电气化铁路电能质量控制

电气化铁路电能质量及其综合控制技术西南交通大学电气工程学院7.1电气化铁道电能质量问题交直型电力机车谐波电流大：由相控方式决定；谐波为奇次谐波，主要为3、5、7次功率因数低产生负序电流交直交型电力机车功率因数接近1谐波含量低牵引功率大，负序问题突出解决思路机车改型装设补偿装置交直交电力机车静态功补（无源补偿方法）无功补偿电容器LC无源滤波器动态无功功率补偿电气化铁道的谐波无功治理静止无功补偿装置（SVC）静止无功发生器（SVG）有源电力滤波器（APF）单独使用的APF混合型APF}装设于机车上或变电所谐波的抑制措施为减少谐波及其危害，可采取的抑制方法有：改进换流装置设置滤波装置此处重点介绍滤波器的原理。一、交流滤波器的用途降低电网的谐波电压或减少进入系统的谐波电流。与并联补偿装置配合使用，实现无功功率的补偿。交流滤波器的安装位置电力机车上牵引变电所中（牵引侧）滤波原理非线性负荷一般可视为谐波电流源。h次谐波下，系统、滤波器及非线性负荷的模型如下图。系统谐波电流和谐波电压分别为理想滤波器时，实际滤波效果取决于滤波器阻抗及系统阻抗的关系。FhShhShFhZiiZZShFhShnShFhZZUiZZ0FhZ二、交流滤波器的分类1按接入系统的方式，可分为串联和并联两种类型。串联滤波器串入系统调谐滤波器，利用L－C并联谐振来阻碍谐波进入系统基波下呈感性经受全部电流，绝缘水平要求高并联滤波器并入系统调谐滤波器，利用L－C串联谐振构成谐波通路基波下呈容性承受调谐的谐波电流和部分无功电流一般，并联滤波器性价比要好于串联滤波器。有时两者可混合使用。2按调谐锐度，可把并联滤波器分为调谐滤波器和阻尼滤波器两种调谐滤波器调谐在某一、二次较低次谐波上，其中串联（等效）电阻很小，也称高Q（品质因数）滤波器。阻尼滤波器在某一宽频带上呈现低阻抗（如高通阻尼滤波器），其（等效）电阻较大，也称低Q滤波器。3按阶数可把并联滤波器中的阻尼滤波器分为一阶、二阶和三阶等阻尼滤波器。重点讨论并联滤波器。三、常用滤波器及其特性1调谐滤波器单调谐滤波器忽略电阻，相对阻频特性为其中为单调谐支路的固有频率RLC()rrZfffffLC12rfLCrf双调谐滤波器1R1L1C2R2L3R2C2阻尼滤波器常见的有一阶阻尼和二阶阻尼型两种.一阶阻尼滤波器二阶阻尼滤波器RCCLR三阶阻尼滤波器三阶阻尼滤波器C型滤波器调谐滤波器比阻尼滤波器对元件参数精度要求高。元件参数变化及电网频率偏移都会使调谐滤波器失谐。设计时，需要在谐振点上向感性区做适当偏移。1CLR2C1CLR2C为加强滤波效果，最经济有效的方法是对电气化铁道，采用3次、5次和7次单调谐滤波装置。负序在电力系统中所造成的不良影响，如额外占用系统及设备容量，造成附加网损，引起系统电压不对称，降低发电机和电动机出力等。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。降低负序影响的措施理论依据由负序电流的一般表达式来观察负序的合成特性：(2)113ppnjpppiKie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。抑制负序主要措施平衡接线变压器换相连接并联补偿同相供电1平衡接线牵引变压器比较常用的是Scott接线牵引变压器。其他三相－两相平衡接线牵引变压器，如接线、LeBlanc接线、Wood-Bridge接线等很少用到。KublerIIUUBIAICI1122DABCScott接线变压器底（M）座绕组原边接入电力系统AB相（线电压），高（T）座绕组原边一端接底绕组的中点D，另一端接入C相。113113320ABCIIIKIIIIUUBIAICI1122DABC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。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。牵引变电所换相连接的基本要求各变电所单相牵引负荷轮换接入电力系统不同相，使电力系统三相负载对称。两个相邻牵引变电所的相邻供电分区同相，便于越区供电（纯单相变电所除外）。接触网分相绝缘器承受电压不超过网压。（三相牵引变电所换相时要考虑重臂负荷安排在超前相）1单相牵引变电所换相连接方案1：由3台单相变构成相别循环ABCabUbcUcaUabUbcU电分相承受电压电分相上承受电压为327.5kV方案2：由6台单相变构成相别循环ABCabUbcUacUbaUcaUcbUabUbcU电分相承受电压acUbaUcaUcbU电分相上承受电压为27.5kV2Vv接线变压器换相连接（1）单相Vv相别循环ABCabUcaUbcUabUcaUbcU3三相YNd11牵引变电所换相连接(C)(A)(B)(c)(b)(a)YNd11牵引变压器展开图如下接线规则：按照给定供电臂相序次边：(c)端子接轨地；(a)端子接“+”电压供电臂；(b)端子接“-”电压供电臂。原边：按YNd11牵引变压器接线展开图完成原边接线方法：先画出展开图，绕组定向，电压均为网地，相别正负分别对应，可确定绕组上电压相别，再根据原次边绕组对应画出原边接线图。(C)(B)(A)(c)(b)(a)cabUcUa-UaBCAABCNabcQSABCABCNabcQSABCNabcQS+c-a-a+b+b-c(C)(B)(A)(c)(b)(a)bacUbUa-UaCAB(C)(B)(A)(c)(b)(a)bcaUbUc-UcACB牵引变电所的并联补偿1臂负荷（变电所）功率因数的提高下面以臂负荷功率因数的提高为例说明并联电容补偿的相关计算。UCIcoscosCaESZcESZbESZ考虑如图所示变电所的一个供电臂，电压、负荷电流和功率因数分别为、和。UIcosI若将供电臂功率因数提高到，计算所需投放分补偿容量。以为参考相量做相量图和功率图。cosCUCQIUCIcoscosCIUICIICICPSUICQCSUI求得需补偿的容量为CQ22(tantan)11cos(11)coscosCCCQPUI2功率损失的减少供电系统在牵引端口的三角接等效电路如图中方框内的部分所示，其中为归算到牵引端口的三相系统短路阻抗与牵引变压器等值阻抗之和，且。IUaESZcESZbESZCIcoscosCSZSSSZRjX则当三相负荷对称时，由于负荷电流引起的三相功率损失为式中，——供电系统相阻抗的电阻部分；——变压器次边绕组电流；——绕组电流的有功分量；——绕组电流的无功分量。当采用并联电容补偿时，系统电流的有功分量大小不变，而无功分量减小，从而使功率损失相应减小。22233()SSSarPRIRIISRSIaIrI则当三相负荷电流不对称时，由于负荷电流引起的三相功率损失为式中，、、——系统三相电流有效值；、、——系统的正、负、零序电流；、——正序电流的有功、无功分量。设置适当的并联电容补偿可减小正序电流的无功分量，从而减小总的功率损失。2222220()3()SABCSPRIIIRIIIAIIBICII0I222203()SarRIIIIaIrI3变电所母线电压的提高以YNd11牵引变电所为例，考虑三个端口都有并联电容的情形。假设牵引端口无负荷，臂电流为、和，即补偿电容电流；对应的绕组电流为、和。1UaEcESZbESZ1CISSSZRjX1I2CI2U3CI3U3I2I1CI2CI3CI1I2I3I设引前，可画如右所示的端口电气相量图。下面主要关注绕组电流及其在引起的压降和压损。1UaEcESZbESZ1CISSSZRjX1I2CI2U3CI3U3I2I1U2U3U1CI2CI3CI1U2USZ以端口1为例，绕组电流所产生的牵引母线的电压降为则电压损失为化简后得由于上式中第一项接近于零，所以端口1的母线电压约提高了。1I12311211()()333CCCSSSUZIRjXIII123211()(/90/30/210)333CCCSSRjXIII1231(2sin90sin30sin210)3CCCSXIII123111Re[](2cos90cos30cos210)3CCCSUURIII23123131()(4)66CCCCCSSURIIXIII1231(4)6CCCSXIII4并联电容补偿对负序电流的抑制基本方法：计算变电所合成牵引负序电流。设置并补容量，设法使补偿装置的合成负序电流与反向。已知：以原边A相电压为基准所画的负序相量图中，各相负荷电流和并联电容的负序电流分量的相位关系如表所示：()()iiII()()()()CiCiII()I相别abc机车电流电容器a120b240c9021030以YNd11变压器为例：取负荷电流、产生的负序分量为、，则牵引电流的合成负序电流为，三相并联电容补偿电流产生的负序分量分别为、、。分三种情况讨论。aUbEaESZcESZaISSSZRjXaIbIbUcIbIaIbI()aI()bI()()aCI()()bCI()()cCI()()()abIII此时，，即牵引电流在系统侧的负序分量基本为，以原边相电压为基准可画出负序相量图如下：为了抵消总的注入系统的负序电流，由相量图知，应在a、b两相设置并补。()()aII()aIAUBUCUa()()cCI()()aCI()()bCI()()aII()()CIbaII（1）此时，，即牵引电流在系统侧的负序分量基本为，以原边相电压为基准可画出负序相量图如下：为了抵消总的注入系统的负序电流，由相量图知，应在b、c两相设置并补。()()bII()bIAUBUCU()()cCIb()()aCI()()bCI()()bII()()CIbaII（2）（3）此时，以原边相电压为基准可画出负序相量图如下：由相量图知，在b相设置并补即可。abII()()()abIIIAUBUCU()()cCIb()()aCI()()()()CbCII()bIa()aI()I7.2新型牵引供电系统7.2.1牵引供电系统的负序、电分相与同相供电的概念2.1.1当前限制不平衡程度几种措施2.1.2电分相对电力机车安全平稳通过的隐患2.1.3同相供电的概念7.2.2同相供电的实现2.2.1采用无源对称补偿技术实现2.2.2基于有源补偿技术实现7.2.3独立供电系统2.3.1基本考虑与概念2.3.2独立供电系统的构成2.3.3可靠性、可维修性与经济性既有牵引供电系统2.1.1当前限制不平衡程度几种措施①采用三相一两相平衡牵引变压器两个端口负荷完全相同时，变压器原边三相电流对称日本广泛采用Scott变压器和变形Wood-bridge变压器。我国主要采用了阻抗匹配平衡变压器和Scott变压器。②采用高电压、大容量电源供电日本采用154kV，220k