3倍次数的奇次谐波倍次数的奇次谐波偶次谐波偶次谐波谐波谐波次数次数谐波电压畸变率谐波电压畸变率/%谐波谐波次数次数谐波电压畸变率谐波电压畸变率/%谐波谐波次数次数谐波电压畸变率谐波电压畸变率/%FHV=0.3 FHV=0.5 FHV=1.0 FHV=0.3 FHV=0.5 FHV=1.0 FHV=0.3 FHV=0.5 FHV=1.0 51.631.260.8931.631.260.8921.220.950.6771.631.260.8990.820.630.4540.820.630.45111.22
38、0.950.67150.240.190.1360.410.320.22131.220.950.67210.160.130.0980.330.250.18170.820.630.45100.330.250.18190.820.630.45120.160.130.09230.570.440.31250.570.440.31牵引负荷同时系数从结果看出，同时系数为从结果看出，同时系数为0.3和和0.5时的用户总时的用户总谐波畸变限值分别为谐波畸变限值分别为2.4%和和1.9%，比同时系，比同时系数为数为1.0时的用户总谐波畸变限值（时的用户总谐波畸变限值（1.3%）分）分别大别大84.6%和和46.2
39、%。这说明同时系数对用户。这说明同时系数对用户谐波发送限值的影响非常明显。谐波发送限值的影响非常明显。根据有限实测数据可知，牵引负荷同时系数一根据有限实测数据可知，牵引负荷同时系数一般在般在0.30.30.50.5，因此在分配用户谐波发送限值因此在分配用户谐波发送限值时考虑用户之间的同时系数是十分必要的。牵时考虑用户之间的同时系数是十分必要的。牵引负荷的特点之一就是随机波动性，制定牵引引负荷的特点之一就是随机波动性，制定牵引负荷谐波标准时应充分考虑牵引负荷之间的同负荷谐波标准时应充分考虑牵引负荷之间的同时系数，使牵引负荷的谐波标准更加合理。时系数，使牵引负荷的谐波标准更加合理。三级评估流程图三
40、级评估流程图电气化铁道实例电气化铁道实例系统西昌变220kV110kV中屯变110kV德昌牵引站黄联关牵引站安宁开关站泸沽牵引站泸沽变马道变35kV35kV磨房沟电站西昌北牵引站至越西变电站至越西变电站表表5-6 牵引变电所主变容量牵引变电所主变容量牵引变电所西昌北泸沽黄联关德昌容量/MVA216220210216表表5-7 西昌电网牵引变电所谐波总电压畸变率西昌电网牵引变电所谐波总电压畸变率/%牵引变电所西昌北泸沽黄联关德昌总电压畸变率2.212.432.192.96表表5-8 各牵引变电所分配到的谐波电压发送限值各牵引变电所分配到的谐波电压发送限值/%牵引变电所西昌北泸沽黄联关德昌谐波电压
41、发送限值（FHV=0.5）1.792.001.411.79谐波电压发送限值（FHV=1.0）1.271.411.001.27牵引变电所西昌北泸沽黄联关德昌谐波发射水平超标倍数1.271.261.591.65表表5-9 各牵引变电所谐波发射水平超标情况各牵引变电所谐波发射水平超标情况将从公共连接点处总可用容量中除去牵引负荷容量后剩余将从公共连接点处总可用容量中除去牵引负荷容量后剩余的部分定义为的部分定义为容量裕度容量裕度。表表5-10 利用系统利用系统容量裕度容量裕度50%时牵引变电所谐波发送限值时牵引变电所谐波发送限值/%牵引变电所西昌北泸沽黄联关德昌谐波电压发送限值（FHV=0.5）1.98
42、2.211.561.98谐波电压发送限值（FHV=1.0）1.401.571.111.40平果变平果变A A相电压总谐波畸变率相电压总谐波畸变率田东变田东变A A相电压总谐波畸变率相电压总谐波畸变率典型案例典型案例：南昆电气化铁道广西境内由：南昆电气化铁道广西境内由南宁电网南宁电网和和百色电网百色电网供电，南宁电网主要由广西主网供电，百色地区电网则由广供电，南宁电网主要由广西主网供电，百色地区电网则由广西电网一部分以及地方小水电、小火电厂联合供电。西电网一部分以及地方小水电、小火电厂联合供电。平果和田东变电所相邻平果和田东变电所相邻，地理情况和铁路运量相当地理情况和铁路运量相当。由于由于百色电
43、网容量较小百色电网容量较小，所以田东变电所谐波电压情况较平果变所以田东变电所谐波电压情况较平果变电所严重得多电所严重得多。洛阳东牵引变电所谐波测试实例：洛阳东牵引变电所谐波测试实例：河南电网较强大。该时段内，最大电压综合畸变率为2.62%；95%概率大值为 1.89%，符合谐波国标要求。左图为丰台供电段雁翅左图为丰台供电段雁翅牵引变电所电压总谐波牵引变电所电压总谐波畸变率测试数据，其谐畸变率测试数据，其谐波状况与江油变相当。波状况与江油变相当。右图为绵阳供电段江油右图为绵阳供电段江油牵引变电所电压畸变率牵引变电所电压畸变率测试数据，测试数据，95%95%概率值概率值为为2.17%2.17%，表
44、明表明谐波电谐波电压部分超标。压部分超标。交直机车与交直交机车谐波特性分析交直机车与交直交机车谐波特性分析交直型电力机车谐波特性交直型电力机车谐波特性单相独立性单相独立性随机波动性随机波动性相位广泛分布相位广泛分布稳态奇次性稳态奇次性高压渗透性高压渗透性交直交动车组谐波特性（交直交动车组谐波特性（CRH2）图图5-39 CRH2动车组网侧谐波含有率动车组网侧谐波含有率00.511.522.52102030405060CRH2动车组网侧电流谐波含有率分布图 横轴：(各次谐波电流（In）/基波电流(I1)（%）、纵轴：谐波次数（n）（动车组取用功率1000kw牵引及再生制动工况，522采样点统计平
45、均值）（n）(In/I1)%CRH2网压网流典型波形网压网流典型波形UIUI3.5 电压波动和闪变电压波动和闪变国家标准国家标准GB12326-90电能质量电能质量 电压允许波动和闪电压允许波动和闪变变参考了日本的参考了日本的V10标准标准GB/T12326-2008 电能质量电能质量 电压允许波动电压允许波动和闪变和闪变参考了参考了国际电工委员会（国际电工委员会（IEC）电磁兼容（电磁兼容（EMC）标准标准IEC61000-3-7表表3-14 电压波动限值电压波动限值r,h-1d，%LV、MVHVr1431 r1032.510 r10021.5100110kV10.8图图3-42 IEC闪变
46、仪模型的简化框图闪变仪模型的简化框图输入适配自检信号框1平方解调器框2带通加权滤波框3平方一阶低通滤波框4在线统计评价框5输入S(t)输出3.5 电气化铁道测量实例电气化铁道测量实例图图5-43 采用采用Simulink实现的实现的IEC闪变仪模型闪变仪模型2增益1-K-增益untitled.mat实测数据10.3s+1平滑滤波器1num(s)den(s)平滑滤波器u2平方2u2平方1u2平方100.5sden(s)加权滤波器ss+0.314高通滤波器-C-电压幅值1den(s)低通滤波器1u倒数-K-传感器系数1-K-传感器系数fing_a10.mat保存到文件 测试案例：测试案例：成达铁路
47、金堂变电所110kV母线，测试期间处于空载状态，没有超标。4 电气化铁路外部电源电气化铁路外部电源主要内容主要内容4.14.1牵引供电系统原边的供电方式牵引供电系统原边的供电方式4.24.2外部供电电源电压选择外部供电电源电压选择4.34.3外部供电电源容量与可靠性外部供电电源容量与可靠性4.44.4国外高速铁路外部供电电源情况国外高速铁路外部供电电源情况4.1 4.1 外部电源的供电方式外部电源的供电方式 TBJ9-85 铁路电力牵引供电设计规范铁路电力牵引供电设计规范规定规定“电力牵引为一级负荷”。“电力牵引为一级负荷”。可靠性要求可靠性要求两路电源供电；当任一路故障时，另一路应能正两路电
48、源供电；当任一路故障时，另一路应能正常供电。常供电。原则：原则：供电可靠性、电源容量及经济性供电可靠性、电源容量及经济性环形供电环形供电单侧供电单侧供电双侧供电双侧供电放射供电放射供电有更高一级电网时有更高一级电网时，低一级电网不再结环运行低一级电网不再结环运行。目前目前220220kVkV及更高电压系统逐步形成及更高电压系统逐步形成，采用采用110110kVkV系系统给铁路牵引供电时统给铁路牵引供电时，就较少采用环形方式就较少采用环形方式，双侧双侧供电等方式供电等方式。实际电力系统的电源与牵引变电所的实际电力系统的电源与牵引变电所的布局是各式各样的布局是各式各样的。4.14.1外部电源的供电
49、方式外部电源的供电方式环形供电环形供电牵引变电所在高压侧与一次系统联成环形网。牵引变电所在高压侧与一次系统联成环形网。优点：优点：供电可靠性好，能适应负荷的剧烈变化供电可靠性好，能适应负荷的剧烈变化要求：要求：铁路附近有两个以上发电厂或地区变电铁路附近有两个以上发电厂或地区变电所且其间有电力网互联。（受系统结构限制）所且其间有电力网互联。（受系统结构限制）地区变电所地区变电所或发电厂或发电厂地区变电所地区变电所或发电厂或发电厂牵引变电所牵引变电所牵引变电所牵引变电所双侧供电（两边供电）双侧供电（两边供电）电源来自电力系统的两个地区变电所，给铁路电源来自电力系统的两个地区变电所，给铁路供电的输电
50、线是联络这两个地区变电所的通路。供电的输电线是联络这两个地区变电所的通路。优点：优点：同环形供电同环形供电要求：要求：牵引变电所两侧都有电源牵引变电所两侧都有电源应用广应用广泛泛双路输电线双路输电线牵引变电所牵引变电所牵引变电所牵引变电所单侧供电（一边供电）单侧供电（一边供电）单侧供电是由一个地区变电所给数个牵引变电单侧供电是由一个地区变电所给数个牵引变电所供电，为保证供电可靠性，应采用所供电，为保证供电可靠性，应采用双路（或双双路（或双回）输电线回）输电线。单侧供电方式的可靠性一般比双侧供电方式和单侧供电方式的可靠性一般比双侧供电方式和环形供电方式要差，而投资不会比环形供电方式环形供电方式要