【电气化铁道供电系统谐波对通信的干扰的研究8100字（论文）】

电气化铁道供电系统谐波对通信的干扰的研究目录TOC\o"1-2"\h\u8335引言 168561电气化铁道供电系统谐波的检测 2252291.1牵引电流及其谐波 2115521.2谐波电流的影响 5225802谐波振荡与通信干扰 695392.1等效干扰电流的取值问题 7182092.2通信回线的敏感系数 8109033电气化铁道谐波治理 9144583.1减小谐波电流影响的措施 9275673.2谐波的治理方法 10272354结论 1122654参考文献 12摘要：本设计为电气化铁道供电系统谐波对通信的干扰的研究，本次毕业设计主要就谐波对通信的干扰进行分析研究，首先开始介绍谐波的检测，包括谐波产生，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。为了减少上述不同的影响，国内外对新的供电方式和新的电力机车进行了研究，并采取了有效的保护措施来减少牵引电流对通信信号的影响。本篇文章仅涉及牵引电流谐波的产生和传输以及通信的低频噪声干扰。对谐谐波振荡与通信干扰研究。在电气化铁道谐波治理进行的研究和方法，以下几种是控制谐波的主要方法：从受谐波影响的装置或系统开始，以不产生或减少谐波的方式，主要有以下装置来补偿谐波；提高设备抗谐波干扰能力；提高谐波保护性能；改善谐波源的配置或运行模式；使用多重化技术等。关键词：电力系统；谐波抑制；通信干扰引言随着电力电子技术的快速发展，大量非线性负载（如电气化轨道牵引负载、定向负载、电力机车、电弧炉、变频调速装置等）已接入电力系统。输入电流失真，含有大量谐波成分。当非线路负载的谐波电流注入系统时，系统的阻抗中会形成谐波电压，导致电网电压失真，干扰数据传输。目前，电力系统的谐波问题日益严重，不仅削弱了电能质量，而且威胁着电力系统的安全运行。因此，分析和研究电力系统的和谐问题，并采取相应的阻尼措施，是一项十分紧迫的任务。谐波研究的重要性在于，谐波的危害非常严重：谐波会降低电能的生产、传输和使用效率，使电气设备过热，产生振动和噪声，并导致绝缘老化、甚至出现寿命缩短，故障或燃烧还会导致供电电压畸变，增加电气设备消耗的功率，降低系统的功率因数，增加传输线路损耗，缩短传输线寿命，增加电气设备损耗。变压器对电容器有很大影响，导致继电保护和自动装置工作紊乱，增加电机的损耗，导致电机过热，换流装置故障，导致功电力计量误差，干扰通信系统，影响其他设备。因此，消除谐波污染已成为电力系统，特别是电力电子技术中的一个重大问题。谐波研究及其抑制技术越来越受到人们的关注。1电气化铁道供电系统谐波的检测1.1牵引电流及其谐波一般来说，输电线路中产生谐波的原因是发电机的非正弦波输出电压，其次是负载的非线性。例如，变压器、电抗器、铁磁元件和各种电弧设备，特别是整流设备（点火灯、闸流管和半导体等）产生最丰富的谐波。谐波电流是每个正弦分量的统称，当非正弦周期性电流函数被分解成傅立叶级数时，其频率是周期性电流频率的整数倍。频率为原周期电流的k倍的谐波电流称为k次谐波电流，k大于1的谐波电流也一起称为高次谐波电流。通常情况下，理想的交流电源应该有一个纯正弦波的形状，但由于现实世界中的输出阻抗和非线性负载，电源的波形是失真的。如果电压频率是60Hz，用傅立叶变换分析失真的电压后，可以组成除了基频（60赫兹）外，还可以分解为倍频成分的组合（120赫兹，180赫兹，...）。倍频成份被称为谐波：harmonic。近年来，整流性负载的广泛使用造成了大量的谐波电流，也间接污染了市电，产生了谐波电压成份。此外，一些市售发电机或UPS本身的输出电压不是纯正弦波，甚至在方波的情况下，失真更严重，其中包含的谐波成份占很大比例。“谐波"一词来自于声学。在18和19世纪谐波的数学分析得到了很好的发展。傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛使用。电力系统中的谐波问题在20世纪20年代和30年代已经被注意到。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器，电压和电流波形被扭曲。JCRead在1945年发表的一篇关于变频器谐波的文章，是早期关于谐波研究的经典文章。在50年代和60年代，随着高压直流输电技术的发展，人们发表了大量关于变流器引起的电力系统中的谐波问题的文章。自70年代以来，由于电力电子技术的迅速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通和家庭中得到了广泛的应用，谐波带来的危害也越来越严重。世界上每个国家都密切关注着谐波问题。国际上已经召开了许多关于谐波的科学会议，许多国家和国际学术组织已经制定了标准和法规来限制电力系统和电气设备中的谐波。供电系统谐波的定义是将一个周期性的非正弦电量分解成一个傅立叶级数。除了获得与电力系统主频率相同的分量外，还有一些大于电力系统主频率的分量，这一部分的电量被称为谐波。谐波频率与基波频率的比值(/)称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波(Non-harmonics)或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，它"污染"了电网。电工领域主要研究谐波的发生、传输、测量、破坏和抑制，其频率范围一般为2≤n≤40。我国韶山1型是硅整流机车，而新的韶山3型采用了调压开关和晶闸管级间平滑过渡相结合的调压方式，相当于八段桥晶闸管相控机车。整流电力机车主电路的工作原理如图2-1所示，图中显示（a）中性分流电路（b）半控制桥电路。作为接触网的负载，机车迫使牵引电流产生许多谐波。图2.1整流电力机车的主回路原理图在使用整流电力机车的早期阶段，应增加平波电抗器电感，以使变的平滑；另一方面，应尽可能地减少，以减轻机车的重量和成本。实践证明，与高次谐波含量的关系要比预期的小。图2.2（a）是我国引燃管、半导体整流机车的一次电流波形，图2.2（b）是晶闸管相控机车的一次电流波形。图2.2(a)引燃管、半导体整流机车一次电流的波形图图2.2(b)晶闸管相控机车一次电流的波形图分析整流电路中的电磁过程，然后分析机车中的一次电流已经相对成熟。然而，在机车运行的时候，把整流电路（机车）和供电回路（变电所和接触网）放在一起分析比较复杂。为此，B.A.高洛瓦罗夫在分析这个问题时做了以下假设：(1)牵引变压器的原边电压被设定为正弦波。(2)用集中电感来代替接触网的分布电感，并且忽略了接触网对地面电容的影响。(3)机车主变压器原边的有效电阻被忽略。(4)牵引电机的反电势只由整流电流的直流决定。管压降、电枢反电势及阴极电阻压降都包括在反电势中。由上面所描述的可以看出，高洛瓦洛夫在对接触网牵引电流的谐波成分进行分析时，得出以下结论：（1）各次谐波振幅的大小，总体趋势是与重迭角（ϒ）成正比，但有波动。谐波次数愈高，波动频率也高，但波动振幅减小，当达到31次以上时，波动很小，（2）在一定的重迭角时，相对谐波减小阴极电感（K）增大。上述计算中，正如前述，未考虑接触网分布电容的影响，不能完全反映系统中电磁过程的真实情况。实测表明，当2.5<K<5.5，且负荷在很大范围变化(<ϒ<)时，一般实测值与理论计算值变化规律基本相符。3次谐波的测量值与理论值一致，随着谐波序次增高，实测值偏小。例如：5次低25~45%，7次低30~50%,9次低55~65%，11次和13次谐波相当于系统固有谐振频率，实测值增大，也还小于理论值。供电臂越长，分布电容越大，故理论值的偏差更大。同理，复线区段比单线区段的偏差大。以上分析和计算，实际上是机车一次电流。从波形图可以看出，它与理论波形一致，而且曲线很平滑。但在北京东郊环行道实测机车一次电流，在换相过程中出现微小衰减振荡。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。电铁的谐波长期以来一直不受控制。几乎每个电铁项目都产生了关于谐波规范的争议，为此，国家计划委员会委托一家中国国际工程咨询公司来对此事进行协调。1997年5月成立了一个专家工作组（由电力、铁道2部和一些高校的专家和教授组成），在中国咨询公司的领导下，已经工作了一年多，但没有任何成果。本文试图结合国外相关标准的介绍，指出谐波国标在电铁中使用的问题，并以电铁南昆线和京广线的6个牵引站为例进行计算，提出了确定电铁谐波限值的计算方法，希望对解决这一问题起到引申的作用。目前，电力系统中谐波的产生主要与三个方面有关：质量差的发电源产生的谐波、输配电系统产生的谐波、电设备产生的谐波。1.2谐波电流的影响1.2.1谐波的危害谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，会让电气设备过热、振动和噪音、绝缘老化、使用寿命缩短，甚至故障或烧毁。谐波会引起电力系统局部并联或串联谐振，放大谐波内容，导致电容器和其他设备被烧毁。谐波也会引起继电保护和自动化设备的故障，造成电能计量的混乱。在电力系统之外，谐波会对通信设备和电子设备造成严重干扰。1.2.2对变压器的危害除了变压器绕组附加发热外，谐波电流还加热了外壳、外钢板和一些紧固件，导致绝缘介质的老化，缩短了变压器的使用寿命。谐波正序和负序电流也会造成变压器铁芯的磁滞伸缩和噪音。谐振期间的谐波过电压也会对变压器造成损害。谐波电流还会使变压器的铜耗增加，特别是3次及其倍数次谐波，对于三角形连接的变压器，绕组中会形成循环电流，导致绕组过热。对于全星形连接的变压器，绕组的中性点是接地的，这一侧的电网分布容量如下安装有大容量或接地中性线的平行连接。使用电容器可能会导致3次谐波振荡和变压器的额外损耗。1.2.3对发电机的影响谐波电流流入三相定子绕组，将产生谐波旋转磁场。谐波旋转磁场相对于转子以数倍同步转速的速度相交链，因此在转子回路中感应出数倍基波频率的电压和电流。由定子的谐波转磁场与转子的激磁电流，以及由定子的工作旋转磁场与谐波在转子中感应的电流互相作用产生的交流电磁力矩，传到转子轴和定子资绕组基座上，引起额外振动扭矩。谐波电流流入三相定子绕组，还会增加定子绕组和定子铁芯的附加电能损失和发热，当谐波电流和负序电流同时流入三相定子绕组时，会在转子激磁绕组回路中感应出6倍或12倍基波频率的电流。该电流引起转子激磁绕组的附加电能损失和失热。由于谐波旋转磁场在转子的阻尼绕组中感应电势而引起电流，当感应电流过大时，回导致阻尼组过热，以致损坏。1.2.4其他影响供电企业直管到户，会导致低压电网的损失大，降低供电企业的经济效益，甚至造成企业亏损。在台湾地区，农电工实行线损承包，线损高的农电工被扣除奖金，甚至不发工资，这难免会影响到农电工的情绪。变压器烧毁、线路烧毁和开关设备烧毁，一方面增加了电力公司的供电成本，另一方面，维修和换购造成长时间停电，减少了供电量，但对供电方来说，减少经济效益，又影响供电企业的声誉。2谐波振荡与通信干扰接触网牵引谐波电流引起的噪声干扰，主要是个别谐波共振的结果。上面分析了谐波沿接触网的传输特性，结果表明：（1）接触网牵引电流中的谐波振幅分布沿线不断变化，在变电站处达到最大值；（2）驻波是由谐振电流形成的；（3）供电臂机车数和负荷增减，谐振频率不变，但谐波振幅相对值改变。上述情况说明，接触网谐波电流的电感效应很复杂。均假设接触网传输固定频率的干扰电流，或称等价干扰电流，按回线间感性祸合，推导绝缘通信导线上感应纵电势，然后考虑通信回线的不平衡度，或称杂音敏感系数，得出计算杂音的公式。该公式的理论推导过程是正确的。但是多次实测表明，理论计算值大大超过实测值。这样不但失去工程设计时进行杂音计算的意义，而且由于计算值过大，导致了不必要的线路迁移和增加不必要的电气化工程投资。这些原因需要进一步分析，并通过实地测试加以验证。2.1等效干扰电流的取值问题电流计算方法中采用的等效干扰电流考虑了牵引电流的谐波成分和接触网电流谐振的影响，以及负荷电流和机车数量对相对谐波值的修正系数，但所用的谐波含量的相对值都是在变电站测量的。实际变电站的谐波成分不能完全反映接触网的谐波成分，与机车一次电流的谐波成分有较大差别。鉴于噪声影响主要是谐振电流谐波的影响，其次是谐振谐波旁边的其他次谐波。因此，对谐波电流传递规律的分析将在准确计算噪声影响方面发挥作用。从机车一次电流和变电所牵引电流波形可以看出，机车一次电流波形平稳，而变电所牵引电流则表现出明显的振荡，并逐渐增大。国外模拟装置试验表明，在内阻为零的单臂变电站供电段上，远端为整流机车，其电流含有较高的谐波，因此对应段的长度为谐波电流的1/4，波长因谐振而强烈增加。在接触网中，相应的高次谐波振幅从机车到变电站逐渐增加。图3.1显示了一般的变化规律。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()，该规程列出了接触网及变电所变压器的各种参数和杂音计算的实例。由于我国电气化铁路接触网对通信的干扰影响的电流计算，采用的等效干扰电流是变电站电流的实测值。如果整个近距离的等效电流是相同的，理论上的计算就过大。2.2通信回线的敏感系数电气化铁路在通信方面的干扰不仅与一般电力系统相似，而且有其自身的特点。在电气化铁路电力系统中，负荷点和大小因机车的运行状况而异，接触网的谐波电流取决于供电方式、供电臂的长度、机车的类型等。这种干扰源是不断变化的。另一方面，受影响的通信环路本身的不平衡程度也是非常离散的。考虑干扰源，不平衡点及其大小是机遇性分布，所以回线的噪声也是机遇性的。在这种情况下，很难检查理论计算是否与测量值相吻合。关于通信回线的平衡度（或回线对干扰敏感系数），理论计算仍很困难，模拟测量方法也有分歧。现场测量表明，在同一条市话电缆中的回线相差一个数量级。至于加感回线由于是不均匀回线，每个加感点都会产生电波反射，平衡度会随着频率的变化而降低和改变。因此，在相同的干扰条件下，不同回线所测得的噪声值也是不同的。在宝凤段开通初期，笔者在电力机车运行过程中连续数千次测量了一些回线的噪声敏感系数。研究发现，环线敏感系数在任何时候都有变化，而且变化范围很大，但其数值的分布相对集中，这与日本的测量结果基本吻合。由于回线平衡度变化很大，回线的感应噪声也不一样。必须有一种科学的方法来衡量理论计算的正确性和噪声与标准的一致性。根据噪声测试数据分析，噪声值具有正态分布，可以使用统计方法。从噪声电压值和持续时间的矩，发现其数学期望值或其他平均值。同样地，在杂音计算中使用的敏感系数也必须使用大量的测试值来获得完整的敏感系数值。此外，大地电导率的数值、单线回路之间的音频互感系数和各种屏蔽因素直接影响到理论计算的准确性。由于这些参数的数值一般不大，累积误差也相应增加。如果对本文中的等效干扰电流方法进行逐一研究，过大的理论值的差异将逐渐得到解决。3电气化铁道谐波治理3.1减小谐波电流影响的措施并联电容补偿器可用于过滤并联电容补偿器，电抗器与并联电容补偿器串联后，通过适当选择耦合电容的参数，并联电容补偿器可以达到良好的滤波效果。这是目前广泛采用的一中治理谐波的措施。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。这是一个减少谐波电流发生的有效措施，实现多脉冲转换器的有效措施，它不仅减少了谐波的次数，而且大大降低了谐波电流的含量，从而使流入供电系统的谐波电流大大减少。在电力机车上安装了一个并联补偿滤波装置。其主变压器的调压绕组和主二次绕组之间安装了一个并联补偿滤波装置。该装置有3个和5个独立分支，分别用于滤除3次和5次谐波电流，从而减少电力机车电流中的谐波电流含量电力系统增容、调压运行方式等，以增强承受谐波的能力。3.2谐波的治理方法目前，常用的谐波控制方法不超过六种：使用适当的电抗器、安装有源电力滤波器、使用多相脉冲整流、使用滤波模块组件、开发新的变流器、使用D-YN11三相配电变压器的接线组。接下来来谈谈这六种方法的优缺点，分析一下市场前景和经济效益。从目前来看，谐波治理的主要方法有以下几种：从受谐波影响的设备或系统出发，使谐波不产生或少产生，主要有以下几种合理的供电方法：强化谐波；提高设备承受谐波干扰的能力，提高谐波保护性能，改进谐波源的配置或方式，引进几种技术等。但是，由于受设备设计、效率、成本、可靠性等因素的影响，只能解决部分问题；使用干扰电抗器抑制谐波共振放大，主要是抑制谐波共振放大，滤波效果较小。采用无源电力滤波器LC谐波控制装置，在谐波源附近或共用电网节点上安装一个单频高通滤波器，可以吸收谐波电流，也可以给予无功功率补偿，操作和维护简单，成本低，技术成熟。不正确的设计会导致新的问题，如谐波放大和系统振荡。此外，它消耗了大量的有色金属，体积大，占用了大量的空间，因此被逐步淘汰。利用有源电力滤波器控制谐波，有源电力滤波器的效率与系统阻抗和动态控制无关，它可以同时补偿无功功率和反序，并能集中多个谐波源。由于具有快速自断功能的大功率设备的不断发展，基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法的不断完善，以及自动控制技术和数字信号处理技术的不断发展，有源电力滤波器得到了显著的改善，目前已进入实用阶段。3.2.1采用适当电抗器逆变器输入端的功率因数取决于设备内部的AC/DC变换电路系统。在电源侧并联直流功率因数校正电抗器和串联交流电抗器，可将输入电流的THDV降低约30%~50%.%，这大约是没有电抗器时谐波电流的一半。3.2.2装设有源电力滤波器除了现有的使用传统的LC调试滤波器外，抑制谐波的一个重要趋势是使用有源电力滤波器，这些滤波器与主电路串联或并联，实时检测来自补偿对象的谐波电流。与谐波电流相等且方向相反的电流由补偿装置产生，因此电网电流只包含基波电流。这种滤波器可以监测和补偿频率和振幅变化的谐波，其特性与系统无关，没有谐波放大的危险，因此引起了人们的关注，在日本和其他国家被广泛使用。3.2.3采用多相脉冲整流当条件允许或需要将谐波限制在一个相对较小的数量时，可以使用多相整流方法。12相脉冲整流器的THDV约为10-15%，18相脉冲整流器为3-8%，完全符合国际标准。缺点是它需要一个特殊的变压器，这不利于设备的改造，而且成本高。3.2.4使用滤波模块组件现在市场上有许多专门用于防止干扰的滤波模块或组件。这些滤波模块具有很强的防干扰能力，也能够防止电器本身的干扰，有些还具有峰值电压吸收功能，这对所有类型的电器设备都非常有用。3.2.5开发新型变流器减少大容量变流器中的谐波的主要方法是使用多重化技术。从几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要使用PWM逆变器，形成四象限交流调速逆变频器。这种逆变器不仅以正弦波的形式输出电压和电流，而且还以正弦波和功率因数为