地铁供电谐波研究

题目：地铁供电谐波研究

目录18545摘要 错误!未定义书签。7775第1章绪论 错误!未定义书签。160461.1研究目的 错误!未定义书签。230791.2研究背景 错误!未定义书签。10878第2章相关理论综述 3187912.1谐波概念 错误!未定义书签。52002.2谐波产生 错误!未定义书签。30299第3章供电谐波危害 1023305第4章供电系统谐波防范与治理 错误!未定义书签。277594.1电力系统谐波抑制措施 错误!未定义书签。189684.2建立新型整流变压器架构 错误!未定义书签。168264.3电气化轨道交通谐波抑制措施 错误!未定义书签。致谢参考文献 西南交通大学网络教育毕业设计（论文）PAGEI摘要地铁供电中牵引整流机组整流出来直流1500V和750V供电制式，整流机组采用的是等效24脉波整流和12脉波整流。以下内容主要介绍了谐波到底是什么？从何而来，谐波产生的原因，对于谐波造成的危害，在现有技术中我们应怎样去解决这个问题。我们研究谐波的背景是在怎样的条件下进行，谐波对于电能的危害影响是包括哪些内容，对于地铁线路的谐波影响，我们该采取怎样的措施来消除或者减小谐波带来的影响。西南交通大学网络教育毕业设计（论文）PAGE1绪论1.1研究的目的在研究谐波的问题上，谐波治理的重要性和它的意义是非常重要的，治理谐波问题，随着科技的发展，体现的越来越深刻。在我们国家，人民的生活水平日渐提高，包括工业方面的生产水平也处于世界前列，极其多的非线性用电设备，在供电系统电网中大范围的投入使用，这样所导致的结果是大家都不想看到的，我们所抵制的谐波问题越来越严重，含有的谐波成分也越来越大，这对我们的电力系统造成了十分严重的危害。在我们学习谐波的过程中，发现它对电能会造成严重不良的影响，因为我们都知道，电能在它的利用方面，传输方面，及其它的生产方面，都有很重要的作用，可是因为谐波的存在，它会导致这些优点下降，而这些优点的下降，则会导致我们所使用设备出现严重不良的问题，例如：本来设备的绝缘程度是可以维持十年，但是因为谐波的原因，它的绝缘程度就会下降，造成绝缘提早老化，谐波使设备温度不正常，发热较大，运行声响也不正常，最终这些问题都会导致设备的使用寿命缩短，当然也会有更严重的事故，那就是设备烧毁。因此，我们对于谐波危害的影响以及如何治理谐波来研究，我们对于谐波研究的意义,主要还在于自身电子技术的发展，可现在我们面临的首要任务是谐波已经成为阻碍电子技术的发展，谐波的存在促使我们必须对电子技术负责任，必须来解决谐波带来的恶劣影响。所以，我们必须消除谐波污染,这对于电力系统,最重要的是电力电子系统有很重要的实际意义。1.2谐波研究的背景在一九八零年之后的时间内，我们对于电能的可靠性越来越依赖和关注。电能是一种清洁，廉价，方便并且特别容易操控的一种东西。众所周知，我们家庭中使用电，是要缴纳电费的，我们也可以理解为电能是一种摆上货架的商品，现在我们来想这个问题，既然是商品，那么我们对于商品的选择有哪些要求呢？首先必须是质量要求，因为质量问题是最重要的。电能质量的好坏直接影响我们用户的设备安全，还有我们的经济。当今社会对于电能的需求，就相当于我们对于水资源的需求，是绝对必不可少的，如何对电能的利用得到最好的优化，是我们现在迫不及待要去解决的问题。在全球化经济发展的趋势下，每个城市都对电能有及其强烈的需求，所以呢，我们对于“商品”的质量要求也越来越高。我们对电子技术越来越关注，所以这些东西会导致谐波问题越来越严重，社会关注越来越广泛。谐波的源头，特别是大量的谐波进入了电力系统，在电网中产生了谐波电压，从电网里汲取了电流的同时，也向安全的电网中流入了不安全的谐波，谐波的危害就表现了出来，就会使正常的电压波形发生了变化，也就是产生畸变，导致电能的质量下降，电能利用率没有得到充分发挥，严重的影响了各种设备的安全运行，威胁了电网的安全。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，使设备烧坏，最后造成电量的计数错误。谐波还对于各种电子设备，通信信号造成影响。谐波的危害如此之大，我们必须采取措施来阻止谐波造成的影响，只有这样才能使电力系统安全运行。因为谐波的存在，我们也必须要探索有关电子技术方面的知识，现在我们面临的首要问题就是：谐波的存在，使我们放慢了对电子技术的发展。谐波对于电子技术来说，没有谐波的干扰是很重要的。所以我们必须消除谐波污染，只有这样才会使电力系统运行正常可靠的运行。第2章相关理论综述2.1谐波的概念“谐波”这个词组，我们一开始是在声学中发现的。电力电子装置，供电系统中的谐波问题，最早发现是在一九三零年和一九四零年。在一九三零年和一九四零年的德国，因为错误的使用了静止汞弧流器，结果造成了电流和电压波形的变形。二十世纪三十年代中期，杰才-瑞德先生，是他发表了资料，是有关于变流器谐波的学术文章。我们了解到的谐波有关的分析在公元1700年到1900年就已经有了比较的基础。有很多学者提出的有关于谐波分析的方法到现在都有人广泛的使用。我们对于“谐波”这个词，它是一个物理的概念，从我的指导老师那儿问道，是指它的周期性，和周期函数的波形中，不是与本来的函数，他们是最小的正周数余弦函数，再加上正弦函数，这两个加起来的组合部分。在电力系统中，谐波为什么会产生呢？它的产生原因是：正弦电压加压于负载上，这个负载主要是非线性的负载，它会导致产生谐波。负载主要是非线性负载，包括：不间断电源，开关，整流机组，逆变装置等。我们知道“傅里叶级数的分解”，是为了对有规律的不是正弦的电量，对于结果，我们不但得到了与电网的频率，几乎是相同的东西，我们还得到了，非常多的，比电网的频率还要高的东西，谐波的词也就是这些。在我们的电网中有些时候也含有不是整数倍的谐波。在我们的理解中，谐波其实也就是一种干预和阻挠量。它会导致我们的电网系统受到威胁，也就是污染。在电工技术的部分中，我们主要研究谐波的如何出现，怎样传输，怎么测量，它的危害是什么，我们用什么方法来减小或抑制谐波。谐波的频率范围大致为2≤n≤40。图1图2在图1里面，是我们理想中的交流电压，电流波形，在图2里我们可以看到实际状态下的交流电压，电流波形。现在我们来对比在这两个图，很容易可以发现第二个图里面有一些不稳定，存在着问题，有些波形是有凹凸不平的地方，这些凹凸不平的地方就是我们上面分析的谐波2.2谐波的产生在我们熟知的电能知识中，在电能的产出，运送中，都有可能会产生谐波。我们举几个能产生谐波的的设备：例如：交流弧焊机，气体放电等。我们以电子元件为基本的开关设备，例如：变频器，整流器和逆变器，还包括调节电压的装置，这些设备大量的用作矿山，铁道电气化，化工产业，冶金技术，还有各种各样的家用电器里。正常的电压波形为正弦波形，我们的设备是含有电流特性的，而且，电流是不会和电压同步变化的非线性变化的，它的组成是基础波形。因为谐波的存在，会让我们的电网产生波动。我们平时用的仪器仪表都会产生谐波，在遥视功能中，视频检测相同也会产生谐波。这些是电网在运行状态下的主要的谐波来源。我们在之前已经说到，谐波的源头大部分是指各种各样的电子设备，也就是非线性电子设备，这些电子设备分类的话，我们大致可以分为以下几个方面，开关设备：家庭常用的电脑电视机。交流整流再逆变用电设备：家用变频空调。直流用电的设备：机车和电镀。电弧加热设备:：电焊机，电炉等。现在，电力电网谐波产出的主要来源有以下几个方面：用电设备本身产生的谐波，我们的供电系统会生产谐波。还有常用的发电机也会产生谐波。1.对于在常用发电机设备上产生的谐波：我们对于发电机的知识储备是包括：例如接线等，采取一些措施，就有可能会消除一些谐波的电势，由于三相励磁绕组在制造的时候，非常不容易能做到完全对称，并不是完全按照正弦的波形来分布的，所以导致电势并不完全是正弦波形，它会产生一些谐波的残留，。我们削弱谐波的电势后，它的电势容量特别小，是可以忽略不计的。因为发电机的谐波问题，我们会对发电机装设除波装置，这样会减小发电机上的谐波含量。在我们地铁供电系统中，动力变压器是为四百伏母线提供电能的，而牵引变压器是为接触网提供电能的，这两套变压器都会产生谐波。因为在我们的变器中，铁芯是含有非线性的磁化特性的，我们设计变压器是要考虑金钱原因的，它的设计密度在拐点附近，所以会造成变压器的空载电流成为非正弦的波形。谐波中的电流，它是有大小的限制的，它的大小是根据外施的电压大小有密切的关系。如果外施电压变高的话，谐波的容量也越来越高，里面的三次谐波电流会到达额定电流的百分之零点五。因为电网中存在很多的变压器，所以谐波电流会汇聚的越来越多。2.用电设备中产出的谐波：对于近些年晶闸管整流的广泛应用，给电力电网造成了非常多的谐波，晶闸管整流设备包括开关装置，电车，电源，充电器等。大家都明白，晶闸管整流的装置是应用的移相的制式。整流的装置是单向整流的电路，我们在接入感性负载时则有着奇数谐波的电流，里面的三次谐波的容量会有基频波形的百分之三十，如果接入的是容性的负载时，也还有奇数的谐波电压，它的容量，也就是谐波容量，会随着电容值得增加而增加，有数据显示，我们的整流装置，它产生的谐波，是所有谐波含量的百分之四十。。3.我们用来变频的设备：大家理解中的变频装置有哪些呢？其实是不难理解的，有很多是电梯，不是我们理解中的变频空调之类的设备，还有在设备室中，用来通风的机器。大多数用作于车站中的电梯，水泵还有通风风机等设备中。因为我们用了相位控制的方式，含有的谐波内容成分比较杂，除了有整数次谐波之外，还有其他谐波，这样的设备一般功率大。4.是含有气体放电的光源中会存在谐波：:谐波是无处不在的，在家用的设备里面，我们所用的照明灯，是都属于气体放电的光源的。它们有时候会产生电弧，这些装置在使用情况下，会产生谐波的影响。第三章供电谐波的危害供电谐波的危害通常显示为影响一条线路的正常工作。谐波对线路带来的危害会有：促使设备运行温度升高，让设备的运行效率变得缓慢和减小；也会引起变压器及电动机和其它相关设备的损耗和产热。发生多余的热量之后，就会导致设备的使用寿命减小，设备的绝缘程度会加快老化，极有可能损坏设备；谐波的产生会减小继电保护装置和检测装置的运行准确度和安全性。在设备运行中有谐波产生时，产生的谐波会流入电网中，导致无功功率增大，如果功率加大的话，那么功率因数就会降低，严重的话会导致并联或串联谐振，让我们的电子设备损坏。随着科技的发展，实际生活中使用大功率的半导体开关器件物品会越来越多，举几个例子：像我们家里面常用的洗衣机，热水器，照明灯，电视机，抽油烟机等，就算是每个用电设备造成的谐波电流不多，可是从另一个角度来看，我们使用的设备数量及其庞大，分布及其广泛。我们使用的家庭用电器还会有一起使用的特点，这些设备一起使用的话，会导致有某些时候对电网造成的谐波问题会很严重，这样会使设备无法正常来工作，让设备停止运行，最后会让电网中的中性线负载及其大的电流，干扰供电系统的电力正常运送。在电压降低，升高，电压脉冲和瞬时供电停止的问题。这个的时间虽然比较短，动作确非常的快，会对一些特殊的设备造成不好的影响。我们的谐波问题会引起各方面的重视，尤其是生产设备的地方，还有我们使用它的地方，我们找出来谐波的问题，就要去解决它，它的危害影响让我们的运行机构很是头疼，尤其是产生多余的热量，减小设备的运行效率和利用的比率。我们来举几个例子说明：1.使电机运行效率下降：如果电流的频率和定子的频率差不多一样的时候，电机就会发出异常声响和振动。谐波的危害对电机上表现在趋肤效应，它会引起转子表面的局部发热，使电机的使用寿命下降。谐波也会导致定子的零件发热。对于电机来说，如果引起定子的线圈的发热时，绕组电机的转子也会过热，会导致绝缘下降，减小了电机的使用范围。我们知道，在定子中的真序还有付序的谐波电流，这俩个正序和负序的电流，一个来产生正向的磁场，一个产生了与正向相反的磁场，它们会导致什么结果呢？毫无疑问，它们会损害电机的正常运行。还有另外一个不好的影响，那就是产生多余的损耗。在呼和浩特地铁里，电动机的使用是非常广泛的，它的存在，大约占所有负荷的百分之八十多。所以，谐波会让附加的损耗增加最为明显。电机的发力通常不是按产热情况来表示的。有数据显示，额定功率下连续承受百分之三额定电压的负序电压时，电机的绝缘的寿命要降低一半。所以，在电动机工作里，我们严格要求，电动机应该承受的电压，最好是额定电压，最大不要超过他的零点零二。2.谐波对变压器的危害，它对变压器损坏在哪些方面：在变压器运行中，因为有谐波的存在，它会让变压器的绕组产生热量，这个热量可不是我们知道的那种正常的热量，而是运行之外的多余的热量。谐波另一方面会造成设备外壳发出热量，导致外部的绝缘层出现老化的现象，减小了变压器的使用寿命，使设备运行年限减小。上面我们说到，因为有真序和付序的原因，本来变压器正常运行的声音是“嗡嗡嗡”声，现在可能会有其他别的声音。因为有谐波电流，所以在他的影响下，它的作用下会让变压器里面的铜损耗上升，主要是三次谐波及其他的倍数次谐波，我们对三角形连接的变压器，在其中会产生环流，结果会导致绕组和铁芯发热，对于星三角连接中的全部的星形的连接的变压器，如果绕组的中性点接地的话，绕组侧电网中会有分布电容大的，要不就是带有中性点接地的并联电容的时候，会造成三次的谐波振动，这样会使变压器的附加损耗增加。3.对线路运输的危害影响：谐波对电路影响主要是会导致线路的电能损耗提高。因为电缆的分布电容会对谐波电流有很大的影响，所以会对电缆局部放电，设备的温度也会升高，会导致电缆的使用寿命减小的很快。因为我们通过学习知道，阻抗频率特性曲线中，是在线路中所特有的，因为它的存在，线路的电阻值得大小，会根据频率的影响而产生相应的变化。在数学图形上可以表达为一次图形，随着频率的升高而升高。因为在有谐波电压和电流的作用下，谐波会导致继保装置发生误动作，这个情况是不容乐观的，我们知道，继保装置是用来保护和测量设备的，如果它出现问题，设备将会受到很大的影响。更严重的情况是会导致设备损坏，在此同时，会产生很大的谐波电网损坏。4.电力电容的破坏在数据下，因为谐波而造成设备的损坏，电力电容器的所占比例是最大的，通过电容器的特性我们知道，它的状况特性是和频率有关的，在数学图形中可以表示为二四象限的图形，是随着频率的增加而下降。所以我们明白，谐波的危害是和电容器有关的。因为有谐波电压的存在，它会很容易让电容器受到影响，从而造成电容器的局部放电。电容器损害增加，温度也会相应的升高，所以会导致缩短电容器的使用寿命。在谐波的电压作用下,装设在构架上的电容器的外壳产生机械会产生力学上的共振。5.对电能的测量不准确：谐波的影响对测量的仪器仪表也会有很大的影响，主要表现在对电能测量方面。电能的测量装置是根据国家标准的频率来设计的，也就是50HZ，在负荷电流中，里面含有的谐波成分会影响感应式电能表的正常工作。如果谐波的含量很大时，电能的测量就会不准确，它的合理性也会受到质疑，电能计量的误差。因为有谐波缘的存在，我们在用电能表记录的时候，谐波源的污染，它们会导致电网受到严重的影响，它的结果却是要电费交的不多。因为线性负荷的用户处电能表，他可以用来记的录是：这个的用户吸收基波，吸收的电能再加上部分的谐波电能，第二个它会让线性的负荷性能变的不太好，还需要及其多的电费，对我们自身有很大的损失。6.谐波的影响会对继保装置的可靠性下降：我们都知道谐波影响的不好，谐波会严重的影响系统内的保护装置，所以我们得出结论，它需要的整定值是特别小的，但是它的反应速度确实很高的，我们举个例子，如果我们在付序上多加上谐波的扰动的话，这个时候，电动机的保护就会发出来，电动机有什么保护呢？是付序的电流保护，这个保护一旦发生的话，就会导致误动作，最后的结果那就是跳闸，这会引发严重的后果。谐波的影响危害会导致继保装置的不确定动作，那么自动装置也会随着发生不确定的动作。因为有部分继电器的整定值是比较低的，它们会受到电压或者电流的影响，这些电压电流是恶性影响，都是谐波电压电流。这些影响，会导致严重电力系统的危害运行。7.谐波的存在，对于通信系统的影响？在地铁线路中，通信信号是必不可少的一部分内容，谐波会给通信信号带来影响，它具体会影响哪些东西呢？我来举几个例子大家就会知道了，在通信室内，我们会有和各个站的联系，这些联系都是要通过电话来联系的，可是因为谐波的存在，它会影响通话的清晰度，对我们交流工作带来了及其不方便的影响，有可能造成通话不及时而带来的事故，所以，这些是谐波对于通信信号的干扰。在我们所学的电力系统中，谐波还会通过电磁感应方式对通信信号造成严重干扰。在供电系统中，静止变流器在换相期间，电流的波形会发生急剧的变化，发出的脉冲电压，里面所包含的谐波频率是很高的，甚至会达到1MIB,所以，会引起电磁的干扰，对通信的线路，通信的设备会产生极大的影响。在电气传导中，在接地故障的时候，会带来危险的过电压。8.谐波会造成设备的不正常工作。谐波的影响会让家庭里面的电视机和计算机的图形发生变化，显示的画面亮度也会发生相应的波动变化，这不仅仅是图形发生变化，而且对设备的运行也会造成影响。它会让运行中的设备产生多余的热量，对我们设备有不小的损害。第四章对谐波的防护和治理内容4.1关于电力系统的谐波的抵制：我们对城规交通供电系统谐波的防护过程中，有效的方法有以下几点1.积极主动的治理措施这个治理措施指的是用于扩大变流装置的相数，变化谐波源的工作类型。这个虽然可以积极主动治理谐波的发生，可是因为非线性元件的样式特别多，如果只靠这个方法治理的话，不可能完全消除谐波对电力系统的影响。2.吸收端的措施：我们的这个措施是指在工作中，进行谐波的抑制时，我们要选择正确有效的治理办法，我们要增加供电系统的抵御谐波的能力，我们要解决电容对谐波的放大作用，增加谐波的保护措施。在吸收端治理措施的做法里，我们通过采取各种措施来抑制，这样会有利于改善电力系统的性能。3.被迫治理的措施：被迫治理的措施是指在我们抑制谐波的过程中，利用外加设备来抑制谐波的发生，例如有源滤波器就可以减少谐波的影响。4.2.成立新的整流机组架构：在北京地铁的牵引供电系统中，在感应滤波的原有基础上，变化整流机组的两套阀侧接的方法，它们两组的线电压差角为三十度，会形成十二脉波的换向整流变压器，在两组阀侧的绕组匝数比一样,这样制造更容易。滤波的方案主要是改变绕组的连接方式，在公共绕组的抽头位置连接五次、六次、十一次和十三次的特征谐波滤波器，相应频次谐波的滤波器，它产生的支路阻抗是0，造成谐波电流的短路。在实际的供电系统运行过程中，假如谐波电流流经延边绕组不通过原边的绕组，而是直接经过滤波器的支路短路，则会造成延边绕组，还有公共绕组，因为谐波的电流而产生的谐波磁势就会均衡，会有效地将阀侧谐波，及网侧绕组相阻隔。我们在进行变压器的绕组设计时，我们只需合理的布设公共绕组，就会将绕组阻抗设计为0。在我们实际变压器的设计过程中，很准确的零阻抗设计一般是难以实现的，但只需要合理的设计：公共绕组及有效阻抗，不要超过网侧绕组及有效阻抗的百分之五，这样就可以满足工业设计的需求。4.3电气化轨道交通谐波抑制措施科学技术发展到现在这个时间，在我们的城市轨道交通建设中，电气化的轨道交通发展是极其迅速和优良的，与此同时，我们对于电气化轨道交通供电系统中，电能的优良程度，把控的要求越来越高，它使我们严格要求控制谐波的产生，在现如今的条件下，我们对于谐波的控制，可以采用以下几种方法：用新型的交-直-交流型的电力机车,更换既有的交-。交-直-交流型的电力机车所采用的是四象限脉冲变流器,而逆变器采用的是PWM控制方式,因此谐波含量比交-直流型的电力机车谐波含量有了明显的减少。②主变压器的牵引绕组上直接安装无功补偿装置,在补偿装置实际安装过程中,对于电容器以及电抗器,采用串联的连接方式,其中,电容器能够有效提供容性超前无功功率补偿感性负载消耗的滞后无功功率,从而促进功率因数的提高。我们必须严格听命于国家的标准，从各个方面来加强监测，加强对谐波源的分析。现在我们可以在变电所内设置一个电能质量监测装置，同步观察和监视牵引变电所内的电能质量的各类指标。在我们知道有源滤波器里，借助两个电压互感器和电流互感器，在通过它的电子设备，用来记录实际中的电流曲线。在电流曲线中，平均以频率10KHZ来取样。算出来的大小，可以通过IGBT桥式装置，在注入线圈中，将移相一百八十度的电流注入电网中，也就是一个正值被一个负值相抵消，我们从中可以得到一个干净的正弦波。还有另外一个角度，我们可以改变谐波源的配置，要不可以是工作方式，这样也可以减少谐波的作用，我们用来检测谐波的装置，在治理的过程中有着很重要的位置，我们在实践的过程中，提高