電氣化鐵路

電能質量及其綜合補償技術西南交通大學電氣工程學院賀建閩2006年11月1前言

電力作為商品擺脫傳統的計劃經濟模式進入市場，以市場運作規則來制約供用電雙方，是我國電力市場建設與發展的必然。我國電力市場建設是一項長期復雜的系統工程，涉及電力系統規劃、電力生產、電網運行和負荷管理等諸多方面。電能質量是評估電力系統運行水平的重要技術標準，優良的電能質量應由供電、電器制造、電力用戶三方共同保證。自20世紀90年代起，國際上開始將電能質量以及電磁兼容構筑成一個技術體系加以研究。電能質量已經成為電力系統研究領域一個新的學科分枝。電能質量管理已經成為電力市場管理中的一項系統工程。電能質量相關知識已成本專業學生的課堂學習內容。電能質量的基本要求

優質的供、用電應具有以下特征：(1)供電電壓具有穩定的標稱頻率、幅值和波形；(2)保持三相電壓和電流的平衡，保證電網最大傳輸效率；(3)持續穩定和充足的電能供應；(4)低廉的電價；(5)對環境的不良影響較小。電能質量的特征

(1)電力系統的電能質量始終處在動態變化之中；(2)電力系統是一個整體，各個局部的電能質量可能相互影響；(3)電能質量擾動會在系統中廣泛傳播，并對其他系統或設備產生潛在危害；(4)在一般情況下，用戶是保證電能質量的主體；(5)對電力系統電能質量綜合評估非常困難；(6)電能質量管理和控制是一項系統工程。

保證優質電能的目的(1)現代用電設備對電能質量的要求更高，許多帶有微處理器和功率電子器件的裝置對電磁干擾極為敏感。(2)非線性設備的諧波污染，致使供電電壓干擾水平加重,對系統安全運行帶來直接的或潛在的危害。(3)電力用戶提高了對諸如供電間斷、電壓凹陷、電路通斷引起的暫態現象的認識，提出更高供電質量要求。(4)電網各部分是相互聯系的，供電部門在保證向用戶優質供電的同時，還需極力避免遭受用戶產生的電力干擾，維護電網安全運行。電力負荷分類(1)普通負荷(CommonLoad)，對電能質量要求不太高,如照明設備、加熱器、通風機、空調機、一般家用電器等。(2)敏感負荷(SensitiveLoad)，電能質量不好可能對此類負荷造成一定的損害,如電動機控制器、UPS、變頻調速裝置等。(3)重要負荷(CriticalLoad)，對此類負荷,必須確保供電嚴格符合要求,如信息技術的芯片生產、微電子元件的智能化流水線、醫院、銀行和證券交易中心的計算機等。建立電能質量管理體系的目的近年來，在經濟發達地區高端產業快速增長的同時，非線性負荷大幅增加，電網中的電能質量問題日益突出。據美國電力科學院JaneClemmensen的粗略估計，認為每年因電能質量相關問題，造成美國經濟損失達260億美元。發達國家電能質量問題主要是供電電壓暫降，占供電質量投訴量的80%。因此，有必要建立電能質量監管體系，使其成為保證電網安全運行、保護電氣環境、保障電力用戶正常使用電能的基本技術規范，同時也是實施電能質量管理、維護供用電雙方合法權益的法律依據。自20世紀60年代起，世界大多數國家制定了有關供電頻率和電壓允許變動的技術指標，部分國家還制定了限制諧波電壓、電流畸變以及電壓波動等推薦導則。近十幾年來，許多工業發達國家已制定了更加完備的電能質量系列標準，而且各國的電能質量標準正在與國際相關專業委員會推薦標準接軌，逐步實現標準的統一與完整。電氣化鐵路與電能質量

電氣化鐵道負荷的波動性、不對穩性、低力率（低功率因數）和非線性一直是電力專家關注的電能質量問題。我國第一條電氣化鐵路——寶成鐵路寶雞至鳳州段于1961年8月15日建成通車。由于當時向該段供電的電網容量較小，電網三相電壓不平衡是當時專家們關注較多的問題。

1961年寶鳳段供電示意圖在寶（雞）－鳳（州）段開通時，考慮到寶雞電廠無法承受電氣化鐵道產生的負序電流，所以在供電上“舍近求遠”，從關中系統興平地區變電所受電。直至上世紀90年代，隨著電網容量擴大，該地區的電壓不平衡問題得以緩解。

1961年到1980年底，我國共建成電氣化鐵路1676km，發展十分緩慢。自1980年改革開放后，電氣化鐵路開始從山區走向平原；由低標準邊遠地區鐵路向主要長大干線、重載、高速鐵路發展。到2005年底,我國電氣化鐵路已達20132公里。電氣化率達27%，承擔的運量比重近50%。在此期間，電力、鐵路兩部門在電能質量，尤其是在諧波、負序、無功方面的爭議一直沒有停止。

“十一五”期間,鐵路里程將新增2萬公里;其中客運專線9800公里，時速在300公里以上的有5457公里；既有線電氣化改造15000公里。

根據2004年國務院批準的鐵道部《中長期鐵路網規劃》，至2020年，我國鐵路營運總里程將達到10萬公里，其中客運專線達到1.2萬公里；包括“四縱”、“四橫”八條時速在200公里以上的客運專線。

我國200km/h客貨共線鐵路的單臺機車功率達8000~12000kW；設計列車追蹤間隔為5min；牽引變電所主變安裝容量為31.3~50MVA；部分達到63MVA。

客運專線的單臺機車功率達到23000kW；設計列車追蹤間隔為3min；牽引主變安裝容量達到73MVA以上，甚至達到120MVA。

在這些線路上，一方面，電氣化鐵路需要電力系統提供高質量、高可靠性的供電電源；另一方面，電氣化鐵道產生的電能質量問題也會更加突出，例如

例如，電氣化鐵路進入我國經濟較發達的東部地區，如京滬線、浙贛線、滬杭線，電氣化鐵道負荷對電網以及高端制造業的影響已經引起當地電力部門的高度重視，這些電鐵線路的供電協議談判進行得十分艱難。對于電氣化鐵道技術人員來說，對電能質量相關知識的了解，是很有必要的。

第一節電能質量定義

從普遍意義講，電能質量指優質供電。但迄今為止，人們對電能質量的技術含義尚未給出統一的定義，這是人們關注的問題不同以及看問題的角度不同所致，例如：

電力部門可能把電能質量定義為電壓與頻率的合格率,并且用統計數字來說明，99.99%表明電力系統是安全可靠運行的;電力用戶則把電能質量定義為是否向負荷正常供電；設備制造廠家則可能將電能質量定義為電源質量，要求電源特性完全滿足電氣設備的正常工作需要；另外一些事件，例如供電中斷，究竟應當歸屬于輸配電工程問題還是用戶用電質量問題，供用電雙方意見往往無法一致。

正因如此，人們談到電能質量時,使用的技術名詞也不規范，例如：電力系統質量（electricpowersystemsquality）

供電質量（qualityofpowersupply）

電壓質量（voltagequality）

在1968年發表的一篇關于美國海軍電子設備電源規范研究的論文中,最先使用了“powerquality”（電能質量）這一詞語。

IEEE標準化協調委員會已正式采用“powerquality”(電能質量)這一術語，并且給出了相應的技術定義。

IEC沒有采用“powerquality”(電能質量)這一術語，而是提出使用“EMC”(電磁兼容)術語，其強調設備之間、電源與設備之間的相互作用和影響。在IEC的電磁兼容概念中，采用以下兩個術語：

排放(emission)－表示設備產生的電磁污染，反映的是電流質量問題;

抗擾(immunity)－表示設備抵抗電磁污染的能力，它與供電電壓質量相關。

IEC以此為基礎,制定出了一系列相關的電磁兼容標準。電磁兼容術語與電能質量術語有很大重疊性,在它們中間有許多的同義詞。國內外關于“電能質量”的幾個定義定義1：IEEE標準化協調委員會給出的電能質量定義:合格電能質量概念指的是，給敏感設備提供的電力和設置的接地系統均能適合于該設備正常工作。定義2：所謂電能質量是指電壓質量、頻率質量及供電可靠性的總稱。定義3：電能質量定義為導致用戶設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差。

除此之外,許多文獻還采用了一些并未得到公認的術語和補充定義。例如：1電壓質量(voltagequality),

實際電壓與理想電壓的偏差反映向用戶供給的電力是否合格。2

電流質量(currentquality),

除了對電流提出恒定頻率正弦波形要求外,還力圖使該電流波形與供電電壓同相位,以保證系統以高功率因數運行。3供電質量(quality

ofsupply),它包括技術含義和非技術含義兩部分。技術含義有電壓質量和供電可靠性;非技術含義是指服務質量(quality

ofservice),它包括供電部門對用戶投訴與抱怨的反應速度和電力價格的透明度等。4用電質量(quality

ofconsumption)包括電流質量和非技術含義,如用戶是否按時、如數繳納電費，等。

第二節電能質量問題分類1穩態電能質量問題

供電電壓偏差；

公用電網諧波；

三相電壓不平衡度；

電力系統頻率偏差；

電壓波動與閃變。2暫態電能質量問題

暫態過電壓和瞬態過電壓。電能質量的實際測量方法和輸出結果

第三節我國已建立的電能質量標準

GB12325-1990《供電電壓允許偏差》；

GB/T14549-1993《公用電網諧波》；

GB/T15543-1995《三相電壓允許不平衡度》；

GB/T15945-1995《電力系統頻率允許偏差》；

GB12326-2000《電壓波動與閃變》；

GB/T18481-2001《暫態過電壓和瞬態過電壓》。

第四節GB/T159451995《中華人民共和國國家標準電能質量電力系統頻率允許偏差》簡介

電力系統頻率偏差：系統頻率的實際值與額定值之差。

頻率偏差允許值：電力系統正常頻率偏差允許值為0.2Hz；當系統容量小于3000MW時，偏差值可以放寬到0.5Hz。

沖擊負荷引起的系統頻率變動一般不得超過0.2Hz，根據沖擊負荷性質、大小以及系統的條件也可適當調整限值，但應保證電網發電機組和用戶的安全穩定運行。電網頻率實測案例：圖為成(都)-達(州)鐵路大英牽引變電所110kV電網頻率實測結果，其偏差遠小于0.2Hz，表明我國主網有功功率比較充足。

但在弱小電網，負荷較小的變動都可能導致電網頻率較大波動,下圖是青藏線安多35kV配電所的頻率測試情況。當雄－安多297km鐵路專用輸電線路退出時,那曲－安多各個35kV鐵路配電所由查龍水電站（裝機容量8000kW）供電。從安多35kV配電所頻率測試結果可以看出，在這一過程中，電網頻率出現1~2分鐘的較大波動。

第五節

GB12325—90《中華人民共和國國家標準電能質量供電電壓允許偏差》簡介

交流50Hz電力系統供電電壓偏差定義為實測電壓與額定電壓之差，以額定電壓的百分數表示。供電電壓允許偏差：（1）35kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%；

（2）10kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%；（3）220V單相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7%、-10%。說明：1電壓偏差按以下公式計算2標準中“供電電壓”指的是：供電部門與用戶的產權分界處的電壓；或由供用電協議所規定的電能計量點的電壓。對于電氣化鐵路牽引變電所，“供電電壓”指110kV或220kV母線電壓。計算到負荷端口，系統電壓損失表達式如下式中，x為負荷端口看出的電網等值相電抗，；Q為該相線路傳輸的無功功率，kvar；UN為線路額定相電壓，kV；為負荷功率因數角，感性負荷取正值。將上式變化一下，系統電壓損失表達式如下式中，UN為線路額定相電壓，kV；Sk為負荷端口的系統三相短路容量，MVA；ST為負荷三相變壓器容量，kVA；負荷功率因數角。計算電壓偏差式中，Sk為負荷端口的系統三相短路容量，MVA；ST為負荷三相變壓器容量，kVA；負荷功率因數角。

上式表明，可以通過以下兩條途徑，來保證供電電壓偏差滿足國家標準要求：（1）電網中傳輸的無功功率盡可能小；（2）負荷端口的系統三相短路容量盡可能地大。由此可見，維持良好的供電電壓水平，取決于供電部門和電力用戶雙方的共同努力。

通常認為，高一級電網的供電能力較強，2005年對國內南方某城市電網20個110kV變電站、70個220kV變電站的短路容量調查，結果如下：（1）110kV的短路容量：878.04MVA-3891.21MVA；（2）220kV的短路容量：1715.73MVA-7697.7MVA。2006年對國內華北某電網4個110kV變電站、10個220kV變電站的短路容量調查，結果如下：（1）110kV的短路容量：439.6MVA、1315.8MVA、1007.5MVA、3077MVA；（2）220kV的短路容量：3726.7MVA~17422.4MVA。相對西部而言，我國東部經濟發達地區的電網較為強大，例如京滬電鐵天津段牽引變電所110kV接入點的系統三相短路容量如下表所示又如，京滬電鐵北京、上海段牽引變電所110kV接入點的系統三相短路容量如下表所示相比而言，發達國家電網供電能力較強，韓國電鐵接入系統的短路容量如下表所示，國外部分客運專線對接入系統提出了9000MVA

短路容量的要求。國名序號鐵路名稱最高速度（km/h）供電方式供電電壓（kV）附注日本1東海道新干線300AT275個別牽引站154kV

2山陽新干線300AT275個別牽引站154kV

3北陸新干線300AT275

4東北新干線260AT275個別牽引站154kV

5上越新干線275AT275

法國1巴黎－里昂300AT2251個牽引站400kV

2巴黎－圖爾300AT2251個牽引站400kV

3巴黎－加萊300AT2251個牽引站400kV

4里昂－瓦朗斯300AT225

5瓦朗斯－馬賽350AT225

6巴黎－斯特拉斯堡350AT2251個牽引站400kV西班牙1馬德里－塞維利亞250直供2203個牽引站132kV，但短路容量不小于2000MVA

2馬德里－巴塞羅拉350AT4003個牽引站220kV德國德國高速鐵路最高速度330km/h，采用鐵路自建電網供電。電鐵供電制式為15kV、162/3Hz，采用獨特的同相供電方式，牽引站間距約為普通不同相供電方式的1/3，牽引變壓器容量一般為2×15MVA。牽引站外部電源采用110kV，系統短路容量不小于1000MVA。世界主要高速鐵路國家電鐵供電電源電壓等級一覽表我國邊遠地區電氣化鐵路目前面臨的問題是電網短路容量偏小，供電能力較弱。電網短路容量偏小意味著系統發電容量偏小或電源距負荷中心偏遠。國外專家通常認為，電網公共連接點短路容量不足用戶容量的30倍時，可以視其為小電網，小電網常見的電能質量問題之一就是供電電壓偏差較大。在弱小電網中，牽引負荷可能引起電網電壓較大的偏差和波動。圖為內－昆鐵路鹽津牽引變電所的測試情況，上圖為110kV母線A相電壓，下圖為A相電流。向該所供電的云南昭通電網較為薄弱，造成空載時變電所110kV母線電壓偏高，負荷時偏低。牽引變電所名稱田林平林系統最小短路容量（MVA）195.64211.8

110kV母線空載電壓Uab(kV)120.74121.87110kV母線負荷下最低電壓Uab(kV)93.6296.889正負偏差的絕對值之和(%)24.6522.7127.5kV母線空載電壓Ua(kV)29.9329.75供電臂最低電壓（標準值27.5）（kV）18.7319.46接觸網末端電壓(kV)16.7618.077南昆線牽引測試數據（時間：2002.6.4～6）對于更弱小的電網，情況更是如此，運行中，系統較小的變動都可能導致網壓較大波動，下圖是青藏線安多35kV配電所的電壓測試情況。在當雄－安多鐵路專用輸電線路退出時，35kV鐵路配電所均由查龍水電站（裝機容量8000kW）供電，此時電網電壓出現較大波動。改善電壓水平的措施為保證電網具有良好的電壓水平，電網公司除進行全局無功優化調整外，還要求大宗電力用戶對無功做到“就地補償”，使用戶月平均功率因數達到0.90以上，并對用戶實行獎懲制度。提高牽引變電所功率因數的主要方法是在27.5kV側設置并聯電容補償裝置。目前我國鐵道電氣化鐵路較多采用固定補償方式。

隨著無功計量方式的轉變，由“反送反計”或“反送不計”變為“反送正計”，固定補償的缺點顯現出來。在“反送正計”方式下，過度的無功補償使得變電所平均功率因數更低，這一現象在個別牽引變電所較為突出。例如大同西供電段，1993年2月該段對永嘉堡變電所b相并聯電容補償裝置進行增容改造，電容器容量由原來的6640kvar增至7600kvar，但是變電所月平均功率因數卻由改造前的0.73降至0.59~0.65，造成當年該變電所罰款額達220萬元，直到該所完成可調無功補償改造后，這一情況才得以改變。又如，上圖為成－達鐵路金堂牽引變電所2006年10月份供電月報表。該所無功計量方式為反送不計，當月平均功率因數為0.921;但若按無功反送正計考核，該所當月平均功率因數僅為0.299。

隨著科技進步和新型電力設備尤其是電力電子設備制造技術的發展，使可調并聯無功補償裝置的工程應用成為可能。在電氣化鐵道，晶閘管投切電容器組(TSC)、晶閘管控制電抗器(TCR)和真空接觸器投切電容器組的可調無功補償裝置于2000年前后在各地牽引變電所應用，取得了良好的無功補償效果。需要強調的是，固定并聯電容補償方式有著結構簡單、工程造價低、可靠性高、現場運行經驗成熟及運行維護方便等諸多優點。在一定的運輸條件下是能夠較好地發揮其補償效益的，對固定補償方式采取簡單否定的態度是不可取的。德國高速鐵路牽引變電所采用固定并聯電容器補償裝置法國Commuue牽引變電所采用固定并聯電容器補償裝置在我國，采用固定并聯電容補償也有許多成功案例。例如，豐－沙－大線的東城鄉牽引變電所，采用固定并聯電容補償方式，按無功反送正計計量，變電所日平均功率因數達到0.92，取得滿意的補償效果。

第六節GB/T155431995《中華人民共和國國家標準電能質量三相電壓允許不平衡度》簡介

正、負、零序電壓、電流計算如下式所示

負序電流和三相電壓不平衡的主要危害引起發電機轉子附加損耗、發熱，負序磁場產生制動力矩、機械振動；增加電動機定子和轉子的銅損，負序磁場產生制動力矩，正負序磁場產生的脈動轉矩引起電動機振動；降低變壓器負載能力，造成局部過熱，縮短變壓器壽命；造成繼電保護和自動裝置誤動；造成輸電線路損耗的增加。

三相電壓不平衡度用電壓負序分量與正序分量的均方根百分比表示。

電力系統公共連接點正常電壓不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%。接于公共接點的每個用戶引起該點正常電壓不平衡度允許值一般為1.3%，根據連接點的負荷狀況、鄰近發電機繼電保護和自動裝置安全運行要求，可作適當變動。根據GB/T155431995，電網公共連接點的三相電壓不平衡度按下式計算式中，I2為注入電網公共連接點的A相負序電流，A；Sk為公共連接點的三相短路容量，MVA；UN和UL分別為公共連接點的額定相電壓和線電壓，kV。

國外在對電氣化鐵路的實際執行中，要求牽引變電所的負序容量占系統側短路容量的百分數，長時間不大于1.5%，短時間（不超過10min）不大于2%。按變壓器允許過負荷30％計算，三相、V接和單相牽引變電所的負序容量如下表所示以上分析表明，如果三相不平衡負荷較小，即I2足夠小或系統較強大，即三相短路容量Sk足夠大，都可以將三相電壓不平衡度控制在國標規定的范圍內。在同樣牽引負荷條件下，進入高一級電網，例如220kV系統，由于電網供電能力的提高，三相電壓不平衡問題能夠得以緩解。同樣的牽引負荷，在不同的110kV電網中，三相電壓不平衡程度不同，較強電網的情況往往較好。測試實例：測試期間，洛陽東牽引變電所110kV電壓不平衡度最大值為2.33%，95%概率值為1.30%，符合國標要求,說明河南電網比較強大。瀘沽牽引變電所110kV母線最小短路容量不足400MVA。盡管該所負荷遠遠小于洛陽東牽引變電所，但從測試結果看，該所110kV母線三相電壓不平衡度遠遠高于洛東變電所。另一案例，成－昆鐵路瀘沽牽引變電所，裝接容量為220MVA，日通過能力為22對車／天。西昌電網為小電網，西昌220kV變電所供電設備容量180MVA；110kV公共連接點最小短路容量為613MVA；第七節GB/T14549-93《中華人民共和國國家標準電能質量公用電網諧波》簡介

電壓、電流波形畸變并不是一個新課題，在20世紀20年代，德國就已提出靜態整流器引起的波形畸變問題。從20世紀50年代起，由于高壓直流輸電措術的發展，技術人員在晶閘管換流器諧波問題的研究方面作了大量工作。20世紀70年代后，各種功率換流器的普遍應用，引起了人們對電網諧波問題的關注，促進了諧波問題研究的發展。自那時起，各國以及相關專業委員會，如國際電工委員會（IEC），先后制定了包括配電系統、電力設備、用電設備包括家用電器在內的各類諧波標準。

諧波污染對電網及用戶的主要影響造成電網功率損耗增加，線路和設備過熱；引起變電站局部的并聯或串聯諧振，造成電力設備損壞；造成電力變壓器、電力電纜、電動機設備發熱，電容器損壞、絕緣材料老化、延長斷路器滅弧時間；造成繼電保護和自動裝置誤動作；增大磁場干擾，影響電子儀表和通信系統的正常工作，降低通信質量。降低電能計量的準確度。

國外電力專家對諧波標準的認識(1)諧波標準制定受經驗影響，各國的經驗都是在諧波問題長期研究和治理過程中逐步積累的，各國形成諧波標準時考慮的因素也是多樣化的，很少有標準是完全建立在對系統特性的詳細理論研究基礎上，所以標準在形式上大多是趨于經驗和保守的。(2)各國在制定諧波標準時，充分考慮了本國電力系統的特殊性以及多種關注因素。不同國家的標準，例如英國和新西蘭標準，存在較大差異也是正常的。脫離各國背景，評論不同國家標準優劣是沒有意義的;同樣,不了解本國實際情況套用他國標準也是不妥的。(3)各國諧波標準反映的是當前時期本國電網和非線性用戶之間達成的平衡或妥協，所以諧波標準不是永久不變的，諧波標準的執行也不是僵硬的。(4)用戶在諧波標準下的權益應予充分關注。

我國自20世紀80年代起開展電力諧波研究，并已取得眾多基礎性成果。諧波國家標準GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》自1994年3月起開始實施。基于IEC61000-3-6技術文件的國家標準化指導性技術文件GB/Z17625.4-2000《電磁兼容限值中、高壓電力系統中畸變負荷發射限值的評估》也于2000年12月頒布。諧波國家標準GB/T14549-93規定的公用電網諧波電壓（相電壓）標準如下表所示。在基準短路容量下，注入各級電網公共連接點的諧波電流允許值如下表所示。根據GB/T14549-93，電網公共連接點第h次諧波電壓含有率HRUh按下式計算式中，Ih為注入電網公共連接點的總h次諧波電流，A；h為諧波次數；Sk為公共連接點的三相短路容量，MVA；UN和UL分別為公共連接點的額定相電壓和線電壓，kV。

上式表明，如果非線性負荷較小，即Ih足夠小或系統三相短路容量Sk足夠大，都可以將諧波電壓控制在國標規定的范圍內。在同樣牽引負荷條件下，進入高一級電網，例如220kV系統，由于電網供電能力的提高，有助于改善諧波狀況。同樣的牽引負荷在不同的電網中，諧波表現不同，在較強電網，情況往往較好。平果變A相電壓總諧波畸變率田東變A相電壓總諧波畸變率典型案例：南昆電氣化鐵道廣西境內由南寧電網和百色地區電網供電，南寧電網主要由廣西主網供電，百色地區電網則由廣西電網一部分以及地方小水電、小火電廠聯合供電。平果和田東變電所相鄰，地理情況和鐵路運量相當。由于百色電網容量較小，所以田東變電所諧波電壓情況較平果變電所嚴重得多。洛陽東牽引變電所諧波測試實例：河南電網較強大。該時段內，最大電壓綜合畸變率為2.62%；95%概率大值為1.89%，符合諧波國標要求。左圖為豐臺供電段雁翅牽引變電所電壓總諧波畸變率測試數據，其諧波狀況與江油變相當。右圖為綿陽供電段江油牽引變電所電壓畸變率測試數據，95%概率值為2.17%，表明諧波電壓部分超標。田林變110kV側A相電壓總諧波畸變率百色變110kV側A相電壓總諧波畸變率田東變110kV側A相電壓總諧波畸變率平林變110kV側A相電壓總諧波畸變率南－昆電氣化鐵路百色電網諧波電壓測試情況

在電氣化鐵道諧波評估方面，我國電力和鐵路部門長期以來存在較大爭議。諧波國標GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》對各級用戶制定了詳細的各次諧波電流測量評估標準，但對用戶端口的諧波電壓評估沒有作明確說明。

GB/Z17625.4-2000對各級用戶詳細規定了諧波電壓限值制定和考核方法，但其認為“即使其目的在于限制網絡中的諧波電壓，最好是對畸變設備規定諧波電流限值”。英、美、加拿大等國對電氣化鐵路側重諧波電壓考核。

綜合考慮國內外經驗，我國鐵路專家認為對電氣化鐵路諧波考核應主要針對諧波電壓，采用總量控制方法，以電鐵總諧波電壓畸變率作為諧波限值，不再對各次諧波電流進行評估。鐵路專家認為牽引變電所作為電氣化鐵路諧波源頭，如果控制其110kV（或220kV）母線總諧波電壓畸變率不超標，那么連接它的公共連接點的總諧波電壓畸變率必然不會超標。諧波治理中值得關注的現象：背景諧波電壓2001年8月15日17時至16日17時,成－昆鐵路黃聯關、瀘沽牽引變電所向西昌北牽引變電所實施24小時越區供電。西昌北變電所背景諧波測試如圖所示，可想而知,如果在西昌北變電所設置濾波裝置，將無法取得令人滿意的諧波電壓治理效果。另一個值得關注的諧波現象應關注大型電力變壓器產生的諧波電流。隨著新材料和新工藝的使用，以及變壓器設計的磁通密度取值偏高，變壓器的高次諧波特點也發生變化。目前，大型電力變壓器已成為高壓電網中不容忽視的主要5次諧波源。如果大型電力變壓器額定工作點接近或進入飽和區，在深夜至清晨負荷低谷時段，電網電壓升高，將使得變壓器磁飽和以及勵磁電流畸變程度進一步加深。國外試驗顯示，電網電壓升高5％，勵磁電流將增加40-100%。變壓器空載諧波電流與輸電線路分布電容、并聯電容器組及系統其他參數配合，可能使電網相關節點的5、7次諧波電壓放大，并向下一級電網滲透。上圖為該所220kV母線5次諧波電壓含有率，測試顯示由其決定了電壓總諧波畸變率。上圖為秦－沈鐵路綏中北牽引變電所220kV母線背景諧波電壓總諧波畸變率測試結果。電網負荷低谷期間5次諧波電壓放大現象曾在國內外實測中被多次發現，英國工程推薦標準G5/4也指出：“背景諧波的測量值似乎顯示出明顯的晝夜變化，夜晚的畸變水平最高，特別是星期天”，這一現象值得深思。由電力變壓器勵磁電流引發的電網5次諧波問題應引起足夠重視。這種諧波的治理，不論對于電網公司還是電力用戶，都具有很大難度。

國內一些電力專家建議，對準備接入公用電網的大型電力變壓器，增加飽和倍數的諧波測試項目，禁止空載諧波電流偏大的變壓器入網

。第八節GB12326-2000《中華人民共和國國家標準電能質量電壓波動與閃變》簡介

電壓波動和閃變作為評價電能質量的一個重要指標，直接反映出電網電壓質量。1986年，國際電工委員會(IEC)根據1982年國際電熱協會(UIE)的推薦，制定了閃變儀的測試功能和設計規范。我國在2000年以前主要參照日本的△V10閃變標準進行測試和評價，以IEC標準為準，新的國標GB12326-2000《電能質量電壓波動與閃變》已于2000年頒布。電壓波動和閃變產生的主要原因沖擊性負荷用電，如電弧爐、軋鋼機、電焊機等；系統發生短路故障；設備投切，如備用電源自動投切、自動重合閘等；系統遭受雷擊。電壓波動和閃變的主要影響電壓波動和閃變大多產生于配電系統，通過配電變壓器傳輸到低壓用戶。電壓波動和閃變主要干擾計算機和控制系統和各種電子儀器設備的正常工作。

電壓波動是指電壓調幅波中相鄰兩個極值（電壓均方根）之差，以額定電壓的百分數表示；電力系統公共連接點由沖擊性負荷產生的電壓波動允許值見表所示。

閃變是指人眼對燈閃的主觀感覺，IEC標準規定低、中壓電網短時（10min）閃變兼容值Pst=1，中、高壓電網的閃變規劃值分別為0.9和0.8。測試案例：成－達鐵路金堂變電所110kV母線，測試期間處于空載狀態，電壓10min閃變評估值Pst為0.4,沒有超標。第九節GB/T18481-2001《中華人民共和國國家標準電能質量暫態過電壓和瞬態過電壓》簡介根據不同負荷對電壓質量的敏感度,負荷分為三類:(1)普通負荷(CommonLoad)：普通負荷對電能質量要求不太高。(2)敏感負荷(SensitiveLoad)：如電機控制器、UPS、變頻調速裝置等。(3)嚴格負荷(CriticalLoad)如信息技術的芯片生產、微電子元件的智能化流水線、醫院、銀行和證券交易中心的計算機等。人們關注的暫態電壓擾動主要有4類,即電壓下跌、斷電、尖峰脈沖、電壓上升。(1)電壓下跌(Sag)，這是電壓幅值下降持續時間小于2s的情況,通常是由電動機啟動瞬變或電力系統的切換操作引起的。這是用戶投訴最多的一種電壓擾動。(2)斷電(Interruption)，這是由電力系統故障引起的,圖中表明允許斷電時間小于10ms（50Hz系統),超過半個周波就會產生嚴重后果。(3)電壓尖峰脈沖(Spike)，這是電壓高頻突發,產生極高的短暫電壓升高而損壞電子設備。(4)電壓上升(Swell)，這是系統電壓瞬時波動所常見的,關鍵是幅值和持續時間。美國CBEMA（美國信息技術工業協會）提出的電壓容限曲線及典型電壓擾動(陰影部分為合格電壓)ITIC曲線(CBEMA曲線的修正),適用于所有類型設備的電壓容限幅值和持續時間測試實例：某供電點電壓的測量評估結果，結論是在暫態電壓質量方面不存在問題。

第十節電能質量監測與管理

電能質量的監測、管理是一個巨大的系統工程，需要人力、物力的大量投入，例如：日本關西電力公司為了精確掌據各類用戶的諧波發生量和排放規律，曾分別在日本的工業區、商業區和住宅區進行了長達3年的連續監測。美國也曾于1993年6月至1995年9月對4.16kV~34.5kV的277座變電站及饋線進行了全面的監測，獲得了5691份監測數據。加拿大電氣協會(CEA)自1991年起開始一項為期3年的電能質量調查，共有22個電力公司參與，監測了550個供電點，包括工業、商業和居民住宅區。

一些發達國家目前也已建立完備的電能質量監測網絡。第十一節電氣化鐵道電能質量綜合補償技術

我國既有普速電鐵線路，除少數從國外引進的電力機車（如日本的6K型，法國的8K型）外，絕大多數采用的是我國自行設計制造的SS（韶山）交直型電力機車。如：適用于重載貨運的SS4型，客貨兩用的SS6和SS7型，以及快速客運和準高速客運的SS5、SS8和SS9型。電力機車從接觸網取得25kV工頻單相電壓，經車載變壓器降壓到1500V，整流后向牽引電動機供電。牽引電動機采用直流串勵式，額定電壓為1020V，單臺功率約為700—900kW。

交直型電力機車采用半控橋式整流裝置，通過控制晶閘管的導通角來實現機車出力的調節。這一控制方式，使得交直型機車的功率因數較低（0.8左右），并產生豐富的諧波，主要是3、5、7、9等奇次諧波。交-直-交型電力機車提高了機車用電的功率因數（0.95以上）、降低了注入系統的諧波（諧波電流總畸變率小于5%），從而減少了電網的壓損、電壓波動和注入系統的諧波電流，綜合用電效益明顯，以其優異的性能，成為機車傳動的主流技術和發展方向。

在近期一段時間內，既有線仍以交-直型機車為主，未來客運專線也可能出現交直和交-直-交機車混跑的局面。就我國電氣化鐵路供電系統而言，對電網存在主要的電能質量問題是：（1）不平衡，即負序問題；（2）諧波問題；（3）無功，即功率因數問題；（4）沖擊性牽引負荷引起的電網電壓波動與閃變。國外高速鐵路供電系統的電能質量指標與措施1法國高速鐵路牽引供電系統根據歐洲標準，法國電力公司控制電網負序電壓的總水平為2%，分配給電氣化鐵路的指標為1%。電力公司在實際執行中，要求：負序電流限制：牽引變電所負序容量與系統連接點三相短路容量之比不超過1.5%；負序電壓限制：三相電壓不平衡度，1小時不超過2%、短時不超過4%。法國采取的限制不平衡措施如下：（1）牽引變電所由225kV或400kV供電，以確保系統連接點有足夠大的短路容量。（2）所有牽引變電所在接入電力系統時，必須采用輪換換相，降低總負序電流水平。（3）在電力系統薄弱，電鐵大密度運行時，對單相運行可能導致負序超標的變電站，運行時可將“單相”與“V”接線相互轉換。即正常時單相運行，在可能出現負序超標時，根據電力系統調度的命令，將兩臺變壓器改為“V接”。（4）在牽引變壓器低壓側（25kV側）安裝濾波及無功補償裝置。2意大利高速鐵路牽引供電系統意大利高速鐵路系統，采用ETR500高速列車，25kV、50Hz交流AT供電方式。牽引供電系統設計準則為：保證高速列車以12MW、300km/h、5min間隔雙向持續運行，并留有一定的裕度。牽引變電所平均設置距離為50km，安裝兩臺60MVA單相牽引變壓器。變電所不采用“V”接線，而是一臺變壓器運行，另一臺作熱備用，接入系統的電壓為132kV。

牽引變壓器能夠50%過載運行15min；100%過載運行5min。

意大利接入132kV系統的電力系統，其10min允許總諧波電壓畸變率THD為4%。由牽引供電產生的電壓不平衡限值為：1-1.5%（長時間允許值），2%（短時，不超過10min）。

意大利抑制高速鐵路負序的措施，主要靠牽引變壓器接入系統時的輪流換相來保證。在設計時要求每個電力系統變電站以不同的相序同時供給三個牽引變電所，以使三相負荷基本平衡。3日本高速鐵路牽引供電系統新干線采用AT供電方式，高速列車的牽引機車采用交-直-交傳動方式。東海道、山陽、北陸新干線采用25kV、60Hz供電；上越新干線采用25kV、50Hz供電；山形新干線采用20kV、50Hz供電。

AT供電方式變電所的容量在100～150MVA之間，變電所間隔60km左右。接入系統電壓主要為154kV、220kV和275kV。

日本要求66kV以上系統的允許總諧波電壓畸變率THD不超過3%。由牽引供電產生的電壓不平衡限值為1.5%(長時間允許值)，2%(短時，不超過10min)。日本新干線采取了嚴格的電能質量控制措施，一般在25kV側設無功補償兼濾波器，容量為6000kvar，串聯12～13%的電抗器，濾除30%以上的三次諧波；在系統側采用靜止無功補償裝置(SVC)，達到濾除諧波、抑制電壓波動、改善三相平衡等作用；

近期采用RPC方式（鐵路靜止功率調整器），用可關斷電力電子器件構成有源功率變換裝置。對于Scott接線牽引變壓器，可以平衡兩供電臂的有功功率、補償無功功率、并同時吸收高次諧波電流，達到綜合治理的目的，該系統已于2002年投入運行，效果良好。4西班牙高速鐵路牽引供電系統西班牙馬德里-塞維利亞高速鐵路，全長471km，1992年4月投入運營。高速鐵路線路基礎設施的設計速度為300km/h，列車實際運行速度可達250～270km/h，采用德國AVE型高速列車。該線路共設12個牽引站，其中9座牽引變電所由一條220kV線路采用輪流換相方式單相供電，3座由一條132kV線路輪流換相供電。25kV側采用交流50Hz直供加回流線供電方式。除一個牽引變電所為三臺20MVA變壓器并列運行外，其他牽引變電所均設兩臺20MVA變壓器并列單相供電。牽引變電所最大供電距離27.3km，變壓器設計50%過載運行15min、100%過載運行6min，每次過載后按不高于額定容量運行6小時后才允許再次過載。西班牙規定負序容量占系統側短路容量的百分數，長時間不大于1.5%，短時間不大于2%。為減少電氣化鐵路的負