电气化铁路电能质量及其综合补偿技术

电气化铁路

电能质量及其综合补偿技术西南交通大学电气工程学院贺建闽2006年11月1前言

电力作为商品摆脱传统的计划经济模式进入市场，以市场运作规则来制约供用电双方，是我国电力市场建设与发展的必然。我国电力市场建设是一项长期复杂的系统工程，涉及电力系统规划、电力生产、电网运行和负荷管理等诸多方面。电能质量是评估电力系统运行水平的重要技术标准，优良的电能质量应由供电、电器制造、电力用户三方共同保证。自20世纪90年代起，国际上开始将电能质量以及电磁兼容构筑成一个技术体系加以研究。电能质量已经成为电力系统研究领域一个新的学科分枝。电能质量管理已经成为电力市场管理中的一项系统工程。电能质量相关知识已成本专业学生的课堂学习内容。电能质量的基本要求

优质的供、用电应具有以下特征：(1)供电电压具有稳定的标称频率、幅值和波形；(2)保持三相电压和电流的平衡，保证电网最大传输效率；(3)持续稳定和充足的电能供应；(4)低廉的电价；(5)对环境的不良影响较小。电能质量的特征

(1)电力系统的电能质量始终处在动态变化之中；(2)电力系统是一个整体，各个局部的电能质量可能相互影响；(3)电能质量扰动会在系统中广泛传播，并对其他系统或设备产生潜在危害；(4)在一般情况下，用户是保证电能质量的主体；(5)对电力系统电能质量综合评估非常困难；(6)电能质量管理和控制是一项系统工程。

保证优质电能的目的(1)现代用电设备对电能质量的要求更高，许多带有微处理器和功率电子器件的装置对电磁干扰极为敏感。(2)非线性设备的谐波污染，致使供电电压干扰水平加重,对系统安全运行带来直接的或潜在的危害。(3)电力用户提高了对诸如供电间断、电压凹陷、电路通断引起的暂态现象的认识，提出更高供电质量要求。(4)电网各部分是相互联系的，供电部门在保证向用户优质供电的同时，还需极力避免遭受用户产生的电力干扰，维护电网安全运行。电力负荷分类(1)普通负荷(CommonLoad)，对电能质量要求不太高,如照明设备、加热器、通风机、空调机、一般家用电器等。(2)敏感负荷(SensitiveLoad)，电能质量不好可能对此类负荷造成一定的损害,如电动机控制器、UPS、变频调速装置等。(3)重要负荷(CriticalLoad)，对此类负荷,必须确保供电严格符合要求,如信息技术的芯片生产、微电子元件的智能化流水线、医院、银行和证券交易中心的计算机等。建立电能质量管理体系的目的近年来，在经济发达地区高端产业快速增长的同时，非线性负荷大幅增加，电网中的电能质量问题日益突出。据美国电力科学院JaneClemmensen的粗略估计，认为每年因电能质量相关问题，造成美国经济损失达260亿美元。发达国家电能质量问题主要是供电电压暂降，占供电质量投诉量的80%。因此，有必要建立电能质量监管体系，使其成为保证电网安全运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用电能的基本技术规范，同时也是实施电能质量管理、维护供用电双方合法权益的法律依据。自20世纪60年代起，世界大多数国家制定了有关供电频率和电压允许变动的技术指标，部分国家还制定了限制谐波电压、电流畸变以及电压波动等推荐导则。近十几年来，许多工业发达国家已制定了更加完备的电能质量系列标准，而且各国的电能质量标准正在与国际相关专业委员会推荐标准接轨，逐步实现标准的统一与完整。电气化铁路与电能质量

电气化铁道负荷的波动性、不对稳性、低力率（低功率因数）和非线性一直是电力专家关注的电能质量问题。我国第一条电气化铁路——宝成铁路宝鸡至凤州段于1961年8月15日建成通车。由于当时向该段供电的电网容量较小，电网三相电压不平衡是当时专家们关注较多的问题。

1961年宝凤段供电示意图在宝（鸡）－凤（州）段开通时，考虑到宝鸡电厂无法承受电气化铁道产生的负序电流，所以在供电上“舍近求远”，从关中系统兴平地区变电所受电。直至上世纪90年代，随着电网容量扩大，该地区的电压不平衡问题得以缓解。

1961年到1980年底，我国共建成电气化铁路1676km，发展十分缓慢。自1980年改革开放后，电气化铁路开始从山区走向平原；由低标准边远地区铁路向主要长大干线、重载、高速铁路发展。到2005年底,我国电气化铁路已达20132公里。电气化率达27%，承担的运量比重近50%。在此期间，电力、铁路两部门在电能质量，尤其是在谐波、负序、无功方面的争议一直没有停止。

“十一五”期间,铁路里程将新增2万公里;其中客运专线9800公里，时速在300公里以上的有5457公里；既有线电气化改造15000公里。

根据2004年国务院批准的铁道部《中长期铁路网规划》，至2020年，我国铁路营运总里程将达到10万公里，其中客运专线达到1.2万公里；包括“四纵”、“四横”八条时速在200公里以上的客运专线。

我国200km/h客货共线铁路的单台机车功率达8000~12000kW；设计列车追踪间隔为5min；牵引变电所主变安装容量为31.3~50MVA；部分达到63MVA。

客运专线的单台机车功率达到23000kW；设计列车追踪间隔为3min；牵引主变安装容量达到73MVA以上，甚至达到120MVA。

在这些线路上，一方面，电气化铁路需要电力系统提供高质量、高可靠性的供电电源；另一方面，电气化铁道产生的电能质量问题也会更加突出，例如

例如，电气化铁路进入我国经济较发达的东部地区，如京沪线、浙赣线、沪杭线，电气化铁道负荷对电网以及高端制造业的影响已经引起当地电力部门的高度重视，这些电铁线路的供电协议谈判进行得十分艰难。对于电气化铁道技术人员来说，对电能质量相关知识的了解，是很有必要的。

第一节电能质量定义

从普遍意义讲，电能质量指优质供电。但迄今为止，人们对电能质量的技术含义尚未给出统一的定义，这是人们关注的问题不同以及看问题的角度不同所致，例如：

电力部门可能把电能质量定义为电压与频率的合格率,并且用统计数字来说明，99.99%表明电力系统是安全可靠运行的;电力用户则把电能质量定义为是否向负荷正常供电；设备制造厂家则可能将电能质量定义为电源质量，要求电源特性完全满足电气设备的正常工作需要；另外一些事件，例如供电中断，究竟应当归属于输配电工程问题还是用户用电质量问题，供用电双方意见往往无法一致。

正因如此，人们谈到电能质量时,使用的技术名词也不规范，例如：电力系统质量（electricpowersystemsquality）

供电质量（qualityofpowersupply）

电压质量（voltagequality）

在1968年发表的一篇关于美国海军电子设备电源规范研究的论文中,最先使用了“powerquality”（电能质量）这一词语。

IEEE标准化协调委员会已正式采用“powerquality”(电能质量)这一术语，并且给出了相应的技术定义。

IEC没有采用“powerquality”(电能质量)这一术语，而是提出使用“EMC”(电磁兼容)术语，其强调设备之间、电源与设备之间的相互作用和影响。在IEC的电磁兼容概念中，采用以下两个术语：

排放(emission)－表示设备产生的电磁污染，反映的是电流质量问题;

抗扰(immunity)－表示设备抵抗电磁污染的能力，它与供电电压质量相关。

IEC以此为基础,制定出了一系列相关的电磁兼容标准。电磁兼容术语与电能质量术语有很大重叠性,在它们中间有许多的同义词。国内外关于“电能质量”的几个定义定义1：IEEE标准化协调委员会给出的电能质量定义:合格电能质量概念指的是，给敏感设备提供的电力和设置的接地系统均能适合于该设备正常工作。定义2：所谓电能质量是指电压质量、频率质量及供电可靠性的总称。定义3：电能质量定义为导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。

除此之外,许多文献还采用了一些并未得到公认的术语和补充定义。例如：1电压质量(voltagequality),

实际电压与理想电压的偏差反映向用户供给的电力是否合格。2

电流质量(currentquality),

除了对电流提出恒定频率正弦波形要求外,还力图使该电流波形与供电电压同相位,以保证系统以高功率因数运行。3供电质量(quality

ofsupply),它包括技术含义和非技术含义两部分。技术含义有电压质量和供电可靠性;非技术含义是指服务质量(quality

ofservice),它包括供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价格的透明度等。4用电质量(quality

ofconsumption)包括电流质量和非技术含义,如用户是否按时、如数缴纳电费，等。

第二节电能质量问题分类1稳态电能质量问题

供电电压偏差；

公用电网谐波；

三相电压不平衡度；

电力系统频率偏差；

电压波动与闪变。2暂态电能质量问题

暂态过电压和瞬态过电压。电能质量的实际测量方法和输出结果

第三节我国已建立的电能质量标准

GB12325-1990《供电电压允许偏差》；

GB/T14549-1993《公用电网谐波》；

GB/T15543-1995《三相电压允许不平衡度》；

GB/T15945-1995《电力系统频率允许偏差》；

GB12326-2000《电压波动与闪变》；

GB/T18481-2001《暂态过电压和瞬态过电压》。

第四节GB/T159451995《中华人民共和国国家标准电能质量电力系统频率允许偏差》简介

电力系统频率偏差：系统频率的实际值与额定值之差。

频率偏差允许值：电力系统正常频率偏差允许值为0.2Hz；当系统容量小于3000MW时，偏差值可以放宽到0.5Hz。

冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过0.2Hz，根据冲击负荷性质、大小以及系统的条件也可适当调整限值，但应保证电网发电机组和用户的安全稳定运行。电网频率实测案例：图为成(都)-达(州)铁路大英牵引变电所110kV电网频率实测结果，其偏差远小于0.2Hz，表明我国主网有功功率比较充足。

但在弱小电网，负荷较小的变动都可能导致电网频率较大波动,下图是青藏线安多35kV配电所的频率测试情况。当雄－安多297km铁路专用输电线路退出时,那曲－安多各个35kV铁路配电所由查龙水电站（装机容量8000kW）供电。从安多35kV配电所频率测试结果可以看出，在这一过程中，电网频率出现1~2分钟的较大波动。

第五节

GB12325—90《中华人民共和国国家标准电能质量供电电压允许偏差》简介

交流50Hz电力系统供电电压偏差定义为实测电压与额定电压之差，以额定电压的百分数表示。供电电压允许偏差：（1）35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%；

（2）10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%；（3）220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%、-10%。说明：1电压偏差按以下公式计算2标准中“供电电压”指的是：供电部门与用户的产权分界处的电压；或由供用电协议所规定的电能计量点的电压。对于电气化铁路牵引变电所，“供电电压”指110kV或220kV母线电压。计算到负荷端口，系统电压损失表达式如下式中，x为负荷端口看出的电网等值相电抗，；Q为该相线路传输的无功功率，kvar；UN为线路额定相电压，kV；为负荷功率因数角，感性负荷取正值。将上式变化一下，系统电压损失表达式如下式中，UN为线路额定相电压，kV；Sk为负荷端口的系统三相短路容量，MVA；ST为负荷三相变压器容量，kVA；负荷功率因数角。计算电压偏差式中，Sk为负荷端口的系统三相短路容量，MVA；ST为负荷三相变压器容量，kVA；负荷功率因数角。

上式表明，可以通过以下两条途径，来保证供电电压偏差满足国家标准要求：（1）电网中传输的无功功率尽可能小；（2）负荷端口的系统三相短路容量尽可能地大。由此可见，维持良好的供电电压水平，取决于供电部门和电力用户双方的共同努力。

通常认为，高一级电网的供电能力较强，2005年对国内南方某城市电网20个110kV变电站、70个220kV变电站的短路容量调查，结果如下：（1）110kV的短路容量：878.04MVA-3891.21MVA；（2）220kV的短路容量：1715.73MVA-7697.7MVA。2006年对国内华北某电网4个110kV变电站、10个220kV变电站的短路容量调查，结果如下：（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。相对西部而言，我国东部经济发达地区的电网较为强大，例如京沪电铁天津段牵引变电所110kV接入点的系统三相短路容量如下表所示又如，京沪电铁北京、上海段牵引变电所110kV接入点的系统三相短路容量如下表所示相比而言，发达国家电网供电能力较强，韩国电铁接入系统的短路容量如下表所示，国外部分客运专线对接入系统提出了9000MVA

短路容量的要求。国名序号铁路名称最高速度（km/h）供电方式供电电压（kV）附注日本1东海道新干线300AT275个别牵引站154kV

2山阳新干线300AT275个别牵引站154kV

3北陆新干线300AT275

4东北新干线260AT275个别牵引站154kV

5上越新干线275AT275

法国1巴黎－里昂300AT2251个牵引站400kV

2巴黎－图尔300AT2251个牵引站400kV

3巴黎－加莱300AT2251个牵引站400kV

4里昂－瓦朗斯300AT225

5瓦朗斯－马赛350AT225

6巴黎－斯特拉斯堡350AT2251个牵引站400kV西班牙1马德里－塞维利亚250直供2203个牵引站132kV，但短路容量不小于2000MVA

2马德里－巴塞罗拉350AT4003个牵引站220kV德国德国高速铁路最高速度330km/h，采用铁路自建电网供电。电铁供电制式为15kV、162/3Hz，采用独特的同相供电方式，牵引站间距约为普通不同相供电方式的1/3，牵引变压器容量一般为2×15MVA。牵引站外部电源采用110kV，系统短路容量不小于1000MVA。世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级一览表我国边远地区电气化铁路目前面临的问题是电网短路容量偏小，供电能力较弱。电网短路容量偏小意味着系统发电容量偏小或电源距负荷中心偏远。国外专家通常认为，电网公共连接点短路容量不足用户容量的30倍时，可以视其为小电网，小电网常见的电能质量问题之一就是供电电压偏差较大。在弱小电网中，牵引负荷可能引起电网电压较大的偏差和波动。图为内－昆铁路盐津牵引变电所的测试情况，上图为110kV母线A相电压，下图为A相电流。向该所供电的云南昭通电网较为薄弱，造成空载时变电所110kV母线电压偏高，负荷时偏低。牵引变电所名称田林平林系统最小短路容量（MVA）195.64211.8

110kV母线空载电压Uab(kV)120.74121.87110kV母线负荷下最低电压Uab(kV)93.6296.889正负偏差的绝对值之和(%)24.6522.7127.5kV母线空载电压Ua(kV)29.9329.75供电臂最低电压（标准值27.5）（kV）18.7319.46接触网末端电压(kV)16.7618.077南昆线牵引测试数据（时间：2002.6.4～6）对于更弱小的电网，情况更是如此，运行中，系统较小的变动都可能导致网压较大波动，下图是青藏线安多35kV配电所的电压测试情况。在当雄－安多铁路专用输电线路退出时，35kV铁路配电所均由查龙水电站（装机容量8000kW）供电，此时电网电压出现较大波动。改善电压水平的措施为保证电网具有良好的电压水平，电网公司除进行全局无功优化调整外，还要求大宗电力用户对无功做到“就地补偿”，使用户月平均功率因数达到0.90以上，并对用户实行奖惩制度。提高牵引变电所功率因数的主要方法是在27.5kV侧设置并联电容补偿装置。目前我国铁道电气化铁路较多采用固定补偿方式。

随着无功计量方式的转变，由“反送反计”或“反送不计”变为“反送正计”，固定补偿的缺点显现出来。在“反送正计”方式下，过度的无功补偿使得变电所平均功率因数更低，这一现象在个别牵引变电所较为突出。例如大同西供电段，1993年2月该段对永嘉堡变电所b相并联电容补偿装置进行增容改造，电容器容量由原来的6640kvar增至7600kvar，但是变电所月平均功率因数却由改造前的0.73降至0.59~0.65，造成当年该变电所罚款额达220万元，直到该所完成可调无功补偿改造后，这一情况才得以改变。又如，上图为成－达铁路金堂牵引变电所2006年10月份供电月报表。该所无功计量方式为反送不计，当月平均功率因数为0.921;但若按无功反送正计考核，该所当月平均功率因数仅为0.299。

随着科技进步和新型电力设备尤其是电力电子设备制造技术的发展，使可调并联无功补偿装置的工程应用成为可能。在电气化铁道，晶闸管投切电容器组(TSC)、晶闸管控制电抗器(TCR)和真空接触器投切电容器组的可调无功补偿装置于2000年前后在各地牵引变电所应用，取得了良好的无功补偿效果。需要强调的是，固定并联电容补偿方式有着结构简单、工程造价低、可靠性高、现场运行经验成熟及运行维护方便等诸多优点。在一定的运输条件下是能够较好地发挥其补偿效益的，对固定补偿方式采取简单否定的态度是不可取的。德国高速铁路牵引变电所采用固定并联电容器补偿装置法国Commuue牵引变电所采用固定并联电容器补偿装置在我国，采用固定并联电容补偿也有许多成功案例。例如，丰－沙－大线的东城乡牵引变电所，采用固定并联电容补偿方式，按无功反送正计计量，变电所日平均功率因数达到0.92，取得满意的补偿效果。

第六节GB/T155431995《中华人民共和国国家标准电能质量三相电压允许不平衡度》简介

正、负、零序电压、电流计算如下式所示

负序电流和三相电压不平衡的主要危害引起发电机转子附加损耗、发热，负序磁场产生制动力矩、机械振动；增加电动机定子和转子的铜损，负序磁场产生制动力矩，正负序磁场产生的脉动转矩引起电动机振动；降低变压器负载能力，造成局部过热，缩短变压器寿命；造成继电保护和自动装置误动；造成输电线路损耗的增加。

三相电压不平衡度用电压负序分量与正序分量的均方根百分比表示。

电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%。接于公共接点的每个用户引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1.3%，根据连接点的负荷状况、邻近发电机继电保护和自动装置安全运行要求，可作适当变动。根据GB/T155431995，电网公共连接点的三相电压不平衡度按下式计算式中，I2为注入电网公共连接点的A相负序电流，A；Sk为公共连接点的三相短路容量，MVA；UN和UL分别为公共连接点的额定相电压和线电压，kV。

国外在对电气化铁路的实际执行中，要求牵引变电所的负序容量占系统侧短路容量的百分数，长时间不大于1.5%，短时间（不超过10min）不大于2%。按变压器允许过负荷30％计算，三相、V接和单相牵引变电所的负序容量如下表所示以上分析表明，如果三相不平衡负荷较小，即I2足够小或系统较强大，即三相短路容量Sk足够大，都可以将三相电压不平衡度控制在国标规定的范围内。在同样牵引负荷条件下，进入高一级电网，例如220kV系统，由于电网供电能力的提高，三相电压不平衡问题能够得以缓解。同样的牵引负荷，在不同的110kV电网中，三相电压不平衡程度不同，较强电网的情况往往较好。测试实例：测试期间，洛阳东牵引变电所110kV电压不平衡度最大值为2.33%，95%概率值为1.30%，符合国标要求,说明河南电网比较强大。泸沽牵引变电所110kV母线最小短路容量不足400MVA。尽管该所负荷远远小于洛阳东牵引变电所，但从测试结果看，该所110kV母线三相电压不平衡度远远高于洛东变电所。另一案例，成－昆铁路泸沽牵引变电所，装接容量为220MVA，日通过能力为22对车／天。西昌电网为小电网，西昌220kV变电所供电设备容量180MVA；110kV公共连接点最小短路容量为613MVA；第七节GB/T14549-93《中华人民共和国国家标准电能质量公用电网谐波》简介

电压、电流波形畸变并不是一个新课题，在20世纪20年代，德国就已提出静态整流器引起的波形畸变问题。从20世纪50年代起，由于高压直流输电措术的发展，技术人员在晶闸管换流器谐波问题的研究方面作了大量工作。20世纪70年代后，各种功率换流器的普遍应用，引起了人们对电网谐波问题的关注，促进了谐波问题研究的发展。自那时起，各国以及相关专业委员会，如国际电工委员会（IEC），先后制定了包括配电系统、电力设备、用电设备包括家用电器在内的各类谐波标准。

谐波污染对电网及用户的主要影响造成电网功率损耗增加，线路和设备过热；引起变电站局部的并联或串联谐振，造成电力设备损坏；造成电力变压器、电力电缆、电动机设备发热，电容器损坏、绝缘材料老化、延长断路器灭弧时间；造成继电保护和自动装置误动作；增大磁场干扰，影响电子仪表和通信系统的正常工作，降低通信质量。降低电能计量的准确度。

国外电力专家对谐波标准的认识(1)谐波标准制定受经验影响，各国的经验都是在谐波问题长期研究和治理过程中逐步积累的，各国形成谐波标准时考虑的因素也是多样化的，很少有标准是完全建立在对系统特性的详细理论研究基础上，所以标准在形式上大多是趋于经验和保守的。(2)各国在制定谐波标准时，充分考虑了本国电力系统的特殊性以及多种关注因素。不同国家的标准，例如英国和新西兰标准，存在较大差异也是正常的。脱离各国背景，评论不同国家标准优劣是没有意义的;同样,不了解本国实际情况套用他国标准也是不妥的。(3)各国谐波标准反映的是当前时期本国电网和非线性用户之间达成的平衡或妥协，所以谐波标准不是永久不变的，谐波标准的执行也不是僵硬的。(4)用户在谐波标准下的权益应予充分关注。

我国自20世纪80年代起开展电力谐波研究，并已取得众多基础性成果。谐波国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》自1994年3月起开始实施。基于IEC61000-3-6技术文件的国家标准化指导性技术文件GB/Z17625.4-2000《电磁兼容限值中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估》也于2000年12月颁布。谐波国家标准GB/T14549-93规定的公用电网谐波电压（相电压）标准如下表所示。在基准短路容量下，注入各级电网公共连接点的谐波电流允许值如下表所示。根据GB/T14549-93，电网公共连接点第h次谐波电压含有率HRUh按下式计算式中，Ih为注入电网公共连接点的总h次谐波电流，A；h为谐波次数；Sk为公共连接点的三相短路容量，MVA；UN和UL分别为公共连接点的额定相电压和线电压，kV。

上式表明，如果非线性负荷较小，即Ih足够小或系统三相短路容量Sk足够大，都可以将谐波电压控制在国标规定的范围内。在同样牵引负荷条件下，进入高一级电网，例如220kV系统，由于电网供电能力的提高，有助于改善谐波状况。同样的牵引负荷在不同的电网中，谐波表现不同，在较强电网，情况往往较好。平果变A相电压总谐波畸变率田东变A相电压总谐波畸变率典型案例：南昆电气化铁道广西境内由南宁电网和百色地区电网供电，南宁电网主要由广西主网供电，百色地区电网则由广西电网一部分以及地方小水电、小火电厂联合供电。平果和田东变电所相邻，地理情况和铁路运量相当。由于百色电网容量较小，所以田东变电所谐波电压情况较平果变电所严重得多。洛阳东牵引变电所谐波测试实例：河南电网较强大。该时段内，最大电压综合畸变率为2.62%；95%概率大值为1.89%，符合谐波国标要求。左图为丰台供电段雁翅牵引变电所电压总谐波畸变率测试数据，其谐波状况与江油变相当。右图为绵阳供电段江油牵引变电所电压畸变率测试数据，95%概率值为2.17%，表明谐波电压部分超标。田林变110kV侧A相电压总谐波畸变率百色变110kV侧A相电压总谐波畸变率田东变110kV侧A相电压总谐波畸变率平林变110kV侧A相电压总谐波畸变率南－昆电气化铁路百色电网谐波电压测试情况

在电气化铁道谐波评估方面，我国电力和铁路部门长期以来存在较大争议。谐波国标GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》对各级用户制定了详细的各次谐波电流测量评估标准，但对用户端口的谐波电压评估没有作明确说明。

GB/Z17625.4-2000对各级用户详细规定了谐波电压限值制定和考核方法，但其认为“即使其目的在于限制网络中的谐波电压，最好是对畸变设备规定谐波电流限值”。英、美、加拿大等国对电气化铁路侧重谐波电压考核。

综合考虑国内外经验，我国铁路专家认为对电气化铁路谐波考核应主要针对谐波电压，采用总量控制方法，以电铁总谐波电压畸变率作为谐波限值，不再对各次谐波电流进行评估。铁路专家认为牵引变电所作为电气化铁路谐波源头，如果控制其110kV（或220kV）母线总谐波电压畸变率不超标，那么连接它的公共连接点的总谐波电压畸变率必然不会超标。谐波治理中值得关注的现象：背景谐波电压2001年8月15日17时至16日17时,成－昆铁路黄联关、泸沽牵引变电所向西昌北牵引变电所实施24小时越区供电。西昌北变电所背景谐波测试如图所示，可想而知,如果在西昌北变电所设置滤波装置，将无法取得令人满意的谐波电压治理效果。另一个值得关注的谐波现象应关注大型电力变压器产生的谐波电流。随着新材料和新工艺的使用，以及变压器设计的磁通密度取值偏高，变压器的高次谐波特点也发生变化。目前，大型电力变压器已成为高压电网中不容忽视的主要5次谐波源。如果大型电力变压器额定工作点接近或进入饱和区，在深夜至清晨负荷低谷时段，电网电压升高，将使得变压器磁饱和以及励磁电流畸变程度进一步加深。国外试验显示，电网电压升高5％，励磁电流将增加40-100%。变压器空载谐波电流与输电线路分布电容、并联电容器组及系统其他参数配合，可能使电网相关节点的5、7次谐波电压放大，并向下一级电网渗透。上图为该所220kV母线5次谐波电压含有率，测试显示由其决定了电压总谐波畸变率。上图为秦－沈铁路绥中北牵引变电所220kV母线背景谐波电压总谐波畸变率测试结果。电网负荷低谷期间5次谐波电压放大现象曾在国内外实测中被多次发现，英国工程推荐标准G5/4也指出：“背景谐波的测量值似乎显示出明显的昼夜变化，夜晚的畸变水平最高，特别是星期天”，这一现象值得深思。由电力变压器励磁电流引发的电网5次谐波问题应引起足够重视。这种谐波的治理，不论对于电网公司还是电力用户，都具有很大难度。

国内一些电力专家建议，对准备接入公用电网的大型电力变压器，增加饱和倍数的谐波测试项目，禁止空载谐波电流偏大的变压器入网

。第八节GB12326-2000《中华人民共和国国家标准电能质量电压波动与闪变》简介

电压波动和闪变作为评价电能质量的一个重要指标，直接反映出电网电压质量。1986年，国际电工委员会(IEC)根据1982年国际电热协会(UIE)的推荐，制定了闪变仪的测试功能和设计规范。我国在2000年以前主要参照日本的△V10闪变标准进行测试和评价，以IEC标准为准，新的国标GB12326-2000《电能质量电压波动与闪变》已于2000年颁布。电压波动和闪变产生的主要原因冲击性负荷用电，如电弧炉、轧钢机、电焊机等；系统发生短路故障；设备投切，如备用电源自动投切、自动重合闸等；系统遭受雷击。电压波动和闪变的主要影响电压波动和闪变大多产生于配电系统，通过配电变压器传输到低压用户。电压波动和闪变主要干扰计算机和控制系统和各种电子仪器设备的正常工作。

电压波动是指电压调幅波中相邻两个极值（电压均方根）之差，以额定电压的百分数表示；电力系统公共连接点由冲击性负荷产生的电压波动允许值见表所示。

闪变是指人眼对灯闪的主观感觉，IEC标准规定低、中压电网短时（10min）闪变兼容值Pst=1，中、高压电网的闪变规划值分别为0.9和0.8。测试案例：成－达铁路金堂变电所110kV母线，测试期间处于空载状态，电压10min闪变评估值Pst为0.4,没有超标。第九节GB/T18481-2001《中华人民共和国国家标准电能质量暂态过电压和瞬态过电压》简介根据不同负荷对电压质量的敏感度,负荷分为三类:(1)普通负荷(CommonLoad)：普通负荷对电能质量要求不太高。(2)敏感负荷(SensitiveLoad)：如电机控制器、UPS、变频调速装置等。(3)严格负荷(CriticalLoad)如信息技术的芯片生产、微电子元件的智能化流水线、医院、银行和证券交易中心的计算机等。人们关注的暂态电压扰动主要有4类,即电压下跌、断电、尖峰脉冲、电压上升。(1)电压下跌(Sag)，这是电压幅值下降持续时间小于2s的情况,通常是由电动机启动瞬变或电力系统的切换操作引起的。这是用户投诉最多的一种电压扰动。(2)断电(Interruption)，这是由电力系统故障引起的,图中表明允许断电时间小于10ms（50Hz系统),超过半个周波就会产生严重后果。(3)电压尖峰脉冲(Spike)，这是电压高频突发,产生极高的短暂电压升高而损坏电子设备。(4)电压上升(Swell)，这是系统电压瞬时波动所常见的,关键是幅值和持续时间。美国CBEMA（美国信息技术工业协会）提出的电压容限曲线及典型电压扰动(阴影部分为合格电压)ITIC曲线(CBEMA曲线的修正),适用于所有类型设备的电压容限幅值和持续时间测试实例：某供电点电压的测量评估结果，结论是在暂态电压质量方面不存在问题。

第十节电能质量监测与管理

电能质量的监测、管理是一个巨大的系统工程，需要人力、物力的大量投入，例如：日本关西电力公司为了精确掌据各类用户的谐波发生量和排放规律，曾分别在日本的工业区、商业区和住宅区进行了长达3年的连续监测。美国也曾于1993年6月至1995年9月对4.16kV~34.5kV的277座变电站及馈线进行了全面的监测，获得了5691份监测数据。加拿大电气协会(CEA)自1991年起开始一项为期3年的电能质量调查，共有22个电力公司参与，监测了550个供电点，包括工业、商业和居民住宅区。

一些发达国家目前也已建立完备的电能质量监测网络。第十一节电气化铁道电能质量综合补偿技术

我国既有普速电铁线路，除少数从国外引进的电力机车（如日本的6K型，法国的8K型）外，绝大多数采用的是我国自行设计制造的SS（韶山）交直型电力机车。如：适用于重载货运的SS4型，客货两用的SS6和SS7型，以及快速客运和准高速客运的SS5、SS8和SS9型。电力机车从接触网取得25kV工频单相电压，经车载变压器降压到1500V，整流后向牵引电动机供电。牵引电动机采用直流串励式，额定电压为1020V，单台功率约为700—900kW。

交直型电力机车采用半控桥式整流装置，通过控制晶闸管的导通角来实现机车出力的调节。这一控制方式，使得交直型机车的功率因数较低（0.8左右），并产生丰富的谐波，主要是3、5、7、9等奇次谐波。交-直-交型电力机车提高了机车用电的功率因数（0.95以上）、降低了注入系统的谐波（谐波电流总畸变率小于5%），从而减少了电网的压损、电压波动和注入系统的谐波电流，综合用电效益明显，以其优异的性能，成为机车传动的主流技术和发展方向。

在近期一段时间内，既有线仍以交-直型机车为主，未来客运专线也可能出现交直和交-直-交机车混跑的局面。就我国电气化铁路供电系统而言，对电网存在主要的电能质量问题是：（1）不平衡，即负序问题；（2）谐波问题；（3）无功，即功率因数问题；（4）冲击性牵引负荷引起的电网电压波动与闪变。国外高速铁路供电系统的电能质量指标与措施1法国高速铁路牵引供电系统根据欧洲标准，法国电力公司控制电网负序电压的总水平为2%，分配给电气化铁路的指标为1%。电力公司在实际执行中，要求：负序电流限制：牵引变电所负序容量与系统连接点三相短路容量之比不超过1.5%；负序电压限制：三相电压不平衡度，1小时不超过2%、短时不超过4%。法国采取的限制不平衡措施如下：（1）牵引变电所由225kV或400kV供电，以确保系统连接点有足够大的短路容量。（2）所有牵引变电所在接入电力系统时，必须采用轮换换相，降低总负序电流水平。（3）在电力系统薄弱，电铁大密度运行时，对单相运行可能导致负序超标的变电站，运行时可将“单相”与“V”接线相互转换。即正常时单相运行，在可能出现负序超标时，根据电力系统调度的命令，将两台变压器改为“V接”。（4）在牵引变压器低压侧（25kV侧）安装滤波及无功补偿装置。2意大利高速铁路牵引供电系统意大利高速铁路系统，采用ETR500高速列车，25kV、50Hz交流AT供电方式。牵引供电系统设计准则为：保证高速列车以12MW、300km/h、5min间隔双向持续运行，并留有一定的裕度。牵引变电所平均设置距离为50km，安装两台60MVA单相牵引变压器。变电所不采用“V”接线，而是一台变压器运行，另一台作热备用，接入系统的电压为132kV。

牵引变压器能够50%过载运行15min；100%过载运行5min。

意大利接入132kV系统的电力系统，其10min允许总谐波电压畸变率THD为4%。由牵引供电产生的电压不平衡限值为：1-1.5%（长时间允许值），2%（短时，不超过10min）。

意大利抑制高速铁路负序的措施，主要靠牵引变压器接入系统时的轮流换相来保证。在设计时要求每个电力系统变电站以不同的相序同时供给三个牵引变电所，以使三相负荷基本平衡。3日本高速铁路牵引供电系统新干线采用AT供电方式，高速列车的牵引机车采用交-直-交传动方式。东海道、山阳、北陆新干线采用25kV、60Hz供电；上越新干线采用25kV、50Hz供电；山形新干线采用20kV、50Hz供电。

AT供电方式变电所的容量在100～150MVA之间，变电所间隔60km左右。接入系统电压主要为154kV、220kV和275kV。

日本要求66kV以上系统的允许总谐波电压畸变率THD不超过3%。由牵引供电产生的电压不平衡限值为1.5%(长时间允许值)，2%(短时，不超过10min)。日本新干线采取了严格的电能质量控制措施，一般在25kV侧设无功补偿兼滤波器，容量为6000kvar，串联12～13%的电抗器，滤除30%以上的三次谐波；在系统侧采用静止无功补偿装置(SVC)，达到滤除谐波、抑制电压波动、改善三相平衡等作用；

近期采用RPC方式（铁路静止功率调整器），用可关断电力电子器件构成有源功率变换装置。对于Scott接线牵引变压器，可以平衡两供电臂的有功功率、补偿无功功率、并同时吸收高次谐波电流，达到综合治理的目的，该系统已于2002年投入运行，效果良好。4西班牙高速铁路牵引供电系统西班牙马德里-塞维利亚高速铁路，全长471km，1992年4月投入运营。高速铁路线路基础设施的设计速度为300km/h，列车实际运行速度可达250～270km/h，采用德国AVE型高速列车。该线路共设12个牵引站，其中9座牵引变电所由一条220kV线路采用轮流换相方式单相供电，3座由一条132kV线路轮流换相供电。25kV侧采用交流50Hz直供加回流线供电方式。除一个牵引变电所为三台20MVA变压器并列运行外，其他牵引变电所均设两台20MVA变压器并列单相供电。牵引变电所最大供电距离27.3km，变压器设计50%过载运行15min、100%过载运行6min，每次过载后按不高于额定容量运行6小时后才允许再次过载。西班牙规定负序容量占系统侧短路容量的百分数，长时间不大于1.5%，短时间不大于2%。为减少电气化铁路的负