《电气化铁路谐波治理研究9200字（论文）》

电气化铁路谐波治理问题调研分析报告91811前言 145911.1研究目的 181631.2调研方法 168441.3调研时间 2298311.4调研思路 278922电气化铁道供电系统谐波的检测 2299072.1谐波的产生 2164682.2谐波电流的影响 6206732.2.1谐波的危害 6297862.2.2对变压器的危害 6168612.2.3对发电机的影响 6193572.2.4其他影响 7179063谐波振荡与通信干扰 712513.1等效干扰电流的取值问题 782413.2通信回线的敏感系数 8245984电气化铁道谐波治理 10236624.1减小谐波电流影响的措施 1079374.2谐波的治理方法 10116244.2.1采用适当电抗器 11186894.2.2装设有源电力滤波器 1115964.2.3采用多相脉冲整流 11125874.2.4使用滤波模块组件 1142024.2.5开发新型变流器 12314165结论 1227420参考文献 131前言1.1研究目的电力机车整流负荷中有较多谐波，因为滤波措施没有发挥出效果，导致谐波进入了公用电网中。部分统计结果显示，在电铁运行了30年内，因为谐波以及负序的影响，200MW跳闸，陕西贵州等地的大面积停电发生多次。其中还伴随局部谐振、电网的损耗程度提升、损坏发电机转子、继电保护和自动装置不断异常启动，电动机和电容器因温度过高损坏，无法正常使用，小火电厂不能就近净网等一些列还恶劣影响，对国民经济的顺利发展造成了极大的阻碍。随着电铁运量的提升，东部使用区域的扩展，例如电铁谐波没有得到控制，影响越来越恶劣，对系统和设备造成极大的损害。对谐波进行研究的意义主要是因为谐波的恶劣影响十分严重，谐波会影响电能的产生，降低电能的使用效率，导致电气设备温度提升，出现谐振和噪声，对设备边缘损害十分严重，降低使用效率，出现故障以及事故。供电电压发生畸形变化，对用电设备造成极其恶劣的影响、影响设备的功率，对电路造成损害，缩短电容器的使用寿命，自动装置以及继电保护装置异常启动，感应电动机的损耗提升，电动机使用过热影响换流装置的正常使用，电力计量误差加大，影响通信系统以及相关设备的正常使用。本调研为电气化铁道供电系统谐波对通讯的干扰的研究，本次调研主要就谐波对通信的干扰进行分析研究，第二章开始介绍谐波的检测，首先介绍谐波产生，影响，只有先清楚的了解才能知道如何进行干扰，是谐波治理的首要问题。为了减少上述谐波造成的影响，国内外的学者都积极进行研究和探索，创造了新型供电方式、电力机车、防护模式等，进而保证通信信号的正常和稳定。本文仅针对牵引电流谐波的产生、传送、对通信的滋扰情况举行索求和钻研。第三章主要对谐谐波振荡与通信干扰研究。第四章主要是电气化铁道谐波的治理，较为普遍的治理方法有两种，首先是从产生谐波的设备来入手，降低谐波产生的数量或者尽量不产生。其次是从被干扰和影响的设备来入手，设置谐波补偿装置，提升设备的抗干扰性能；增强谐波保护能力；调整谐波源的工作方式；应用多重化技术等。1.2调研方法文献研究方法：本文利用《中国科技期刊数据库》，《中国论文数据库》和《管理科学文摘》数据库检索和收集了与设备管理相关的资料。基于文献研究的交电气化铁道谐波电流对通信的干扰的深入研究。实际调查总结法，通过在学校学习的知识和对交电气化铁道谐波电流对通信的干扰进行分析，结合目前我国应用现状，对交电气化铁道谐波电流对通信的干扰实际出现问题提出切实可行的改进措施，确保文本的研究成果对电气化铁道谐波电流对通信干扰的应用有参考意义。1.3调研时间9月5日到9月10日：学习调研方法及调研报告的写法。9月10日到9月15：资料搜集，主要通过网络及图书学习基础理论。9月16日到9月25日：与导师讨论前期调研资料。9月26日到10月22日：结合目前我国应用现状，对电气化铁道谐波电流对通信干扰实际出现故障提出切实可行的改进措施。10月23日到10月28日：与导师讨论现有调研成果，将问题及时改正。10月16日到11月2日：撰写调研报告。1.4调研思路本文以电气化铁道谐波电流对通信干扰为研究对象，分析了谐波产生，新型供电方式、电力机车、防护模式等，并简要介绍了各部件的工作原理，然后研究和分析了谐波振荡与通信干扰研究原理。最后对目前电气化铁道谐波的治理常见的故障进行介绍分析，从产生谐波的设备来入手，降低谐波产生的数量或者尽量不产生。其次是从被干扰和影响的设备来入手，设置谐波补偿装置，提升设备的抗干扰性能；增强谐波保护能力；调整谐波源的工作方式；应用多重化技术等。2电气化铁道供电系统谐波的检测2.1谐波的产生通过受电弓，电力机车从接触网中获取25Kv的交流电，机车主变压器、钢轨、大地、牵引变压器形成回路。机车主变压器降低电路电压，在经过整流装置以及平波电抗器之后，电流变成直流电，为电动机提供牵引力，驱动机车运行。由于机车主变压器、整流装置、平面电抗器等的影响，反映到机车主变压器原边的电流波形发生了畸变，不在是正弦。所以，在牵引电流为周期性的非正弦波的时候，使用傅里叶级数能够将牵引电流分成基波电流分量以及若干频率为基波频率整数倍的谐波电偶分量。计算表达式为： (2.1)式中-基波电流分量；-第n次谐波电流分量；-第n次谐波电流分量的初相角。相比于供电系统的牵引力，电力机车的阻抗非常的高，因此电力机车可以被看做谐波的恒流源。但是因为机车的启动、加速、停车、过弯、上下坡等不同的情况，取流也在随之变化，谐波电流分量也不同，因此每台电力机车都可以被看做可移动的、不断变化的谐波电流源。国际认可的谐波的定义为，谐波是一个周期电气量为正弦波的分量，也就是说，谐波的周期量为周期量，其中傅里叶级数高于1的h次分量，其频率为基波频率的整数倍。谐波次数是正整数。50hz是我国规定的电力系统的额定频率，其2次谐波为100hz，3次为150hz。部分国家将60hz定为电力系统的额定频率，也就是说基波为60hz，其2次谐波为120Hz，3次谐波为180hz。从中可以看出，谐波的次数不能是非正整数。通常输电线路出现谐波首先是因为发电机输出的电压并不是非正弦波，之后是负载的非线性。如变压器、电抗器、铁磁元件、各类电弧设备等，特别是整流设备，其中会产生多种谐波。供电系统中的谐波主要是在对周期性正弦型电量使用傅里叶级数展开，能够得到与电网基波相同的分量以及其他高于基波的分量，这些高于基波的分量被称为谐波。谐波频率比值与基波频率比值的比值被称为谐波次数(/)。有的时候，电网系统中也会出现非整数倍谐波，通常被称为非谐波(Non-harmonics)、分数谐波。谐波就是一种干扰量，对会电网系统造成污染。电力系统对谐波的研究主要倾向于研究谐波的产生、传输、计算、影响和限制，电力中的谐波频率通常是2≤n≤40。韶山1型电力机车为硅整流机车，新型的韶山3型电力机车使用调压开关以及晶闸管级间相协调，平稳过度进行调压。相当于八段桥晶闸管相控机车。图2.1为整流电力机车的主回路示意图，其中(a)是中性点抽头电路；(b)是半控桥电路。由于接触网的负荷，机车中使用的牵引电流中有大量谐波成分。图2.1整流电力机车的主回路原理图整流电力机车运用初期，为了使平滑，设法增大平波电抗器电感；另一方面为减轻机车重量和造价，又要尽量减小。实践证明，高次谐波含量与，的关系比预想的小。图2.2(1)为我国引燃管、半导体整流机车一次电流的波形，图2.2(2)晶闸管相控机车一次电流的波形。图2.2(1)引燃管、半导体整流机车一次电流的波形图图2.2(2)晶闸管相控机车一次电流的波形图在对整流电路的电磁进行分析之后，在对电力机车的一次电流进行分析更加容易且准确。然而，在机车使用的过程中，将机车电流以及供电回路当作整体进行分析是很难的。所以，B·A·高洛瓦洛夫在对整流机车的谐波进行分析的过程中，提出了一下四点假设：（1）假设牵引变压器原本的电压是正弦波形电力；（2）将接触网分布电感转变为集中电感，不计接触网对地电容造成的影响；（3）不计机车主变压器中的电阻影响；（4）假设只有整流电流中的直流成分会影响牵引电机的反电势。反电势主要包括三种类型，分别是管压降、电枢反电势、阴极电阻压降这三种。按照以上提出的四种假设，高洛瓦洛夫对接触网中的牵引电流中的谐波进行了深入分析，研究结果为：不管是哪一种谐波其趋势都是与重迭角（ϒ）成正比，但是并不是完全正比趋势，其中有一些波动情况。谐波的次数数值越高，波动的频率也越大，振幅越小，当谐波的次数超过30次时，波动幅度极其小；（2）重迭角确定时，相对阴极电感（K）变大，谐波变小。在计算的过程中，如假设中提到的，接触网分布电容的影响忽略不计，所以计算结果并不能完全体现出电力系统中的电磁变化情况等。通过多次的计算和实验，当K值处于2.5~5.5的范围内，同时负荷在<ϒ<的时候，计算结果基本上可以反映实际情况。3次谐波的实际数据与计算数值基本相符，当谐波次数越来越高，计算值开始出现误差，实际测量值偏小。5次谐波约低35%，7次谐波越低40%，9次谐波约低60%。11次谐波和13次谐波基本属于系统确定的谐振频率，实际测量值已经提高了很多，但是相比于理论值还是偏低的。供电臂的距离越长，分布电容的值越高，所以实测值与理论值之间存在一定的差距。同样，复线区段和单线区段之间也是存在差距的。从本质上来说，上述进行的计算和分析只是机车的一次电流。从波形图中可以发现，波形与理论预测基本相同，而且具有一定的平滑度。但是，在实际的实践过程中，在进行换相时，机车出现了轻微振荡现象。电力机车的整流负荷中有很多谐波成分，因为滤波措施没有发挥应用的效果，电铁负荷中的谐波电流进入公共电网中。从电铁运行伊始，对多地的电网系统造成了极大的损害，网损明显加大，发电机转子损坏，继电保护和自动装置非正常频繁启动，用户电动机和电容器大量烧坏或不能正常运行，小火电厂不能就近并网等一系列危害，使国民经济蒙受了巨大的损失。随着电铁运量增加和向东部发达地区扩展，如电铁谐波仍不能得到及时治理，其产生的危害将会更加严重，对此应有足够的估计。关于电铁的谐波标准，一直是电力和铁道2大部门争论的焦点。电铁谐波实际上长期处于失控状态。几乎每个电铁工程均引发了谐波标准的争议，为此国家计委委托中国国际工程咨询公司协调此事。1997年5月成立了专家工作组（由电力、铁道2部及一些高等院校的专家、教授组成），在中咨公司的领导下开展工作已达1年多，尚未得出结果。本文试图结合对国外有关标准的介绍，指出谐波国标用于电铁的问题，并以电铁南昆线和京广线上6个牵引站作为计算实例，提出确定电铁谐波限值计算方法，希望能为解决此问题起抛砖引玉的作用。目前，电力系统中出现谐波的原因主要有以下几点，首先是发电质量不高，其次是输配电系统问题，最后是用电设备问题。2.2谐波电流的影响2.2.1谐波的危害谐波的对电网系统和设备的恶劣影响是不容忽视的。谐波会影响电能的产生，降低电能的使用效率，导致电气设备温度提升，出现谐振和噪声，对设备边缘损害十分严重，降低使用效率，出现故障以及事故。供电电压发生畸形变化，对用电设备造成极其恶劣的影响、影响设备的功率，对电路造成损害，缩短电容器的使用寿命，自动装置以及继电保护装置异常启动，感应电动机的损耗提升，电动机使用过热影响换流装置的正常使用，电力计量误差加大，影响通信系统以及相关设备的正常使用。2.2.2对变压器的危害谐波不仅会导致变压器绕组过热，还会使外壳、钢片以及部分零件过热，对绝缘介质造成不可逆的损害，减少了变压器的使用时间。不断是正序还是负序的谐波电流，都会对变压器的铁芯造成不良影响，使之出现噪声以及磁滞伸缩现象。当谐波出现谐振时，经过电压之后，变压器有极大的可能被损毁。谐波电流会增加变压器的过度铜耗。尤其是3次、6次等3的倍数次的谐波，在三角形链接的变压器中，谐波会在变压器中形成环流，使得变压器的温度提升。在全星形的变压器中，绕组的中性点与地面相连，如果该侧电网中有较大电容或者存在中性点接地的并联电容时，有极大的可能会出现三次谐波，对变压器造成恶性消耗。2.2.3对发电机的影响谐波电流在三相定子绕组中会出现谐波旋转磁场。此处的旋转磁场与转子用数倍同步转速相交链，所以，在转子回路中，能够感知到数倍基波的电流和电压。定子谐波转磁场与转子激磁电流会产生交流电磁力矩，同样，定子的工作旋转磁场与转子中的谐波感应电流也会产生交流电磁力矩。在交流电磁力矩进入中转子轴以及定子绕组基座时，会出现额外的振动扭矩。如果谐波进入三相定子绕组会使得定子的铁芯和绕组的温度提升，耗费更多的电力。如果谐波电流以及负序电流在同一时间进入到三相定子绕组时，转子激磁绕组回路中会出现6倍甚至是12倍的基波频率的电流。这样的电流会对转子激磁绕组造成过度损耗。因为谐波旋转磁场在转子的阻尼绕组中会引起电流，如果感应电流超过正常范围，阻尼的温度会持续提升，导致阻尼损坏。2.2.4其他影响供电企业负责将电能输入到各家各户，低压电网的损耗很大，这会对供电企业的经济效益造成损害，甚至阻碍企业的正常运营和持续发展。如果农电工承包的地区的线路损害程度较高，损害较大，农电工的奖金甚至是工资都会被扣，这对农电工的工作热情造成极大的负面影响。变压器和线路以及开关设备的损坏会提升供电企业的成本消耗，同时因为要对电路和系统进行检查而停电会对供电企业的经济收益造成极大的影响，也会降低供电企业在社会大众心中的信用度和可靠度。3谐波振荡与通信干扰因为部分谐波出现了振动情况，通信信号和频率会被接触网中的牵引谐波电流干扰。从谐波在接触网中的传输情况以及相关特征中可以发现以下几点内容：（1）接触网中的牵引电流的谐波的振荡幅度并不是固定的，而是一直变化的，变电所处的波动值最高；（2）出现谐振的谐波将会出现驻波；（3）供电臂机车数和负荷的变化不会对谐波振幅造成影响，但是谐振的相对值是不断变化的。因此接触网中的谐波电流感应的影响不是单一的，而是具有较高复杂性的。现提出以下假设，接触网中传输的均是固定频率的高压电流，这种高压电流也被称为等价干扰电流，按照回线间的感性祸合，对绝缘通信导线上的感应纵电势进行推导，之后按照通信回线的不平衡度计算出杂音的公式。这一公式的推导过程在理论上来说是可以实现的。然而，实践表明，计算值均高于实际值。因此，这样的计算公式就丧失了在工程设计过程中的实用意义。因为理论计算数值高于实际数据，所以会导致原本的路线出现误差，做了很多不必要的变化，消耗了成本。所以对其中的原因进行探索十分关键，同时结合实际情况，提出了以下几点意见。3.1等效干扰电流的取值问题现阶段使用的计算方法将接触网中传入的电流看做是等效干扰电流，同时也将牵引电流中的谐波影响以及接触网中谐波谐振影响计算在其中。计算过程中还包括了符合电流和机车数对谐波相对值的转变系数。此处所说的谐波相对值都是通过变电所的测算数据获取的。但是变电所的电流谐波含量与接触网中牵引电流的谐波含量并不相同，与机车一次电流中的谐波含量也是不同的。之所以不能忽视杂音的影响则是因为谐波振荡以及谐波附近高次谐波的影响。所以，在对谐波的电流传输情况进行分析时要尽可能计算出准确的杂音系数。从下图机车电流以及变电所的电流波动图中可以发现，机车电流的波形更加平滑，变电所电流的波形程度更加明显。从平滑到显著的波形变化并不是一瞬间出现的，而是在电流传输过程中不断增加扩大的。国外有学者使用模拟装置对机车电流以及变电所电流的波形变化进行研究测算，在内阻为0的变电所单臂供电区，远端是整流机车，机车电流中有高次谐波的成分，相应区段长度为含波长的谐波电流，所以谐振开始变大，更加显著。在接触网中，同样频次的高次谐波振幅在机车到变电所的过程中不断提升，从波形图中就可以看出这一变化。图3.1机车一次电流和变电所牵引电流波形图接触网供电系统的谐振，无疑使某些谐波的干扰影响加大。苏联防护规程将定为波系数()，这一规程涉及到了接触网、变电所中的多项参数和杂音系数计算方法。因为现阶段我国针对电铁接触网中对通信干扰的计算过程中，主要将变电所中的等效干扰电流作为实际测量数值，但是将整个区段的电流都看作等效干扰电流，这样计算结果的准确度就会降低，与实际有一定差距。3.2通信回线的敏感系数电铁系统中谐波对通信情况的干扰其他电力系统相同，但是也有一些不同之处，这也是他的特点。在电铁的供电系统中，因为负荷大小会受到机车的运行情况影响，同时由接触网中谐波的供电方式、供电臂的距离、机车的种类以及具体的机车部分等多种因素共同决定。所以干扰源时刻都在变化。与此同时，通信系统中，回线的不平衡度对干扰情况也具有极大的影响。干扰源、不平衡点、负荷大小等都是具有一定随机性的，所以通信回线上的杂音也存在随机性的。因此，要使用理论上的计算方式进行计算，其计算结果的有效性也是有待商榷的。现阶段使用理论计算的方式来计算通信系统回线的平衡度，即回线对干扰的敏感系数，是有一定难度的。但是使用模拟测量来计算和验证也并没有统一。实际的测量数据显示，在同一条市内电话线的回线上，值差在一个数量级中。加感回线是不均匀回线的一种，所有加感点都会产生上电波反射，平衡度受到频率影响。所以，在一样的前提条件霞，针对不同回线得到的测量值也是不同的。在宝凤段运行伊始，在电车运行时，从部分回线阶段的杂音系数的测算值中可以看出，回线敏感系数不是固定的，数值范围很大，但是分布的较为集中，基本吻合日本的研究数据。研究结果显示90%在40dB以上，50~55dB段较为集中。4电气化铁道谐波治理4.1减小谐波电流影响的措施通过设置并联电容补偿装饰过滤谐波。将并联电容补偿装置与电抗器相连接，设置合适的电容器组合电抗器的数值，就能够使得并联电容能够过滤谐波。这也是现阶段使用较多的过滤谐波的方式。设并联电容补偿装置中电容器组的基波容抗为、串联电抗器的基波感抗为，则并补偿的基波阻抗、谐波阻抗。 (4.1)如公式(4.1)当，即并补偿装置发生地n次谐波串联谐振时，相当于第n次谐波在并补偿处被短路，即滤掉了第n次谐波。此时有即，所以或。也就说，当或时，并补偿装置滤掉了第n次谐波。但注意的是，这只是滤掉了第n次谐波，而其余谐波仍将进入电力系统。变流器通过多脉冲化的方式能够有效的减少的谐波电流的产生，同时还能降低中的谐波含量。这种方式使得进入电网中谐波降低。对于电力机车上的并联补偿装置设置，可以在变压器次边的调压绕组间以及基本绕组间设置谐波过滤装置。这种并联谐波过滤装置能够过滤到3次谐波以及5次谐波，降低机车中电流的谐波含量。4.2谐波的治理方法目前常用的谐波治理的方法有六种，分别是设置电抗器、有源电力滤波器、滤波模块装置、新型变流器、使用D-YN11接线组别的三相配电变压器。下面对这六种方法进行详细的分析。目前，谐波的治理方法主要是降低谐波的产生以及抑制谐波的产生。可以选择合适的供电方式来解决这一问题。可选择的供电方式有：抑制电容器扩大谐波、增强设备的抗谐波性能；提高针对谐波的设备保护能力；转变针对谐波的工作方式以及限制谐波源的产生能力，应用多重化及时等手段。然而受到设备情况、效率要求、成本限制、可靠程度及实用效果等多种情况的影响，谐波并没有被完全限制或者消除。例如，使用失谐电抗器来限制谐波谐振的扩大，其在谐波过滤方面的作用微乎其微。现阶段使用较多的谐波治理方法就是在公共电网以及谐波源设备系统附近使用LC无源电力滤波器，兼顾谐波吸收和功率补偿两个方面，运行环节和维护过程都十分便捷，成本消耗少，技术可靠性也较高，但是治理效果却迟迟难以提升，谐波过滤的情况并不稳定。如果滤波设备出现问题，那么将会加重谐波对电网以及用电器的恶劣影响。同时，设备的运行需要大量有色金属的支持，体积巨大，占据较大的空间，逐渐脱离了时间发展的脚步。在使用有源滤波器过滤谐波时发现，设备的运行不会被阻抗的情况所干扰，同时还能够补偿无功功率以及负序电流，还能够集中治理多个不同次数的谐波。随着时代的发展以及滤波技术的提升，以瞬时无功功率为理论基础进行的谐波检验方法更加全面科学，同时在自动化和数字信号技术的推动下，有源滤波器的发展脚步加快，开始进入实践测试。4.2.1采用适当电抗器变频器的输入侧功率因素由设备中的AC/DC变器传亮，降低40%左右的进入电网中的电流的THDV值。滤波效果较为明显，可达50%左右。4.2.2装设有源电力滤波器现阶段使用较广的抑制谐波的设备时有源电力滤波器。该滤波器主要是通过串联或者并联到主电路中来发挥作用，及时对补偿对象中的电流进行检测，如果检测发现其中存在补偿电流，那么补偿装置则会发出一个与谐波各数值相同或者相似，但是方向相对的补偿电流，保证电网中只有基波电流进入，没有谐波进入。该滤波器受到系统的影响较少，不会出现放大谐振等恶劣影响。效果良好且风险低，受到多个国家的青睐，在日本，该装置已经被应用到了实际中。4.2.3采用多相脉冲整流如果谐波情况较为轻微，抑制和治理要求较低时，可以使用多相脉冲整流的方法来进行谐波治理。12相脉冲整流的THDV约为13%，18相的脉冲整流约为5%，已经达到了国际标准。但是需要特别