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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： 电气工程系专业： 电气化铁道班级： 学生姓名： 指导教师： 完成日期： 24 / 2724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
2、5项电能质量指标。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12电能质量32.1电能质量的定义32.2电能质量的衡量指标42.3电气化铁道供电系统的特性62.4电气化铁路电能质量的研究现状和研究意义73 电气化铁道牵引负荷113.1电气化铁道牵引供电系统的负荷特性113.2电气化铁道牵引负荷对电能质量的影响因素124 改
3、善电能质量的方法与措施144.1改善电能质量的意义144.2电能质量的影响因素及提高方法与措施154.3 SVC 静止型动态无功补偿装置174.3.1 SVC 的发展174.3.2 SVC 的工作原理及在电网中应用174.3.3 谐波抑止与无功补偿184.3.4 负序电流补偿18总结20致谢22参考文献231 绪论众所周知，伴随着时代的发展人类的进步，人类对于电器的使用已经进入了一个新纪元，可以说人类的生产、生活、社会的发展，都离不开电的使用。电力的应用已经渗透于人类的方方面面，但从人们的衣食住行就可以看出人们对于电器的使用以及对于电力的依赖，电力的应用促进了人类的生活模式，改善了人们的生活方
4、式。社会的发展日趋优越，而人类的生活也由手工劳作变为机械工程，人类进入了一个高度信息化、机械化的时代。为顺应时代的发展，提高人们生活质量，同时伴随人们生活节奏的加快，人们对于电力不仅仅是简单的使用，更要求对电能质量的提高，改善，以适应当代社会对电能的利用。目前,我国铁路电气化率已经达到45%,电气化铁路的快速发展对推动社会进步和经济发展做出了重要作用。根据铁道部中长期发展规划,到2020年,中国铁路总里程将达到12万公里,其中电气化铁路里程将达到60%以上。电气化铁路是否发达已成为衡量一个国家现代化与否的重要标志。近几年来,电气化铁路在世界范围内得到了迅速的发展。但与此同时,电力机车需要的功率
5、越来越大,对电网的冲击性也越来越严重。电力机车产生大量的谐波和负序电流注入牵引供电系统,导致的牵引供电系统的电能质量下降。这一问题已引起世界各国的重视,各国针对本国电气化铁路的实际情况,并采取了多种治理措施。铁路作为国民经济的重要基础设施，在我国综合交通运输体系中扮演重要角色。在加快建设节约型社会中，铁路肩负着重要责任。一方面作为消耗能源的重点行业，在节能降耗、提高能源综合应用效率方面大有潜力可挖;另一方面电气化铁路长期存在着功率因数低、谐波含量。这也充分证实了电能质量对于我国铁路事业所具备的特殊意义。如何去改善、提高电能质量成为了我们电气化铁路的重中之重，理解电能质量对于电气化铁路牵引负荷所
6、具有的意义。同时我国电气化铁路总里程已突破4.8万公里，跃升为世界第一位。其中，我国高速铁路已达8600余公里，稳居世界首位。通过我们对于电气化铁路电能质量，电气化铁路牵引负荷的学习与理解，了解如何去改善，提高电能质量。以备我们投身于祖国铁路建设事业之中，为祖国铁路事业贡献自己的力量。2电能质量2.1电能质量的定义由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度
7、，以保证用户获得安全、经济、优质的电能。电能质量即电力系统中电能的质量。理想的电能应该是完美对称的正弦波。一些因素会使波形偏离对称正弦，由此便产生了电能质量问题。一方面我们研究存在哪些影响因素会导致电能质量问题，一方面我们研究这些因素会导致哪些方面的问题，最后，我们要研究如何消除这些因素，从而最大程度上使电能接近正弦波。电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且互差120。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，负荷性质多变，加之调控手段不
8、完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想的状态并不存在，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。围绕电能质量含义，从不同角度理解通常包括1）电压质量：是以实际电压与理想电压的偏差，反映供电企业向用户供应的电能是否合格的概念。这个定义能包括大多数电能质量问题，但不能包括频率造成的电能质量问题，也不包括用电设备对电网电能质量的影响和污染。2)电流质量：反映了与电压质量有密切关系的电流的变化，是电力用户除对交流电源有恒定频率、正弦波形的要求外，还要求电流波形与供电电压同相位以保证高功率因素运行。这个定义有助于电网电能质量的改善和降低线损，但不能概括大
9、多数因电压原因造成的电能质量问题。3)供电质量：其技术含义是指电压质量和供电可靠性，非技术含义是指服务质量。包括供电企业对用户投诉的反映速度以及电价组成的合理性、透明度等。4）用电质量：包括电流质量与反映供用电双方相互作用和影响中的用电方的权利、责任和义务，也包括电力用户是否按期、如数交纳电费等。2.2电能质量的衡量指标电能质量的主要指标有：电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、公用电网谐波和公用电网间谐波等。(1)电压偏差是物理学上的专有名词，指的是实际电压与额定电压之差对系统标称电压的百分数。35KV及以上供电电压的正负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%，10KV及以下三
10、相供电电压允许偏差为标称电压的7%，220V单相供电电压允许偏差为标称电压的7%、10%；系统无功功率不平衡是引起系统电压偏离标称值的根本原因。频率偏差是指电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差。频率偏差表达式为：频率偏差=实际频率标称频率（我国系统标称频率为50HZ，国外有60HZ的）；我国电力系统的正常频率偏差允许值为0.2HZ，当系统容量较小时，频率偏差值可以放宽到0.5HZ；系统有功功率不平衡是产生频率偏差的根本原因。指三相电力系统中三相不平衡的程度，用电压或电流负序分量与正序分量的方均根值百分比表示。（3）电压波动和闪变 电压波动和闪变的危害表现在:1）照明灯光闪烁，
11、引起人的视觉不适和疲劳，影响工效;2）电视机画面亮度变化，垂直和水平幅度摇动;3）电动机转速不均匀，影响产品质量;4）使电子仪器、电子计算机、自动控制设备等工作不正常;5）影响对电压波动较敏感的工艺或试验结果。电压波动值为电压调幅波中相邻两个极值电压Um.:和U、。均方根之差U，常以其额定电压UN的百分数表示其相对百分值(3)中国国家标准GB12326一90(电能质量电压允许波动和闪变规定在公共供电点的电压波动允许值，如表1所示。研究证明，人眼对频率约为10H:的衰1电压波动允许值电压波动最为敏感，为此一般采用等效10H:。作为衡量闪变的指标。此外，“闪变”是照明亮度变化对人的刺激，这种刺激的
12、不适感宜用一段时间的平均值来衡量，因此，式中V月为电压调幅波中频率为f的正弦波分量一分钟均方根平均值，以额定电压的百分数表示。通常采取的技术措施有:1）改进运行操作和工艺。如电动机降压起动等技术措施，电弧炉电极升降的自动调节和将炉料中大的废钢铁块加以破碎等。2）提高供电能力。架设专线将大容量冲击性负荷用户接至较高电压等级的供电系统。3）安装补偿器。采用快速响应的静止无功补偿器或静止无功发生器对负荷波动进行实时动态补偿，是最常用的技术措施。4）电压波动和闪变一系列电压随机变动或工颇电压包络线的周期性变化，以及由此引起的照明闪变。它是电能质量的一个重要技术指标。在电力系统中具有冲击性功率的负荷(如
13、轧机、电弧炉)时，电力网中的电压降将发生相应变化，导致电压波动。冲击性负荷可分为周期性冲击负荷和非周期性冲击负荷两类。其中周期性或近似周期性的冲击性负荷的影响更为严重。电压波动使电能用户不能正常工作，在人民生活中最受影响的是白炽灯的闪变。频率在512Hz范围内的电压波动值，即使只有额定电压的1%，其引起的白炽灯照明的闪变，已足以使人感到不舒适，所以选白炽灯的工况作为判断电压波动值，把电压变动而引起人对灯闪的主观感觉叫“闪变”。广义的闪变包括电压波动的全部有害作用，但不能以电压波动来代替闪变，因为闪变是人对照度波动的主观视感。闪变的主要决定因素: 供电电压波动的幅值、频度和波形， 照明装!，以对
14、白炽灯的照度波动形响最大，而且与白炽灯的功率和额定电压等有关;指三相电力系统中三相不平衡的程度，用电压或电流负序分量与正序分量的方均根值百分比表示。谐波（分量）：对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1整数倍的分量成为谐波（分量）。基波（分量）：对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到的频率与工频相同的分量称为基波（分量）2.3电气化铁道供电系统的特性电气化铁道供电系统我国电气化铁路(接触网)采用单相工频交流制，额定电压为25kV。牵引变电所3、馈电线4、接触网5、钢轨6和钢轨回流线7等组成。电力部门管辖的电力系统与铁路部门管辖的牵引供电系统是在牵引变电所高压进线的门形架处分界
15、。现将牵引供电系统各部分的功用简述如下：（1）牵引变电所牵引变电所的作用是将110kV(或220kV)三相交流高压电变换为27.5(或55)KV，然后以27.5(或55)KV的电压等级向牵引网供电。（2）接触网接触网是一种悬挂在电气化铁道线路上方，并和铁路轨顶保持一定距离的链形或单导线的输电网。电力机车的受电弓和接触网滑动接触取得电能。接触网的额定电压为25kV。 （3）馈电线馈电线是连接牵引变电所和接触网的导线，把牵引变电所变换后的电能送到接触网。（4）轨道在非电牵引情形下，轨道只作为列车的导轨。在电气化铁道，轨道除仍具上述功用外，还需要完成导通回流的任务，是电路的组成部分。因此，电气化铁道
16、的轨道应具有畅通导电的性能。（5）回流线连接轨道和牵引变电所中主变压器接地相之间的导线称为回流线，它也是电路的组成部分，其作用是将把轨道、地中的回路电流导入牵引变电所，牵引供电回路是：牵引变电所馈电线接触网电力机车钢轨和大地回流线牵引变电所。习惯上，把馈电线、接触网、钢轨、回流线叫做牵引网。（6）分区所在电气化铁道上，为了提高运行的可靠性，增加供电工作的灵活性，在相邻两变电所供电的相邻两供电分区的分界处常用分相绝缘器断开。若在断开处设置开关设备和相应的配电装置，则组成分区所。电力牵引供电系统的主要特点我国电力牵引供电系统的主要特点有以下几方面：电力机车是单相移动性随机负荷，是一种负序源。非线性
17、整流器机车，成为一种谐波源，并从电力系统和牵引供电系统获取无功。供电方式及设备种类多样化，有直接供电方式、带回流线的直接供电方式、串联吸流变压器、BT供电方式、自耦变压器AT供电方式，这些供电方式的技术和经济特性有较大的差异。对牵引变压器，有单相、YN，d11接线、斯科特接线、伍德桥接线、阻抗匹配平衡型、三相不等容量型等形式，它们具有不同的结构和性能特点。由于供电方式不同，接触网结构类型也较多。牵引供电系统和电力机车在电气上是个连续的整体，易于实现自动化和信息化管理。牵引供电系统中存在的主要技术问题，包括牵引变压器供电能力的提高及增容、牵引网电压的调节、电力系统要求对谐波、负序、无功的治理等。
18、为解决这些技术问题，在设计和运行中需要对牵引供电系统进行深入研究，例如：对各种供电方式的结构、参数、性能的分析计算和优化；对变压器过负荷能力及对负荷平衡能力的研究；对谐波、负序、无功、电压损失、防干扰能力等进行系统地分析和综合治理研究等等。 对电气化铁道供电系统基本要求1）保证向电气化铁路安全、可靠、不间断地供电；2）提高供电质量，保证必需的电压水平；3）提高功率因数，减少电能损失，降低工程投资和运营费用；4）尽量减少单相牵引负荷在电力系统中引起的负序电流、负序电压和高次谐波的影响；5）尽量减小对邻近的通信线路的干扰影响。我国电气化铁道已运营了几十年，在实践中积累了大量的经验，但与铁路电气化发
19、达国家相比，在技术及装备上仍有较大的差距。特别是在面临高速、重载和扩能要求下，电气化铁道供电系统中更有许多技术难题需要解决。2.4电气化铁路电能质量的研究现状和研究意义目前,我国铁路电气化率已经达到45%,电气化铁路的快速发展对推动社会进步和经济发展做出了重要作用。根据铁道部中长期发展规划,到2020年,中国铁路总里程将达到12万公里,其中电气化铁路里程将达到60%以上。电气化铁路是否发达已成为衡量一个国家现代化与否的重要标志。近几年来,电气化铁路在世界范围内得到了迅速的发展。但与此同时,电力机车需要的功率越来越大,对电网的冲击性也越来越严重。电力机车产生大量的谐波和负序电流注入牵引供电系统,
20、导致的牵引供电系统的电能质量下降。这一问题已引起世界各国的重视,各国针对本国电气化铁路的实际情况,并采取了多种治理措施。铁路作为国民经济的重要基础设施，在我国综合交通运输体系中扮演重要角色。在加快建设节约型社会中，铁路肩负着重要责任。一方面作为消耗能源的重点行业，在节能降耗、提高能源综合应用效率方面大有潜力可挖;另一方面电气化铁路长期存在着功率因数低、谐波含量。SVC装置投入运行后,牵引变电所的电能质量得到了较大改善,有效抑制了无功倒送问题,并且TCR型SVC装置响应速度快,能够满足电力机车时变的运行状态所需无功,平均功率因数不低于0.98。由仿真研究证明采用TCR型SVC装置作为对电气化铁路
21、的治理方案是切实可行的。基于SVC装置动态仿真模型对电能质量改善的有效性,并根据牵引变电所系统的实际参数,仿真计算出SVC装置对牵引变电所电能质量问题的改善效果：SVC装置除了能够有效抑制谐波、降低母线电压总畸变率外,还可以动态补偿无功功率,使得牵引变电所的功率因数大大提高。SVC装置投入后,山海关牵引变电所主要的电能质量指标均满足国标限值要求。本文的研究内容主要包括电气化铁路牵引变电所、电力机车、电能质量治理装置进行建模仿真；对牵引变电所进行电能质量测试评估；最后采用合理的治理装置进行电能质量治理并验证治理效果。这一对电气化铁路的电能质量问题的研究过程科学合理,对于分析并解决电气化铁路的电能
22、质量问题具有较强的理论价值和工程应用价值。在加快建设节约型社会中，铁路肩负着重要责任。铁道运输采用电力机车牵引，比蒸汽机牵引和内燃机牵引有较大的优越性，我国电气化铁道也承担铁路总货物周转量的50以上，这将带来巨大的经济和社会效益，但也对供电系统和邻近的广大电力用户带来较大的谐波干扰和其他不利影响。单相交流工频是全世乔铁路电力牵引广泛应用制式，也是我国干线电气化铁路所采用的制式。我国电气化铁路牵引负荷由于其结构上的不对称，导致返回系统的电流中含有大量负序电流和谐波电流。电气化铁路对电力系统的影响有如下几个方面：（1）对旋转电机的影响1） 汽轮发电机转子是受负序电流影响最敏感的部件，因为汽轮发电机
23、转子的谐波和负序温升比定子大，存在局部的突出高温部位，国内曾发生过向电气化铁道供电的汽轮发电机转子部件嵌装面过热受损的事故。并且当负序电流流过发电机时，产生负序旋转磁场，产生负序同步转矩，使发电机产生附加振动。谐波也会引起电机的振动并发出噪声，长时间的振动会引起金属疲劳机械损坏。2） 对于邻近牵引变电所而远离（指电气距离）电源的异步电动机，其定子绕组为是受负序电流影响最敏感的部件。当负序电流流过时将在电动机中产生一个反向旋转磁场，此反向磁场对电动机转子起制动作用，影响其出力，降低其运行效率。 （2）对继电保护的影响电力机车的开停次数多，而且行进中每当通过无电区要先跳闸再合闸，从而频繁引起变压器
24、涌流，产生较大的暂态谐波与负序。可能对继电保护系统产生如下影响：1） 机的负序线路距离保护的负序启动元件频繁启动；2）发电电流保护误动；3）变电站主变压器的复合电压启动过电流保护装置的负序电压启动元件误动；2） 母线差动保护的负序电压闭锁元件误动；5） 线路相差高频保护误动；6） 自动故障录波装置的负序启动元件的误启动，导致无故障记录而浪费记录胶卷，在频繁误动时，可能造成未能及时装好新胶卷而导致发生故障时无记录；7） 当谐波注入系统，在谐振或谐波放大的情况下，会造成过流、过压、过负荷及过热，可能造成电容器或串联电抗器的损坏，导致无功补偿装置无法投入运行。 （3）对电力变压器的影响谐波电流在变压
25、器绕组会产生附加损耗，该损耗相当大，除此之外还能引起外壳、外层硅钢片某些紧固件发热，并可能局部过热，加速变压器的老化，影响其使用寿命。负序电流造成电力系统三相电流不对称，造成变压器的额定出力不足（即变压器容量利用率下降）。（4）对输电线路的影响谐波使电网网损增大，在发生系统谐振或谐波放大的情况下，谐波网损可达到相当大的程度。负序电流流过电网时，它并不做功，而只造成电能损失，从而降低了电力线路的输送能力。 （5）对电能计量的影响对电气化铁道而言，基波功率为其有效功率，谐波功率为其向电网注入的有害功率一谐波网损。目前常用的电能计量表计为：感应式电能表、电子式电能表。感应式电能表的频率范围狭窄，所计
26、量的电能值是基波电能与各次谐波电能的“部分”矢量和。电子式电能表在kHz以内频响特性较好，所计量的电能值是基波电能与各次谐波电能的矢量和。电网中常用的计量方式为：电能表准确反映实际电能，即基波与谐波的综合电能。采用这种方式谐波源不仅向系统中注入谐波功率，危害电力系统和其他用户，且少支付了该部分对应电费；而线性用户电能表计量大于基波电能，受到谐波损害还要多交电费。这种方式显然不太合理。正确的预测是进行科学决策的依据。随着新建电气化铁路的增加、既有电气化铁路的扩容、机车技术的进步以及电力系统自身的发展，电气化铁路带来的电能质量问题将达到何种程度，对电力系统自身的规划是否会造成影响，需要进行研究。进
27、行电气化铁路对电网电能质量影响的预测研究，对电气化铁路接入条件及干扰限制措施。在加快建设节约型社会中，铁路肩负着重要责任。铁道运输采用电力机车牵引，比蒸汽机牵引和内燃机牵引有较大的优越性，我国电气化铁道也承担铁路总货物周转量的50以上，这将带来巨大的经济和社会效益，但也对供电系统和邻近的广大电力用户带来较大的谐波干扰和其他不利影响。单相交流工频是全世乔铁路电力牵引广泛应用制式，也是我国干线电气化铁路所采用的制式。我国电气化铁路牵引负荷由于其结构上的不对称，导致返回系统的电流中含有大量负序电流和谐波电流。3 电气化铁道牵引负荷3.1电气化铁道牵引供电系统的负荷特性 电气化铁道牵引供电系统的负荷特
28、性主要取决于电力机车的电气特性、铁路线路条件和运输组织方案等因素。 （一）电力机车的电气特性1）交直型电力机车电力机车从接触网取得25kV工频单相交流电,经车载变压器降压为1500V,整流后向牵引电动机供电。交直型电力机车工作原理如下图所示:交流25kV接触网受电弓断路器直流电机整流器1500V车载变压器交直型电力机车采用半控桥式整流,通过晶闸管控制导通角来控制机车出力,所以,交直机车在整流过程中会产生独立他励系统辅助回路牵引电流从钢轨回流至变电所钢轨谐波,功率因数较低。2）交直交型电力机车(动车组)为克服交直型电力机车的缺点,世界各国竞相开展了交流传动电力机车的研制,1979年德国开发了世界
29、首台大功率干线交流传动电力机车,随后欧洲等主要发达国家迅速推广采用。我国于1991年开始进行交流传动电力机车的研究,先后研制成功了交直交动车组和交直交货运电力机车。近年已从国外引进技术合资合作生产高速动车组,第六次大提速已开始大量投入运行,今后将全面推广交直交型电力机车和动车组。交流25kV接触网受电弓断路器整流器车载变压器直流逆变器交流电机辅助回路牵引电流从钢轨回流至变电所钢轨交直交型电力机车工作原理图交直交机车采用四象限整流,通过GTO或IGBT控制导通和关断角来控制机车的出力,可分别控制导通和关断机车主变压器的若干个低压绕组的整流,使电流波形逼近正弦波,且电流与电压的相位基本同步。所以,
30、交直交型电力机车的谐波含量很小、功率因数高。(二)列车的负荷特性列车的负荷大小,主要与列车牵引质量、运行速度、线路坡度等因素有关。1）列车负荷与牵引质量的关系在运行速度、线路坡度相同的情况下,列车负荷与牵引质量成正比。2）列车负荷与运行速度的关系列车运行速度越高,空气阻力越大,空气阻力随速度呈几何级数增长。在牵引质量、线路坡度相同的情况下,运行速度越高,牵引功率和能耗大幅度提高。(三)铁路运输组织方案对牵引负荷的影响铁路根据运量和线路条件编制运输组织计划,列车在行车调度的指挥下,在铁路上按信号运行。单线铁路一般采用站间闭塞方式,一个区间只能有1列车运行。双线铁路一般采用划分区段闭塞方式,按固定
31、间隔时间追踪运行,目前货车一般追踪时间间隔8分钟,最小追踪时间间隔5分钟;客运专线高速列车设计最小追踪时间间隔,近期4分钟,远期3分钟,城际列车在高峰期可能比照市内轨道交通追踪时间间隔更小。铁路建设时,基础设施均按远期线路能力一次规划建设到位,运输设备按近期需要配置。(四)牵引变电所负荷特性牵引变电所一般向两侧供电臂供电,牵引变电所的负荷大小,与供电臂中运行的列车数量、铁路线路坡度及列车运行速度等因素有关。实测牵引变电所负荷曲线实例如下图:牵引变电所负荷具有如下特点:负荷波动频繁铁路沿线线路条件千差万别,列车运行时速度和线路坡度随时都在变化;且列车在铁路上按信号运行,在铁路运输状态发生变化时,
32、在供电臂内列车数量疏密不等。所以,牵引变电所两供电臂内,列车的数量及每一列车的负荷状态随时都在变化,牵引变电所的负荷呈现出频繁波动的状态。3.2电气化铁道牵引负荷对电能质量的影响因素电气化铁路迅速发展的同时对电力系统带来了一些不利影响。谐波和负序是电气化铁路负荷引起电网电能质量问题的两个根本原因。因此,结合具体的地区电网模型,对其电能质量影响进行预测评估具有一定实践意义。电气化铁路电力机车是大功率单相整流负荷，对于三相对称的电力系统供电来说，电气化铁路牵引负荷具有非线性、不对称和冲击性等特点，将产生三相不平衡的谐波电流和基波负序电流注入系统，引起公共连接点母线的谐波电流、谐波电压、三相电压不平
33、衡度等多项电能质量指标超标，严重影响了电力系统安全、经济、稳定运行和电力用户的安全用电，造成发电机跳闸，继电保护误动作，发电机转子烧坏，电力电容器及用户的电动机等用电设备的损坏。所以，根据国家有关标准必须对此类负荷接入电网后所产生的谐波、负序、电压闪变等进行分析论证。如不能满足国家标准所规定的允许值，则必须采取补偿措施。随着电气化铁路的比重增加，对系统各组成部分及其相互关系的研究提出了更高的要求电力牵引系统还存在有若干技术难题尚未有效的解决，诸如谐波、无功、负序、弓网关系、故障探测、继电保护等深层次的问题，使系统很难达到最优化的运行状态在重载及高速电气化的铁路中这些问题更加突出，将会严重影响到
34、我国铁路电气化的发展。因此提高电网系统的可靠性及电能质量已迫在眉睫，具有十分重要的意义。研究现状在我国现行电网条件下，电力机车运行时，对供电电网产生了很大的影响。电力机车的供电和驱动方式决定了大功率单相整流牵引性的负荷特性，因此具有以下特点1）不对称性，产生负序电流，引起电网三相不对称2）非线性，产生谐波，引起电压波形畸变3）冲击性，引起电压波动4）功率因数低。在畸变系统中，谐波同时影响了系统的无功功率和功率因数，并且产生谐波的装置一般也要消耗基波无功，补偿谐波的装置一般也是补偿基波无功的装置。4 改善电能质量的方法与措施4.1改善电能质量的意义电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品
35、质，通常是指电网线路中电能的好坏情况，当电风的电能质量被干扰或污染，达不到国家相关标准时，就要有去声生地对电风进行电能质量改善。电能质量直接关系到国民经济的总体效益，良好的电能质量无疑对电气设备的运行有利。不良的电能质量对电力系统运行的不利影响也已引起人们足够的重视，电能质量问题主要影响电气设备的性能指标，如：不正常的电压和频率偏差会引起异步电机负荷的转速和功率变化，导致传动机械的效率降低，使纺织，造纸等产品的质量受到影响，谐波电流在旋转电机，输电线路，变压器等输配电设备中流通过，使这些设备因产生附加损耗而过热，从而降低了这些设备的寿命或容量，从危害程度来看，某些电能质量问题的危害是破坏性的，
36、如雷电波冲击，电容器和电缆线路投切时因谐波谐振而引起的过电压，往往造成电气设备的绝缘和机械损坏，从而影响电力系统的政党运行，继电保护装置因谐波和负序干扰引起误动造成电网大面积停电，会造成巨大的经济损失，甚至危害人身安全。电气化铁路铁路作为国民经济的重要基础设施，在我国综合交通运输体系中扮演重要角色。在加快建设节约型社会中，铁路肩负着重要责任。一方面作为消耗能源的重点行业，在节能降耗、提高能源综合应用效率方面大有潜力可挖。电力牵引相对内燃牵引具有污染小、可综合利用各种能源、功率大，能源综合利用率高等特点，因此在各国都得到广泛的应用。近几年以来我国加快了铁路建设的速度，其中电气化线路占了很大的比重
37、。另一方面随着电气化铁路发展，牵引负荷对电力系统的电能质量的影响问题，也越来越引起人们的关注。电力牵引负荷为单相非线性冲击负荷，功率大，在运行过程中有较大的负序电流注入电网，导致电力系统三相不对称运行，还会产生高次谐波，使电网电压波形产生畸变，以及大量无功的需求使供电系统电压偏移和波动，从而使电网的电能质量受到严重影响。牵引负荷的负序、谐波、无功以及电压波动，几者间具有一定的内在联系，因此有必要其进行分析研究，并提出综合治理措施，力求把电力牵引负荷电能质量的影响降到最低程度，其中负序和谐波是焦点问题。我国西北和中原电气化铁路比较发达的地区的电力系统和电力用户己实实在在地受到电气化牵引负荷的影响
38、和危害。电气化铁路谐波和负序曾引发电力系统局部大面积停电事故。谐波和负序还时常引发系统谐振、保护误动作，造成中小型发电机转子损坏以及并网困难。因此，电气化铁路这种流动性大同时严重影响电能质量的负荷进入经济发达地区，电力部门如何既要保证以安全和经济的方式向电气化铁路供电，又不影响电网和机组的安全经济运行以及其它用户（特别是精密制造企业）的正常用电，是值得认真研究的课题。电能质量问题受到人们越来越多的关注。4.2电能质量的影响因素及提高方法与措施电能质量直接关系到电力系统的供电安全和供电质量,电网系统各个客户端的用电设备(特别是大功率用电设备,变频设备等)会给电网造成影响或者可以说是用电污染,造成
39、电压不稳,过电压,产生谐波等.同时,给自身以及其它用户正常用电带来一定的影响.（1）自然因素的影响如雷击,风暴,雨雪等对电能质量的影响,使电网发生故障,造成供电可靠性降低.（2）电力设备及自动保护装置的影响如大型电力设备的启动和停运,自动开关的（3）电力客户的非线性负荷,冲击性负荷的影响如炼钢电弧炉,电气化机车运行等对电能质量的影响,使公用电网产生大量的谐波干扰,产生电压扰动,电压波动与闪变等（4）谐波污染对电网的影响1) 造成电网的功率损耗增加,设备寿命缩短,接地保护功能失常,遥控功能失常,线路和设备过热等,特别是二次谐波会产生非常大的中性线电流,使得配电变压器的零线电流甚至超过相线电流值,
40、造成设备的不安全运行.谐波对电网的安全性,稳定性,可靠性的影响还表现在可能引起电网发生谐振,使正常的供电中断,事故扩大,电网解列等2) 引起变电站局部的并联或串联谐振,造成电压互感器等设备损坏;造成变电站系统中的设备和元件产生附加的谐波损耗,引起电力变压器,电力电缆,电动机等设备发热,电容器损坏,并加速绝缘材料的老化;造成断路器电弧熄灭时间的延长,影响断路器的开断容器;造成电子元器件的继电保护或自动装置误动作;影响电子仪表和通信系统的正常工作,降低通信质量;增大附加磁场的干扰等.变电站的设计和投运以及新的电力用户投运之前都要进行谐波源负荷及电能质量要等方面的技术咨询,线路网络改造和建设也要结合
41、运行负荷的特点和措施,以降低线损,降低设备事故;最后才是开展滤波装置或无功补偿装置的研制,调试和现场测试,以了解治理后的效果,并总结经验.近些年来新起来的静止无功补偿。SVC)装置是一种快速调节无功功率的装置,已成功地用于电力,冶金,采矿和电气化铁道等冲击性负荷的补偿,它可使所需无功功率作随机调整,从而保持在非线性,冲击性负荷连接点的系统电压水平的恒定.采用无源滤波装置圆该装置由电容器,电抗器,有时还包括电阻器等无源元件组成,以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路,以达到抑制高次谐波的作用.由于SVC的调节范围要由感性区扩大到容性区,所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联,这样既满足无功补偿,
42、改善功率因数,又能消除高次谐波.采用有源滤波器虽然无源滤波器具有投资少,效率高,结构简单及维护方便等优点,在现阶段广泛用于配电网中,但由于滤波器特性受系统参数影响大,只能消除特定的几次谐波,而对某些次谐波会产生放大作用,甚至谐振现象等因素,随着电力电子技术的发展,人们将滤波方向逐步转向有源滤波器1) 运用SVC装置可以有效地提高电力设备安全运行的可靠性,且使用范围广价格便宜,但是要求维护人员的技能水平高.2) 采用无源滤波装置可以减少谐波的次数,但是其投资成本过高.3) 采用有源滤波装置可以有效地补偿各次从子网人手,统一规划子网站点冗余,如提供独立的STM一1时隙用于2M业务落地.在子网和主干
43、环路的时隙中配置冗余度足够的直通数据,用于节点至中心站的汇聚业务,使节点与中心站两侧的时隙一一对应,便于数据检查和维护.在各站点数据配置时,预留一定时隙用于站间业务通信.通过这样几步,在缓解网络冗余度不足的同时,也提供了维护检修的便。4.3 SVC 静止型动态无功补偿装置4.3.1 SVC 的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
44、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。4.3.2 SVC 的工作原理及在电网中应用 TCR+TSC型SVC由1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
45、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
46、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;当系统电压高于设定电压时,则切除所有电容器组,只留有TCR运行。4.3.3 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
47、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,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
48、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。4.3.4 负序电流补偿 牵引电力机车产生的大量负序电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