1、由于工頻單相交流電氣化鐵道的負荷是單相的，當三相電力系統(tǒng)向它供電時，三相不均衡的負荷將在電力系統(tǒng)中引起負序電流，同時，整流型電力機車使牽引網(wǎng)的電流畸變，產(chǎn)生的諧波電流進入電力系統(tǒng)，這些會都對電力系統(tǒng)的運行產(chǎn)生不良的影響。所以，有必要對這些不良影響和改善措施深入研究。,第8章 交流電氣化鐵道對電力系統(tǒng)的 影響和改善措施,8-1 負序電流及其影響和改善措施 8-2 并聯(lián)電容無功功率補償 8-3 諧波電流及其影響和改善措施,第8章 交流電氣化鐵道對電力系統(tǒng)的 影響和改善措施,8-1 負序電流及其影響和改善措施,任意一個不平衡負荷都可以用對稱分量法分解為正序、負序、零序三組對稱分量。 對牽引供電系統(tǒng)而

2、言，因為牽引變壓器二次側(cè)都采用三角形或不完全三角形結(jié)線，所以零序電流無法流通，即牽引供電系統(tǒng)二次側(cè)不會產(chǎn)生零序分量。所以牽引供電系統(tǒng)的不平衡負荷對電力系統(tǒng)的影響問題，實質(zhì)上就是負序電流對電力系統(tǒng)的影響。,8-1 負序電流及其影響和改善措施,8-1-1 負序電流對電力系統(tǒng)的影響 8-1-2 負序電流的允許值 8-1-3 單相牽引負荷在電力系統(tǒng)中 引起的負序電流 8-1-4 不同結(jié)線型式的牽引變電所 負荷引起的負序電流 8-1-5 減少負序影響的措施,8-1-1 負序電流對電力系統(tǒng)的影響 從兩方面討論：電源方面、用戶方面。 1、電源方面 主要是對同步發(fā)電機的影響。當負序電流通過發(fā)電機定子繞組時，將

3、在定子繞組中產(chǎn)生與正序旋轉(zhuǎn)磁場大小相等方向相反的負序旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子的激磁繞組、阻尼繞組中感應產(chǎn)生兩倍工頻的附加電流，對電源產(chǎn)生以下三個方面的影響： 1）附加電流形成附加損耗，引起額外溫升，嚴重時損害絕緣； 2）限制發(fā)電機的出力； 3）在電機中造成額外的機械應力。,2、用戶方面 主要表現(xiàn)在以下四個方面： 1）對感應電動機的影響； 2）對電力變壓器的影響； 3）對輸電線路的影響； 4）對繼電保護的影響。,8-1-2 負序電流的允許值 也從兩方面討論：發(fā)電機（電源方面）、感應電動機（用戶方面）。 1、發(fā)電機 現(xiàn)行的發(fā)電機運行規(guī)程規(guī)定：發(fā)電機持續(xù)允許不平衡電流值，應遵守制造廠的規(guī)定。 制造廠無規(guī)定時

4、： 1）對于空氣冷卻和氫氣表面冷卻的發(fā)電機，可按下式計算：,2）對于內(nèi)冷發(fā)電機，應通過試驗來確定。 2、感應電動機 通常對10.5kV母線上的允許值按5%考慮。 因為感應電動機在結(jié)構(gòu)上對發(fā)熱有一定裕度，所以國家無明確規(guī)定。,8-1-3 單相牽引負荷在電力系統(tǒng)中引起的負序電流 1、正序電流和負序電流 純單相接線如圖8-1所示。,相應的三相牽引電流為：,(8-1),(8-2),由式5-57可得：,其相量圖如圖8-2所示：,單相負荷在電力系統(tǒng)中引起的不對稱程度用不對稱系數(shù)表示為；,(8-3),2、正序功率和負序功率 如果以I為基準量，則UB和UC的相量關系、相電壓與正序電流的相位關系、相電壓與負序電

5、流的相位關系如圖8-3所示。,（1）正序功率,(8-4),即：正序電流的有功功率等于負載的有功功率。 （2）負序有功功率,(8-5),即：負序電流的有功功率為零。,（3）正序和負序視在功率 正序視在功率為：,(8-6),負序視在功率為：,即：單相負荷的正序視在功率等于負序視在功率，都等于單相負荷的視在功率。,(8-7),8-1-4 不同結(jié)線型式的牽引變電所負荷引起的負序電流 1、純單相結(jié)線 純單相接線如圖8-4所示。,由于變壓器的變比為K=110/27.5=4，所以當兩供電臂牽引負荷分別為I和I時，反應在系統(tǒng)的電流為：,(8-8),所以A相正序和負序電流、電流不對稱系數(shù)和負序功率為：,(8-9

6、),2、V，V結(jié)線 V，V接線及其相量圖如圖8-5所示。,假設兩供電臂負荷相等，功率因數(shù)也相等，并且以IA為基準相量，則有：,(8-10),用對稱分量法可得：,(8-11),3、YN，d11結(jié)線 三相YN，d11結(jié)線時，牽引負荷流入電力系統(tǒng)的情況如圖8-6所示。,3、YN，d11結(jié)線 三相YN，d11結(jié)線時，牽引負荷流入電力系統(tǒng)的情況如圖8-6所示。,三相牽引變壓器就其本身結(jié)構(gòu)而言，是完全對稱的，所以可把它看作是電力系統(tǒng)的一部分。從圖中可看到兩邊供電分區(qū)負載與主變副邊的結(jié)線型式，與V，V結(jié)線形式相似，所以三相牽引變電所在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的負序電流也與V，V結(jié)線相同。即：,(8-11),其他結(jié)線形

7、式的牽引變壓器是專為平衡系統(tǒng)的三相電流而設計采用的。理論上當兩供電臂的電流相等時，系統(tǒng)的三相電流平衡。即便是供電臂負荷不相等時，負序電流也較小。,8-1-5 減少負序影響的措施 可從兩方面改善：電力系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)。 1、電力系統(tǒng)采取的措施 1）在發(fā)電廠或樞紐變電所安裝特殊的同期調(diào)相機； 2）臨時性的過渡措施。 2、牽引供電系統(tǒng)采取的措施 1）采用牽引變電所換相連接的供電方式； 2）牽引變電所采用Scott結(jié)線、平衡牽引變壓器。 這里主要介紹換相連接。,3、這里主要介紹換相連接。 對牽引變電所換相連接的基本要求： 1）對稱； 2）除了單相結(jié)線牽引變電所，其他牽引變電所兩相鄰變電所的供電分區(qū)同

8、相； 3）接觸網(wǎng)分相絕緣器兩端的電壓不超過接觸網(wǎng)的對地電壓； 4）相鄰電氣化鐵路匯合處，如果不設牽引變電所，則考慮各供電臂為同相； 5）三相牽引變電所換相的聯(lián)結(jié)，應考慮重負荷供電臂作為引前相。,4、牽引變壓器的端子標志、聯(lián)結(jié)以及供電臂相序與電力系統(tǒng)相序的關系 （1）三相YN，d11結(jié)線牽引變壓器 其端子標志如圖8-7(a)所示，其聯(lián)接組如圖8-7(b)所示，則，當其副邊C端子接鋼軌、供電臂相序與電力系統(tǒng)相序的關系如圖8-7(c)所示。,（2）單相V，V結(jié)線牽引變壓器 其端子標志如圖8-8(a)所示，為使原、副邊電壓同相，可有兩種聯(lián)接方式，如圖8-8(b)、(c)所示。,（3）三相V，V結(jié)線牽引

9、變壓器 其端子標志和聯(lián)接組如圖8-9所示。,5、牽引變電所換接相序的接線設計步驟和方法 設計步驟： 1）確定各供電臂電壓相序： 單相結(jié)線依次為：-UCA，-UCA；UBC，UBC；-UAB，-UAB。 單相V，V結(jié)線依次為：UCA，-UAB；-UAB，UBC；UBC，-UCA。 三相YN，d11結(jié)線依次為：-UC，UA；UA，-UB；-UB，UC 2）單相結(jié)線和單相V，V結(jié)線，牽引變壓器副邊端子x接鋼軌、地，端子a與接觸網(wǎng)連接。三相YN，d11結(jié)線牽引變壓器副邊端子c接鋼軌、地，端子a,b分別與兩供電臂的接觸網(wǎng)連接，但每隔一個牽引變電所，a,b兩端子交叉，郊外叉的目的是為了滿足左、右兩供電臂所

10、要求的電壓相序，并標出各連接線的對應相別。 3）按確定的各供電臂電壓相序完成各牽引變電所牽引變壓器原邊各端子到電力系統(tǒng)的對應連接。對三相YN，d11結(jié)線牽引變壓器，一般按重負荷相進行排列。,設計方法： （1）單相牽引變電所的換相連接 對于單相牽引變電所的換相連接就是把各牽引變電所的變壓器輪換著接到電力系統(tǒng)的不同相上。如圖8-10所示。,圖8-10所示換相連接電路有一較大缺點，即兩相鄰供電分區(qū)間接觸網(wǎng)分相器上要承受31/2倍牽引網(wǎng)電壓。以牽引變電所I、II為例，接于變電所I的接觸網(wǎng)對地電壓為UCA，而接于變電所II的接觸網(wǎng)對地電壓為UAB。因而這兩個電壓在相位上相差120，如圖8-11所示，則兩

11、個供電分區(qū)間的分相絕緣器上的電壓應為兩者之間的相量差。,為了避免分相絕緣器承受電壓過高，在實際應用中都采用相鄰變電所反相接地的方法，其接線如圖8-12所示。,（2）單相V，V結(jié)線牽引變電所的換相連接 單相V，V結(jié)線牽引變電所的兩臺單相變壓器不是并聯(lián)運行，而是跨接在三相系統(tǒng)上，分別對兩個供電分區(qū)供電，所以其換相連接如圖8-13所示。,在實際設計與施工中，多采用變壓器次邊同名端接地方式，以便于運行與維護，其接線方法如圖8-14所示。,（3）三相牽引變電所的換相連接 三相牽引變電所的換相連接，是指其重負荷相的相序排列而言的。其接線方式如圖8-15所示。,應當注意：實際上加于牽引網(wǎng)的電壓的相號同變壓器

12、繞組的接線方式有關。圖8-15所示三相變壓器的繞組接線為我國目前普遍采用的YN，d11接線。對于牽引網(wǎng)，例如變電所I其左側(cè)供電分區(qū)電壓實際為Ucb，而右側(cè)供電分區(qū)電壓為Uab，將圖8-15中變電所I的接線關系詳細描述如圖8-16所示。,（4）三相共軛式V，V結(jié)線牽引變電所的換相連接 確定各供電臂電壓相序依次為UCA，-UAB；-UAB，UBC；UBC，-UCA。 各牽引變電所牽引變壓器原邊V結(jié)線頂點依次接入電力系統(tǒng)的A相、B相、C相。 三個牽引變電所原、副邊端子的接線如下： I*號變電所牽引變壓器副邊端子a2與x1連接為C，接鋼軌、地，標為A；端子b(x2)與左邊供電臂連接，標為C；端子a(a

13、1)與右邊供電臂連接，標為B。原邊端子B（X2）、A（A1）分別接入電力系統(tǒng)的C相、B相。 II*號牽引變電所牽引變壓器副邊端子b(a2)、a(x1)分別與左、右供電臂連接，都標為B；端子X2與a1連接為c，接鋼軌、地，對應標為A、C。原邊端子B（X2）、A（A1）分別接入電力系統(tǒng)的A相、C相。 III*號牽引變電所牽引變壓器副邊端子a2與x1連接為c，接鋼軌、地，標為C；端子b(X2)與左邊供電臂連接，標為B；端子a(a1)右邊供電臂連接，標為A。原邊端子B（X2）、A（A1）分別接入電力系統(tǒng)的B相、A相。最后結(jié)果如圖8-17所示。,三個牽引變電所共換了三次相，對電力系統(tǒng)而言，也是三個牽引變

14、電所構(gòu)成一個換相循環(huán)。依此類推。,單、三相結(jié)線的牽引變電所依次、對稱換相連接結(jié)線如圖8-18圖8-23所示。,8-2 并聯(lián)電容無功功率補償,8-2-1 無功功率補償概述 8-2-2 并聯(lián)電容無功補償?shù)淖饔煤驮?8-2-3 補償方案 8-2-4 并聯(lián)電容補償?shù)闹鹘泳€ 8-2-5 靜電電容器組的運行 8-2-6 可調(diào)并聯(lián)補償裝置,8-2-1 無功功率補償概述 1、功率因數(shù)低的不良影響 （1）降低發(fā)電機組的輸出能力和輸變電設備的供電能力，使電氣設備的效率降低，發(fā)電和輸變電的成本提高。電氣設備的視在功率為：,(8-12),（2）增加輸電網(wǎng)絡中的電能損失。有功功率損失為：,(8-13),（3）增加輸電

15、網(wǎng)絡中的電壓損失。引起電力用戶的供電電壓不足。,2、功率因數(shù)標準 全國供用電規(guī)則關于功率因數(shù)的規(guī)定如下： “無功電力應就地平衡。用戶應在提高用電自然功率因數(shù)的基礎上，設計和裝置無功補償設備，并做到隨其負荷和電壓變動及時投入或切除，防止無功電力倒送。用戶在當?shù)毓╇娋忠?guī)定的電網(wǎng)高峰負荷時的功率因數(shù)，應達到下列規(guī)定： 1）高壓供電的工業(yè)用戶和高壓供電裝有帶負荷調(diào)整電壓裝置的電力用戶，功率因數(shù)為0.90以上； 2）其他100kVA及以上電力用戶和大、中型電力排灌站，功率因數(shù)為0.85以上； 3）農(nóng)業(yè)用電，功率因數(shù)為0.80。 凡功率因數(shù)不能達到上述規(guī)定的新用戶，供電局可拒絕接電。未達到上述規(guī)定的現(xiàn)在用

16、戶，應在23年內(nèi)增添無功補償設備，達到上述規(guī)定。對長期不增添無功補償設備又不申明理由的用戶，供電局可停止或限制供電?！?3、提高牽引負荷功率因數(shù)的措施 1）提高用電自然功率因數(shù)； 2）在牽引變電所牽引側(cè)裝設并聯(lián)電容器補償裝置。,8-2-2 并聯(lián)電容無功補償?shù)淖饔煤驮?1、提高功率因數(shù)。 如圖8-24所示，在電路中并聯(lián)XC，可將牽引變壓器中流過的電流減小，牽引側(cè)的功率因數(shù)得到提高。,2、改善電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，提高牽引變電所牽引側(cè)母線電壓。 在圖8-24中，如果電源電壓保持不變，則未補償和補償后的電壓方程式分別為：,(8-14),(8-14),可變換為：,3、減少電力系統(tǒng)電能損失。 4、吸收諧

17、波電流，具有濾波作用。,8-2-3 補償方案 共有三種： 1）采取牽引側(cè)滯后相集中補償； 2）牽引側(cè)兩相等容量補償； 3）牽引側(cè)兩相不等容量補償。,8-2-4 并聯(lián)電容補償?shù)闹鹘泳€ 并聯(lián)電容補償裝置的兩種主接線如圖8-25所示。,主接線的主要設備有： 1）并聯(lián)電容器組； 2）串聯(lián)電抗器； 3）斷路器； 4）隔離開關； 5）電壓互感器； 6）電流互感器； 7）避雷器； 8）熔斷器。 并聯(lián)電容補償裝置也是由多臺電容器串并組成的，其計算方法與串聯(lián)電容補償裝置相似。由于該裝置是露天裝設，并且并聯(lián)在牽引側(cè)，會有高次諧波通過電容器，所以還要考慮多方面因素對電容器組的影響。為了更合理地選擇并聯(lián)電容并聯(lián)電容補

18、償裝置的容量，還要考慮供電臂帶電概率等因素。,8-2-5 靜電電容器組的運行 1、牽引供電系統(tǒng)電壓、電流畸變時，靜電電容器組的工作情況 由于采用大功率整流型的電力機車，造成牽引供電系統(tǒng)的電壓波形發(fā)生畸變，嚴重時會使電容器成倍地過負荷，造成電容器嚴重損壞，甚至無法運行。且波形畸變越嚴重，電容器的功率損失也將越大。 （1）波形畸變后的電流,(8-15),（2）波形畸變后的功率損失 無功功率損失為：,(8-17),有功功率損失為：,(8-16),2、運行電壓的影響 用作交流電氣化鐵道供電系統(tǒng)的無功補償裝置，實際上是一組串并聯(lián)電容器，它跨接在供電臂與牽引軌之間，所以它的運行電壓就是接觸網(wǎng)電壓。電容器組

19、兩端的電壓，就決定其無功出力、功率損耗、溫升和壽命等問題。 在正弦波電壓情況下，電容器的無功功率出力為：,(8-18),可見，若靜電電容的運行電壓比額定電壓低很多時，無功功率的輸出將大為減少，就起不到應有的無功補償作用，這是不允許的。相反，若運行電壓升高，則將會使電容器的發(fā)熱和溫升都增加。 由介質(zhì)損失引起的有功功率損失為：,(8-19),其隨著電壓的平方而變化，運行電壓升高后，使電容器的溫度顯著增加，熱平衡遭到破壞，最后導致電容器的損壞。,3、靜電電容器組的保護 從上面的討論中可知，并聯(lián)靜電電容器的過電流和過負荷，主要是由運行電壓的升高和電壓波形的畸變兩個原因引起的。 我國規(guī)定，靜電電容器可以

20、允許在不超過1.3倍的額定電流下長期工作。當電容器組的過電流超過允許范圍時，應裝設能切除補償裝置的過負荷保護，將電容器組從電源上斷開。而對于電容器本身的故障，如極板絕緣擊穿和接地等故障，應將故障電容器及時切除。 因補償裝置的電容器串聯(lián)級數(shù)較多，所以在電容器發(fā)生故障時，裝置的總電流變化不大，這種情況過電流保護是不會動作的，如圖8-26所示，一臺電容器絕緣擊穿后，與它并聯(lián)的電容器會向它放電，從而增加了加劇了故障的擴大。 為了避免這種情況的出現(xiàn)，通常采用以下措施：1）將電容器內(nèi)的熔絲與每個元件并聯(lián)；2）在電容器外部用熔斷器保護；3）差動保護；4）諧波過電流保護；5）差壓、電流速斷保護；6）按母線電壓

21、升高量進行自動投切電容組的保護。,8-2-6 可調(diào)并聯(lián)補償裝置 可調(diào)并聯(lián)補償裝置常用的是技術上較成熟且成本相對低廉的TSC（晶閘管投切電容器裝置）。 1、TSC的構(gòu)成 如圖8-27所示。,2、補償電容器組支路數(shù)選擇原則 TSC分組越多調(diào)節(jié)越平滑，跟隨負載變化能力越強，但投資也越大，綜合考慮之后，通常采用兩大組，每組再設幾個支路，根據(jù)運行需要靈活投切電容器組。 TSC具有數(shù)據(jù)監(jiān)測功能及遠動接口，可以實現(xiàn)整套裝置的遙測、遙調(diào)及遙控。可根據(jù)牽引網(wǎng)電壓的變化自動確定電容器組的投切組數(shù)，也有人工手動功能。 研究結(jié)果表明，當牽引變電所供電臂空載概率不很大時，用適量的一組TSC就能達到所要求的功率因數(shù)。若采

22、用多組TSC則可更理想地達到所要墳的功率因數(shù)和減少網(wǎng)壓波動，同時減少對供電系統(tǒng)的諧波影響。,8-3 諧波電流及其影響和改善措施 電氣化鐵道所采用的交-直流式電力機車，是電力系統(tǒng)重要諧波源之一。在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，非線性負荷日益增多，諧波造成危害的機率和程度也隨之增加。為保障系統(tǒng)供電質(zhì)量和用戶設備的安全，目前世界各國對諧波的管理較為重視，不少國家都根據(jù)本國的具體情況，制定了限制諧波的試行標準。因此，要對工頻單相交流制的電氣化鐵道采取有效的措施來抑制諧波。,8-3 諧波電流及其影響和改善措施,8-2-1 電力牽引負荷諧波電流的產(chǎn)生和諧波對電力系統(tǒng)的影響 8-2-2 電氣化鐵道的諧波允許值 8-2-3

23、 減少諧波影響的措施,8-3-1 電力牽引負荷諧波電流的產(chǎn)生和諧波對電力系統(tǒng)的影響 1、諧波的產(chǎn)生 我國電氣化鐵道采用單相工頻交流制供電，電力機車的受電弓由接觸網(wǎng)獲取電流，經(jīng)過降壓變壓器、整流裝置、平波電抗器、驅(qū)動直流牽引電機，經(jīng)鋼軌流回牽引變電所。由于機車變壓器器、整流器、平波電抗器等的影響，使機車原邊電流發(fā)生畸變，交流側(cè)不再是正弦波，包含著豐富的諧波成分。 2、諧波對電力系統(tǒng)的影響 （1）高次諧波電流可能引起電力系統(tǒng)內(nèi)的共振現(xiàn)象 如圖8-28所示，電力系統(tǒng)感抗與電容器容抗相并聯(lián)，則有：,(8-20),當基波頻率為f1時，則并聯(lián)諧振頻率為：,(8-21),（2）對發(fā)電機的影響 包括以下四個方面： 1）引起額外的振動扭矩； 2）諧波電流流入三相定子繞組時，還增加定子繞組和定子鐵心的附加電能損失和發(fā)熱； 3）引起轉(zhuǎn)子激磁繞組的附加發(fā)熱； 4）引起阻尼繞組過熱，以致?lián)p壞。 （3）對感應電動機的影響 當流過感應電動機的諧波電流增大時，對其影響主要表現(xiàn)在以下兩方面： 1）使諧波功率損失增大； 2）使附加發(fā)熱增大。,（4）對電容器和串聯(lián)電抗器的影響 1）增加電容器額外的電和熱的影響 諧波電流流入電容器后，電容器的實際電壓、工作容量、合成電流等于對應的額定值乘上一個大于1的系數(shù)，因此會引起電容器的過電壓、溫升過高，過負荷，電容器要承受額外的電和熱的影