（电力系统及其自动化专业论文）电气化铁路对徐州电网的影响.pdf

a b s t r a c t s i n g l e p h a s ea ct r a c t i o nm o d eu n d e rp o w e rs y s t e mf r e q u e n c yi so n eo ft h ea d v a n c e d a n dp o p u l a re l e c t r i f i e dr a i l w a yt r a c t i o nm o d e si nt h ew o r l d b u t a tt h es a m et i m e n e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t h a r m o n i ca n dp o w e rf l u c t u a t i o no c c u rw i t ht h i sk i n do f t r a c t i o nm o d e t h e s ea f f e c tq u a l i t yo fp o w e rs y s t e m r e d u c er e l i a b i l i t yo fp o w e r s u p p l y t h r o u g ht h es t u d yo ft h ea c t u a lc a s eo ni n f l u e n c eo fe l e c t r i f i e dr a i l w a yo nt h e g r i do fx u z h o u t h i sp a p e ra n a l y s e st h ei m p a c to ft h ee l e c t r i f i e dr a i l w a yo nt h e g r i do f x u z h o uu n d e r l l o k v j o i n ts c h e m e s a n d g r i do p e r a t i o n m o d eb y l e v e la n dd i s t r i c t w h e ne l e c t r i f i e dr a i l w a yo n l ya d o p to r d i n a r yc o m p e n s a t i o nm e t h o d s j o i n ts c h e m e sa n d m e a n s t or e d u c e t h e i m p a c t o fe l e c t r i f i e dr a i l w a ya r ed i s c u s s e d f i r s t t h i sp a p e ra n a l y s e st h es u p p l ym e t h o do fe l e c t r i f i e dr a i l w a y p o i n t so u tt h a t r e a s o no ft h eo c c u r r e n c eo f n e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t h a r m o n i ca n dp o w e r f l u c t u a t i o nd u et oa c d ct r a c t i o nm o t o ra n ds i n g l e p h a s et r a c t i o nm o d e a l s ot h e c o m p e n s a t i o nm e t h o d so r d i n a r ya d a p tb yr a i l w a ya r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt on a t i o n a lp o w e rq u a l i t ys t a n d a r d sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r i f i e dr a i l w a y t h em o d e lo ft r a c t i o nt r a n s f o r m e rh a sb e e ns e tu p a n dw a y s o fs i m u l a t i o na r ea l s oc o n f i r m e dt h r o u g hr e s e a r c h c a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o na b o u t n e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t h a r m o n i co ft h ee l e c t r i f i e dr a i l w a yo nt h ei m p a c to ft h e g r i do fx u z h o uw e r ep e r f o r m e d r e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo fe l e c t r i f i e dr a i l w a yo nt h eg r i do fx u z h o uu n d e r l l o k vj o i n ts c h e m e sa n dg r i do p e r a t i o nm o d eb yl e v e la n dd i s t r i c tr e v e a l st h a to nt h i s s i t u a t i o nn e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t h a r m o n i ca n dp o w e rf l u c t u a t i o nc a u s e db yt h e e l e c t r i f i e dr a i l w a yw i l lb r i n gs o m ep r o b l e m s s u c ha sp o w e rq u a l i t yo fp c cw i l l e x c e e dl i m i t sa n dt h en e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n tf l o wi n t ot h en e a r b ys m a l lg e n e r a t o r s w i l la l s oe x c e e di t sl i m i t s m e a n w h i l e t h ec o m p e n s a t i o nm e t h o d so r d i n a r ya d a p tb y r a i l w a yh a v en oo rm i n o re f f e c t s i nt h i sp a p e r s o m ej o i n ts c h e m e sa n dm e t h o d sa r ep u tf o r w a r da n dd i s c u s s e d i n o r d e rt oa c c o n o d a t ew i t ht h eg r i do p e r a t i o nm o d eb yl e v e la n dd i s t r i c t s u c ha s e l e c t r i f i e dr a i l w a yu s eo n l yt r a n s f o r m e rs c h e m e b k b ks c h e m e 2 2 0 k v j o i n ts c h e m e a n ds v cc o m p o n s a t i o ns c h e m e k e y w o r d e l e c t r i f i e d r a i l w a y t r a c t i o n t r a n s f o r m e r h a n n o n i c n e g a t i v e s e q u e n c e c m m n t j 0 i n ts c h e m e 学位论文独创性声明 本人声明所呈 交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽 我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意 签名 耻日期 丛川 关于学位论文使用授权的说明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论 文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包 括刊登 授权东南大学研究生院办理 签名 坠聊虢翌日瓤一主型 型 东南大学工程硕士学位论文电气化铁路对徐州电鼹的影响 第一章绪论 1 1 引言 电气化铁路具有速度快 运输能力强 供电距离长 节约能源与造价 牵引性能好等优 点 因而具有广阔的发展前景 是世界以及我国铁路发展的方向 广泛地应用于铁路运输之 中 1 9 8 6 年中国铁路牵引动力政策由 内电并举 以发展内燃机车为主 改为 大力发展 电力牵引 合理发展内燃牵引 以及发展 重载高速 机车后 电气化铁路得到迅速发展 并由内地向沿海经济发达地区延伸 据2 0 0 0 年统计资科 电气化铁路里程约占我国国家铁 路营业里程2 7 但承担了我国铁路运量的4 5 至2 0 0 4 年 我国铁路电气化线路已达到 1 9 3 0 3 2 k m 我国采用的单相工频交流牵引是当今世界比较先进也是应用比较广泛的铁路电力牵引 制式 但是 自其出现以来 就存在着一些问题 电气化铁路产生的负序 谐波 冲击严重 地恶化了电网电能质量 降低了电网供电的可靠性 而另一方面随着高新技术产业的发展 设备自动化水平的提高 用户对电能质量提出了比传统的机电产品更新更高的要求 由于电 压下降 谐波等电能质量问题将使产品质量下降甚至导致生产过程中断 造成巨大的经济损 失 因此 电气化铁路引起的电能质量问题引起了电力部门的严重关注 i 2 研究意义 据不完全统计 自国内电气化铁路投运以来 在电网结构薄弱的地区 电铁谐波与负序 电流已引发过2 0 0 m w 发电机跳闸 陕西 山西 河南 贵州等省的电网大面积停电或系统解 列 电网产生局部谐振 发电机转子损坏 继电保护非正常频繁启动 用户电动机和电容器 大量烧坏 小火电厂不能就近并网等一系列危害 使社会 电力部门和用户蒙受了巨大的经 济损失 九十年代后 随着电力系统的发展 系统承受能力的增强 电气化铁路对电网的影 响有所减小 但近年来 随着5 0 0 k v 超高压电网的逐渐扩大 2 2 0 k v 和1 l o k v 将逐步实行分 层分区运行 电气化铁路接入的i l o k v 电网的短路容厦大幅度下降 电气化铁路对电网的影 响又将显现 而与十几年前不同的是 目前电网中对电能质量敏感的负荷也大大增多了 目前 除哈大线 哈尔滨一大连 以2 2 0 k v 电压等级供电外 因东北电网无l l o k v 电压 等级 国内其余地区电铁负荷均以l l o k v 电压等级供电 而这些地区2 2 0 k v 和1 1 0 k v 电网 仍合环运行 短路容量相对较大 与江苏电网的情况有明显不同 根据铁路部门的规划 东陇海铁路 徐州一连云港 京沪铁路江苏段均将实现电气化 京沪高速也将采用电气化牵引方式 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 i 3 相关问题的研究现状 电气化铁路的供电是通过铁道部门沿线建立若干个牵引变电站 每个牵引站一般由电力 系统l l o k v 双电源供电 经牵引变压器降压为2 7 5 k v b t 方式供电 即吸流变压器一回流线 方式或带回流线的直接方式供电 或5 5 k v a t 方式供电 即自耦变压器方式 后通过牵引网向 电力机车供电 电力机车采用2 s k y 单相工频交流电压 经金波整流后驱动直流牵引电动机 3 东南大学工程硕士学位论文电气化铁路对徐州电网的影响 目前我国运行的电力机车大多为这种交一直电力机车 负序功率大 谐波含量丰富 功率因 数低是这种类型电气亿铁路的三个主要特征 同时也伴随着牵引负荷的剧烈波动 而交一直 一交机车的功率因数较高 谐波较小 但目前应用仍很少 其负序的问题仍存在 1 3 1 国内的研究 1 3 1 1 电气化铁路负荷引起问题的实测和分析 自1 9 6 4 年我国第一条电气化铁路宝凤铁路运行后 电气化铁路引起的谐波 负序 功 率因数 负荷波动的问题就严重影响电网 发电机组和其它用户的正常安全运行 8 0 年代 在山西多次发生机组跳闸 电网解列和电力设备故障 引起电力部门的高度重视 并在1 9 8 7 1 9 8 8 年由原水电部 铁道部组织十几个单位1 3 0 余人对丰沙大和北同蒲电气化铁路进行 了联合测试 并由此引发电力部门 铁路部门对测试方式方法 取值 标准的大讨论 至 今仍无结果 由于电铁负荷波动剧烈且影响因素多 机车型号和牵引变型式不同 接入点电网的情况 各不相同 因此实测仍是发现和解决问题的主要手段 研究和分析的对象包括发电机 继电 保护装置 计量设备 无功补偿装置 电动机等 以及牵引负荷的变化规律与电网运行方式 的关系 随着铁路速度的一再提升 以及未来高速铁路的建设 牵引动力的要求猛增 这是 由于列车空气阻力随速度的平方而上升 在1 2 0 k m h 下 单位列车质量所需功率为3 k w t 而3 0 0 k m h 下 单位列车所需功率为1 8 k w t 电气化铁路对电网的影响随着铁路速度的提 高和牵引负荷的增加越来越大 1 3 1 2 电能质量标准的研讨和分析 1 9 9 0 年后 主要由电力部门牵头编写 国家技术监督局相继出台了谐波 负序 电压不 平衡度 电压波动和闪变 电压偏差等6 个电能质量国家标准 但在执行中遇到很多困难 铁路方面对于与之密切相关的谐波和负序标准反应强烈 认为不适用与电气化铁路 并以谐 波标准为推荐标准 g b t 为由暂不执行 在电能质量标准方面 电力和铁路的专家一直存 在较多的分歧 并从各自的立场进行阐述分析 1 3 1 3 对电气化铁路引起的电能质量问题的预测与治理 由于电气化铁路对电力系统的负面影响很大 因此各个地区电力部门在电气化铁路接入 前都对接入方案 接入后的影响进行评估和研究 并安装电能质量在线监测装置对投运后的 电铁负荷进行监测 但各地的重视程度各不相同 铁路方面也有一些相关研究 但由于铁路 方面缺少电网资料 其研究结果缺乏可信度 在治理方面 国内进行理论研究的多 而实际应用的较少 涉及到无源滤波 f c 有 源滤波 a p f 静止无功补偿装置 s v c s v s m c r 型s v c 静止无功发生器 s v g 等 电力方面由于向电铁供电的电压等级高 1 l o k v 及以上 投资大 且本着 谁污染 谁治 理 的原则 因此基本不采取主动的治理措施 目前仅有华北电网在秦皇岛两个向牵引变供 电的变电所主变l o k v 侧将原无功补偿改造为滤波器 1 取得一定效果 而铁路部门在治理 方面试验的多 应用的少 除平衡变压器应用较多外 但除非电力部门坚持 铁路部门不会 主动采用平衡变压器 滤波器 3 5 7 次多支路 m c r 磁控电抗器 型s v c 1 多功 能平衡变压器 有滤波功能 1 均只有少量试用 目前铁路部门仍坚持只在牵引变安装固定 的3 次滤波兼无功补偿 其对谐波的滤波效果有限 根本达不达国家标准的要求 同时由于 采用固定无功补偿 无法适应电气化铁路负荷急剧波动 无功倒送现象非常普遍 4 东南大学工程颈士学位论文电气化铁路对徐州电网的影响 1 3 1 4 电力机车 牵引站负荷仿真 国内一些院校在电力机车和牵引站负荷仿真方面作了一些研究 如西南交大 西安交大 等 但电气化铁道负荷波动起伏 变化急剧 电力机车在电气化铁路上运行时其电流特性受 多方面因素影响 使电力机车负荷及牵引变电所负荷均呈现出无规律的波动性 1 3 1 5 设备制造研究 对电力机车 牵引变压器 牵引接触网设备的研究均较多 其中平衡牵引变压器是国内 具有自主技术专利上的产品 1 3 2 国外的研究和应用 由于历史原因 各国对电气化铁道供电的方式有着很大的不同 一般说来 共有3 种不 同的系统 1 种工作于直流 直流3 k v 牵引供电方式 2 种工作于交流 1 欧美一些国家在电气化铁路领域由于历史的原因采用一个比电网频率低的单相交流系 统进行供电 美国选取的供电频率是2 5 hz 这个频率在北美洲应用比较广泛 单相交流 1 6 7 h z 1 5 k v 牵引供电方式被用在德国 奥地利 瑞士和斯堪的纳维亚 瑞典和挪威 铁路系统采用的是独立的发电系统 运行费用过于昂贵 因此近年来逐渐采用电力系统区间 互联中十分成熟的背靠背的变频站的供电方式 与中国电气化铁路供电方式相近的包括英国 法国 澳大利亚 新西兰 日本等 采用 单相交流5 0h z 或6 0h z2 5 k v 供电方式 5 0h z 或6 0h z2 s k y 供电方式 目前国外的研究 主要在机车和相关牵引接触网设备的研究上 一方面国外铁路运输已基本不发展 另一方面 其谐波和负序的问题通过采用滤波器和s v c 也基本得到解决 新西兰采用2 2 0 k v 供电 在每 个牵引站安装了3 5 7 次滤波器 澳大利亚电气化铁路也在每个牵引站安装3 5 7 次滤 波器 并在大多数牵引站安装了三相t c r 型s v c 日本电气化铁道的进线电压与我国相近 但非常重视电能质量 新干线牵引变电所视情况安装有3 次或3 5 7 次滤波器 使用三相 一两相 s c m 牵引变压器 还有大量的可调无功补偿装置 如静止无功补偿器 s v c 静 止不平衡补偿器 s u c 静止无功发生器 s v g 等 对适用于s c o t t 接线系统的二相s t a t c o m 也称为能量融通型补偿装置 r a i l w a yp o w e r c o n d i t i o n e r 简称r p c 也进行过样机试验 法国电气化铁路进线电压高 系统容量大 使负序的影响降到最低 多采用单相牵引变压器 或特殊情况下改接成v v 接线 在电力机车内安装有3 5 7 次滤波器 1 4 本文的主要工作 综上所述 在江苏电网分层分区运行方式 电气化铁路以l l o k v 接入且只采取常规的滤 波和负序补偿措施的情况下 电气化铁路对电网的影响较大 选择合适的电气化铁路供电方 案和运行方式 采取适当的措施是值得认真研究的课题 本文希望通过对徐州电气化铁路分析计算 对电铁负荷的特性 接入方案的选择及其对 电网的运行方式 电能质量 发电机 无功补偿装置等的影响进行研究 提出措施和建议 本文从上述分析相关问题的研究现状和工程实际需要出发 结合实际现场运行的需要 提出了电网分层分区运行条件下电气化铁路以l l o k v 电压等级接入对电网电能质量 小机 组 供电变压器和无功补偿装置运行 系统运行方式的影响 主要在电气化铁路对电网电能 质量影响的评佶 治理和措施方面进行了研究 主要工作和成果如下 1 对电气化铁路产生谐波 负序和无功电压波动的原因进行了分析 通过徐州电气化铁路 接入电网的实际例子 对评估的取值和评估方法进行了研究 进行了谐波和负序对电网 5 东南大学工程硕士学位论文 电气化铁路对徐州电网的影响 和发电机组影响的分析计算 指出电气化铁路由于其流动的特点 是目前电网中对电网 电能质量和安全经济运行影响最大也是最难进行治理的非线性负荷 其对电网的影响主 要表现在谐波 负序和无功电压波动方面 电气化铁路对电网影响大除了其非线性的负 荷特性外 铁路部门不积极采取治理措施也是重要原因 应引起电力部门的足够重视采 取预防措施 2 通过计算分析指出在江苏电网分层分区运行和电气化铁路l l o k v 接入情况下 电气化铁 路的接入很容易引起接入点电能质量超标和小机组负序电流超标 铁路方面采取的常规 治理措旋效果有限或失去效果 3 对电气化铁路应用的不同的牵引变压器类型 主要是单相牵引变压器和阻抗匹配平衡牵 引变压器的特点进行了分析 指出不同类型的牵引变压器对电网负序的影响是不同的 特别是在目前负序治理缺乏经济有效手段的情况下 应明确要求铁路部门采用负序污染 较小的阻抗匹配平衡牵引变压器 并要求铁路部门采用多支路滤波 直挂式s v c 等治理 措施 4 提出了在电网分层分区运行和电气化铁路l l o k v 接入情况下 电力系统可以采取的几种 治理措施 接入方案 如2 2 0 k v 电网接入 铁路专用变压器供电方案 背靠背供电方式 s v c 治理方案等 6 东南大学工程硕士学位论文电气化铁路对徐州电同的影响 第二章徐州电气化铁路对电网的影响 2 i 电能质量概述 电能是一种经济 清洁并且易于控制和转化的能源 在更加注意环境保护 绿色消费的 二十一世纪 电能成为终端能源消耗的主要形式 电能又是电力企业向电力用户提供的一种 特殊产品 作为市场经济中的产品 商品 就必须像其他产品一样讲究质量 随着社会对商 品质量认识的提高 电能质量自然成为供用电各方关注的热点 随着电力需求的不断增长 特别是高耗能的钢铁 电解行业负荷的快速增长 系统中 各种电力电子设备 非线性负载及冲击性负载不断增加 使得电网中的谐波 三相不对称 电压波动和闪变等电能质量指标日益严重 引起变压器过热 网损增加 计量仪表误差 设 备寿命降低 维电保护和自动控制装置的误动作等 对电力系统的正常运行造成严重危害 而另一方面 随着科技的进步 现代工业的发展 各种高精度 高技术含量的生产过程对电 网中的电压 频率等电能质量提出了更高的要求 在现代企业中 由于变频调速设备 机器 人 自动生产线 精密的加工工具 可编程控制器 计算机信息系统的日益广泛应用 对电 能质量提出了日盏严格的要求 这些设备对电压的波动和各种于扰十分敏感 任何供电质量 的恶化都将影响这些设备工作的正确性 对生产过程和产品质量造成危害 电力系统的安全经济运行依赖于对电能质量的控制 电力系统是一个整体 一旦局部受 到污染和干扰而造成区域性的故障 有可能酿成系统事故 2 1 1 电能质量指标分类 电力系统中各种扰动引起的电能质量问题主要可分稳态和暂态两大类 稳态电能质量问 题以波形畸变为特征 主要包括谐波 问谐波 波形下陷以及噪声等 暂态电能质量问题通 常是以频谱和暂态持续时间为特征 可分脉冲暂态和振荡暂态两大类 i e e e 给出了电能质 量 p o w e rq u a l i t y 的技术定义 合格电能质量的概念是指 给敏感设备提供的电力和设 置的接地系统是适合于该设备正常工作的 同时对电能质量问题进行了比较系统的分类 见 表2 1 表2 1i e e e 制定的电力系统电磁现象的特性参数及分类 类别典型频谱典型持续时间典型电压幅值 纳秽级 5 n s 上升 i r e s 瞬变现象 低频 5 k h z0 3 5 0 m s 0 4 p u 振荡中频 5 5 0 0 k h z2 0 us 0 8 p u 高频0 5 5 m h z 5 us 0 4 p u 短时间电压暂降0 5 3 0 周波 0 i 0 9 p u 波动 瞬时 暂升 0 5 3 0 周波 1 1 1 8 p u 7 东南大学工程硕士学位论文电气化铁路对徐卅i 电网的影响 中断0 5 周波 3 s o 1 p u 暂时 暂降 3 0 周波 3 s 0 i 0 9 p u 暂升3 0 周波 3 s1 i i 4 p u 中断3 s i m i n i m i n 0 o p u 欠电压 i m i n 0 8 0 9 p u 变动 过电压 i m i n 1 1 1 2 p u 电压不平衡 稳态0 5 2 直流偏置稳态 0 0 1 谐波 0 1 0 0 t h 稳态 0 2 0 波形畸变间谐波 0 6 k l z 稳态 0 2 陷波稳态 噪声宽带 稳态0 1 电压波动 2 5 1 1 z 间歇 0 1 7 工频变化 2 5 2 i i 1 4 2 工频过电压 1 1 0 及2 2 0 1 3 1 0 p u v 矗 谐 3 5 6 6压 振过电压和操作过电 3 1 01 1 压压 1 0 p u g b t 电能质量注1 以指工频峰值电压妊 3 1 8 4 8 1 暂时过电2 6 p 2 5 2 i 和 2 5 2 i i 分别指线路断3 除统计过电压 不 压和瞬态路器两侧变电所的线路小于该值的概率为 2 0 0 1 过电压 2 操作过电压限值 0 0 2 外 凡未说明的 空载线路合闸 单相重合闸 成功的三相重合 操作过电压限值均为 闸 非对称故障分闸及振荡解列过电压限值 最大操作过电压 不 电压等级 k v 过电压限值 p u 小于该值的概率为 5 0 02 旷 0 0 0 1 4 3 3 02 2 4 瞬态过电压还对空 1 1 0 2 5 2 3 0 载线路分闸过电压 断 表示该过电压相对地统计操作过电压 路器开断并联补偿装 置及变压器等过电压 限值作出了规定 9 东南大学工程硕士学位论文电气化铁路对徐州电网的影响 2 2 电气化铁路的供用电 电气化铁道是由电力机车和牵引供电装置组成的 牵引供电装置一般分成牵引变电所和 接触网两部分 所以人们又称电力机车 牵引变电所和接触网为电气化铁道的 三大元件 我国电气化铁路采用工频单相交流制 向电气化铁路供电的牵引供电系统由分布在铁路 沿线的牵引变电所及沿铁路架设的牵引网组成 为了保证供电的可靠性 由电力系统送到牵 引变电所的高压输电线路均为双回路 2 2 1 电力机车 中国的电力机车 1 从早期的引进和仿制发展到批量生产第一代和第二代电力机车 引 进并采用大量先进技术 研制成功多种先进的第三代电力机车 自主研制成功交流传动的第 四代电力机车 目前国内大规模使用的为采用相控整流交直传动技术的第三代电力机车 采 用变频调速交流传动的第四代电力机车尚未投入实际使用 以目前干线货运主力车型龆山 i v s s 4 电力机车为例 它采用由不等分3 绕组变压器供电的由大功率晶闸管和二极管组 成的4 段半控桥式整流调压电路 机车功率6 4 0 0 k w 2 2 2 牵引变电所和供电臂 牵引变压器 牵引变电所的功能是将三相 两相 的1 1 0 k v 2 2 0 k v 高压交流电变换为两个单相2 7 5 k v 的交流电 低压侧两相输出端分别与牵引网的上 下行两个方向的接触网相连 并向接触网 额定电压为2 5 k v 供电 牵引变电所每一侧的接触网都称作供电臂 该两臂的接触网电 压相位一般是不同相的 一般是用耐磨的分相绝缘器 相邻牵引变电所闻的接触网电压一般 为同相的 其间除用分相绝缘器隔离外 还设置了分区亭 通过分区亭断路器 或负荷开关 的操作 实行双边 或单边 供电 国内电气化铁路牵引变压器从6 0 年代早期广泛应用的y n d l l 三相双线圈接线到7 0 年代 的单相 单相v v 接线 8 0 年代的s c o t t 三相变两相 十字交叉三相二线圈 9 0 年代阻抗 匹配平衡 1 f n d l l 不等容 低阻抗高过载等各种牵引变压器均有应用 目前应用较多的是单 相牵引变压器 包括v v 接线的变压器 三相牵引变压器如三相双绕组y i v d l l 接线的变压 器和三相 二相牵引变压器如阻抗匹配平衡变压器 l o 东南大学工程硕士学位论文电气化铁路对徐州电网的影响 ab 亡 8 1 l i 蓉统 一巍q 艨 l ti 2 2 3 牵引网 d a 单相牵引变压器 b v v 接线的变压器 c 1 f n d l l 接线的变压器 d 阻抗匹配平衡变压器 图2 1 各种牵引变压器示意图 牵引供电回路的构成是 牵引变电所 馈电线 接触网 电力机车 钢轨与大地 回流 线 在这个闭合回路中 通常将馈电线 接触网 钢轨与大地 回流线统称为牵引网 牵引供电方式分类 由于工频单相交流2 5 k v 的牵引网是一种不对称供电回路 势必在其周围空间产生电磁 场 从而对邻近的通信和广播设备产生杂音干扰 解决这一问题的途径有两个 一是在通信 方面采取加强屏蔽的措施 或将受影响的通信设备迁离影响范围 二是在供电方面采取抑制 干扰的措施 随着牵引网所采取的抑制干扰措施的不同 出现了不同的牵引供电方式 l b t 吸流变压器 方式 东南大学工程硕士学位论文 电气化铁路对徐州电网的影响 吸流变压器是一种变化为1 1 的变压器 其原边串接在接触网内 副边串接在特设的 回流线内 每两台b t 中间安设一根将回流线与钢轨相联的吸上线 最理想酚情况是i 和i 相等 钢轨中的电力为零 2 a t 自耦变压器 方式 图p 2 睨供电方式示意图 嚣藏缱 蓑慧翔 麴孰 a t 供电方式是将自耦变压器跨接于接触网和正馈线之间 列车由多个并联连接的自耦 变压器供电 来自供电所的5 5 k v 供电电压通过靠近列车的自耦变压器降低为5 5 2 k v 其中性 点与钢轨相连 电气化铁路沿线每隔8 1 3 l l 设置一台自耦变压器 设置自耦变压器a t 处 所称做a t 所 相邻两台自耦变压器之间的距离称为自耦变压器间隔或分段 简称a t 段 a t 段外 只有靠近机车的a t 向机车供电 接触导线和正馈线中流过的电流为牵引电流的一半 且方向相反 在a t 段内 相邻的两台a t 均向机车供电 设机车至a t l 和a t 2 的距离分别为 和厶 a t l 和a t 2 供给机车的电流j 和厶与距离成反比 即j z 1 2 毛 同时j 和j z 流动 负序相反 当 l 而接触网和正馈线是并排架设的 其空间磁场几乎可以抵消 供 电到列车的馈电电流只有列车负载电流的1 2 减小了电能损耗 j 2 一a t 1 接触网2 钢轨3 正馈线 图2 3a t 供电方式示意图 1 2 瓦 一0 五 东南大学工程硕士学位论文电气化铁路对徐州电同的影响 3 直接供电方式 机车通过受电弓从接触网中取流 回流流经变电所至机车所在位置的所有钢轨 大地区 段 为减轻回流对铁路控制信号的干扰 现在还采用架设回流线的方法 实际上是把b t 供 电方式中的吸流变压器短接去掉 这样7 0 的回流经回流线流回 其余3 0 0 仍从钢轨 大地 流回 i m 基麓冈 镥氧 图2 4 直接供电方式示意图 此外 还有同轴电力电缆方式 这是一种新型的防干扰供电方式 适用于电气化铁路穿 越大城市或对净空要求较高的桥梁 隧道等特殊地段 同轴电力电缆沿着铁路埋设 电缆的 内导体作为馈电线与接触网并联 电缆的外导体作为回流线与钢轨相联 每隔一定的距离 约 5 1 0 k m 分成一个电缆供电分段 在对沿线通信无特殊防护要求的一般路段 基本上都采用带回流线的直接供电方式 而 在重载 高速 大密度的繁忙干线及一次电源设施薄弱的地区采用自耦变压器器供电方式 2 3 电气化铁路对电网的影响 功率因数低 负序功率大 谐波含量丰富是电气化铁道的三个主要特征 牵引负荷的剧 烈波动则使问题进一步复杂 2 3 1 电气化铁路的产生的谐波 电铁牵引负荷谐波由相控整流型电力机车产生 含有丰富的谐波 属于谐波电流源 如 陇海线郑徐段电气化铁路货机拟采用的韶山一4 型 s s 4 电力机车 客机拟采用的韶山一9 型 s s 9 型电力机车均属于相控整流型电力机车 s s 4 型电力机车额定电压为u 一 2 5 k v 额定功率h 6 4 0 0 k w 额定功率因数c o s 由一 0 7 8 本身无补偿装置 文献 1 3 1 4 对s s 4 型电力机车的谐波发生量进行了理论分析 由于机车采用半控桥式整流调压电路 只 含有3 5 7 等奇次谐波 文献 1 5 提出的谐波电流含量如下表所示 表2 3 国产无功率因数补偿装置电力机车的谐波发生量 谐波次数 3 5 791 1 谐波含量 2 3 91 3 91 0 0 l3 75 2 与文献 1 3 1 4 理论计算值基本吻合 交直交传动机车由于采用脉冲整流器 在采用几组脉冲整流器多相多重控制后 可以将 东南大学工程硕士学位论文电气化铁踌对徐州电同的影响 谐波电流控制在很低的数值内 如采用交直交传动机车的日本铁道新干线谐波电流含量 表2 4 日本铁道新干线的谐波电流含量 谐波次数 3 i 579 t l t l i 谐波含量 2 92 30 50 63 8 电气化铁路谐波具有以下特点 1 单相独立性 我国铁路供电系统均采用两相供电制 但两相负荷相关性很小 通常认为两臂负荷是独立的 2 随机波动性 牵引供电系统产生 的谐波电流随基波负荷剧烈波动 且范围很大 3 相位广泛分布 电气化铁道谐波向量可 在复平面4 个象限上广泛分布 4 单相整流负荷在稳态运行时只产生奇次谐波 只在涌 流中含有偶次谐波 电铁牵引站注入电网的谐波电流除了会引起发电机 供电变压器局部过 热 增加附加损耗 引发机械噪声增大外 还可引起高压电缆浸渍绝缘的局部放电 以及介 损和温升的增大 会干扰继电保护和自动重合闸的正常动作 2 3 2 电气化铁路产生的负序 铁路工频单相交流制牵引制的供电方式引起三相电力系统不对称运行 负序电流影响的 大小取决于两个方面 其一为牵引供电系统的负荷大小和运行方式 其二为电力系统装机容 量的大小和运行方式 电铁牵引负荷在电力系统中引起的三相电压不平衡具有波动性 随机 性 最大不平衡的持续时间短 热影响小的特点 不同类型牵引变压器的负序性能是不同的 平衡接线最小 三相接线次之 单相接线最大 单相接线方式下负序功率始终与正序功率相 同 即使采用平衡变压器 由于两个供电臂的负荷也并不能做到时刻相同 因此电气化铁路 运行过程中仍有较大的负序电流存在 注入电网后将对电网以及附近的发电机组产生影响 在电气化铁路运行时 还会出现开所谓 天窗 的情况 1 天窗 有垂直天窗和 v 型天窗两种 垂直天窗 因牵引变电站或其它设备检修使该牵引变电站停止对其供电区间供 电 该区间的上 下行电气化列车全部不能通过 v 型天窗 因接触网或其它设备检修 使牵引变电站停止对其供电区间的上行或下行接触网供电 使该区间的上行或下行电气化列 车不能通过 即1 个供电臂无电而另1 个供电臂有电列车可以运行 负序电流对输电线路和电力变压器的影响一般不大 因为绝大多数线路和变压器是不满 载的 在热容量方面有很大的余地 但对系统中的发电机和电动机 由于一般在满载或接近 满载的情况下运行 其热容量没有余地或余地很小 额外的电流会带来额外的湿升和附加损 耗 引起机组振动 容易使电机过热而缩短绝缘寿命 而且流入发电机的谐波电流也可等效 为负序电流 因此 负序电流对系统中的发电机和电动机影响较大 发电机都是按在三相平衡负荷下达到额定出力设计的 这时定子所产生的旋转磁场与转 子转速相同 均为同步转速 而且方向相同 在发电机转子励磁线圈内部 只有正常的励磁 电流 但当发电机向不平衡的负荷供电时 发电机电流中除正序分量外 还包括负序电流分 量 负序电流在定子线圈中流过时将产生负序的旋转磁场 其转速与转子转速相同 但方向 相反 即相对速度为同步转速的两倍 这一高速的旋转磁场扫过电机转子的表面时 将在转 子励磁线圈 阻尼线圈以及转子本体表面感应出两倍同步频率的电流 引起额外的温升 同 时 转子线圈中感应的两倍同步频率的电流产生脉动转矩 因而两倍同步频率振动使旋转电 机产生额外的机械应力 发电机转子结构对于在静子电流不平衡时的容许负荷有决定的意 义 例如 对于隐极式电机 由于转子线圈置于单一锻成的转子本体上所刻出的槽中 当负 序电流超过一定数值时 由于涡流严重所引起的额外温升使转子过度发热 因而使发电机出 力受到极大的限制 甚至绝缘快速老化而烧毁 而对于凸极式电机 由于转子线圈绕在磁极 上 涡流较小而且易于冷却 因而额外温升较小 但是 由于d 轴和q 轴的磁导相差较大 1 4 东南大学工程硕士学位论文电气化铁路对椽州电同的影响 因而负序电流所产生的脉动转矩使其振动明显增大 当负序电流超过一定数值时 致使电机 振动超出允许范围 由于电动机和发电机在结构上不同 因而负序电流所带来的影响也不完全相同 因为电 动机一般都是容量较小而数量很多和分布很广 难于逐台进行计算和监测 因此 一般只对 公共连接点的负序电压进行监测 电动机的负序阻抗约等于短路阻抗 即负序阻抗比正序阻 抗小得多 在一般情况下 潞的不对称电压可以引起约4 潞的不平衡电流 因此 实际上可 以认为电动机允许的电压不平衡度应在5 以内 电气化铁路产生的负序电流和电压可使系统中反应负序分量 如复合起动方式1 2 k i o 和突变量起动方式 i k i o 的继电保护装置元件频繁起动 2 3 3 电气化铁路的负荷波动 电力机车在电气化铁道上运行时其取流特性受多方面因素影响 使电力机车负荷及牵引 变电所负荷均呈现出无规律的波动性 电气化铁路上运行的列车有许多不同的形式 如客 货车 机车类型 载重量 速度 各种通过方式如直通 起停 起通 通停等 电力机车 在牵引工况下有宽广的调节范围 线路条件变化大 电力机车一般按列车运行图指导运行 然而列车运行图时常被打乱 因此电气化铁路牵引负荷变化剧烈 从电网中取用变化很大的 有功和无功 但平均负荷率较低 一般在4 0 左右 电气化铁路负荷的波动性决定了牵引变 压器应具有离过载能力 以便于节省牵引变压器容量 提高牵引变压器的容量利用率 适应 两部制 电价降低运行费用 牵引负荷的波动范围可在牵引变压器额定容量的o 2 5 倍 甚至3 倍范围内变化 同时电气化铁路负荷无功功率的变化也较大 由于牵引变电所采用固 定无功补偿 因此在牵引负荷大的时候出现欠补偿 而在牵引负荷小的时候过补偿 向系统 倒送无功 在无功表 反转正计 计量方式下 这两种工况必然导致变电所功率因数大大降 低 因此 电气化铁路负荷将引起接入点电压水平的波动 有可能超出电压偏差允许值 但 电气化铁路的负荷波动相对于电弧炉负荷的快速功率冲击不论幅度还是频度都要小的多 电 铁负荷变化相对平缓 电弧炉负荷每半个周波电压电流都会变化 而电铁负荷是以秒级变 化 因此总体上其引起的电压波动和闪变并不严重 根据国内电气化铁路的实测数据 一 般不会引起供电系统p c c 点电压闪变的明显增加 但可能偶尔出现较大的电压波动 但近年 来在四川 山西相继发生了西昌和太原卫星发射中心受电铁负荷影响 电子设备因电压波动 工作不正常的事情 因此电铁负荷波动对电网电压的影响需要认真研究 电气化铁路的负荷如接入高压环网系统 牵引负荷及其波动可由接入变电所的2 台 或 3 台 变压器甚至其他联网变电所共同承担 对电网的影响不大 而在分层分区运行方式和 l l o k v 供电情况下 除非p c c 点有可以与牵引负荷同母线运行的发电机组 牵引负荷及其波 动只能全部由供电变电所1 台主变承担 这样为防止变压器过载 变压器容量得不到充分利 用 电气化铁路负荷又是三相不平衡负荷 在不对称负载下 如控制变压器最大相电流为其 额定值 则其余两相就不能满载 如仍维持额定容量 将会造成过负荷和过热 2 3 4 电气化铁路采取的减小对电网影响的常规技术措施 将电气化铁路接入高电压等级的电网 如2 2 0 k v 采用负序性能较好的牵引变压器如 阻抗平衡变压器 安装固定无功补偿 串1 2 1 3 电抗器 不同的牵引变换相接入是铁 路方面减小对电网的谐波 负序等影响所采取的常规措施 将电气化铁路接入高电压等级的电网电气化铁路并没有减小其污染发生量 只是由于高 电压等级电网短路容量更大 承受能力更强 同时由于变比的原因注入电网的谐波和负序较 1 5 东南大学工程硕士学位论文电气化铁路对徐州电网的影响 小 如以2 2 0 k v 接入相比于1 1 0 k v 接入由于变比相差一倍 同等情况下谐波和负序电流减小 一倍 供电臂上安装串联1 2 1 3 电抗器的固定无功补偿只是针对3 次谐波 对3 次以上 谐波电流的滤波效果有限 采用负序性能较好的牵引变压器和牵引变换相接入其效果则依赖 于牵引变供电臂负荷变化和接入点电网网络情况 同时由于电气化铁路负荷的不确定性以及 各供电臂负荷变化的独立性 只能在一定程度上减轻负序对电网的影响 将牵引变压器接入电网时采用的 换相连接 方式 1 就是将铁路沿线各牵引变电所的 变压器依次按照a b c a c b bc a cb a c a b 和b a c 的相序与公用电网的a b c 连接 其中a b c bc a 和c a b 为正相序连接 a cb c b a b a c 为逆相序连接 当6 个牵引变电所各供电臂电流都相等 而且功率因数角都相同时 按正相序连接的3 个牵引 变电所的负序电流之和为零 按逆相序连接的3 个牵引变电所的负序电流之和也为零 但是 这6 个牵引变电所通常两两相距4 0 公里左右 不可能都接在同一区域电网 再者 牵引负荷波 动很大 铁路的行车密度 运行速度 牵引重量 线路坡度的不一样 也不可能满足 各供 电臂电流都相等 功率因数角都相同 的条件 因此 换相连接的实际效果是要打折扣的 因 此只能降低三相供电不平衡度 而不能保持三相用电在任一瞬间的完全平衡 文献 1 9 认为 不论从最大负序水平和平均负序水平看 换相是降低系统负序水平的有效手段 国内电气化铁路投入少量使用或试验的措施还有磁控或相控电抗器型静止无功补偿装 置 s v c 单相 安装于供电臂上 多功能阻抗平衡变压器 具有滤波功能 兼顾3 5 7 次谐波滤波补偿装置等 但量很少 2 4 本章小结 本章对电能质量各项指标 已颁布的6 项电能质量国家标准 我国电气化铁路的供用电 方式进行了简要的介绍 指出功率因数低 负序功率大 谐波含量丰富是我国电气化铁道的 三个主要特征 其原因是我国电气化铁路所采用的单相工频交流供电方式 并对电气化铁路 谐波 负序 负荷波动的产生原因 影响进行了分析 最后介绍了我国电气化铁路所采用的 减小对电网影响的常规技术措施 1 6 东南大学工程硬士学位论文电气化铁路对徐州电网的影响 第三章电气化铁路对电网的影响评估 3 1 徐州电气化铁路供电方案 陇海线郑徐铁路电气化改造工程系国家 十五 重点建设项目 建成后为江苏省内的第 一条电气化铁路 徐州地处苏 鲁 豫 皖四省交界处 位于江苏省的西北部 是重要的交 通枢纽 能源基地 是淮