《电气化铁路电能质量实测分析.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电气化铁路电能质量实测分析.ppt（65页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、电气化铁路电能质量及其综合控制技术,西南交通大学 电气工程学院,5 电气化铁路电能质量实测分析,直接接入高压系统一般电气化铁道牵引供电系统接入110kV电网 新建客运专线均拟直接接入220kV电网 不对称性主要由牵引变压器接线方式决定除纯单相接线外，都是两相（异相）供电 非线性 交直型电力机车功率因数低、谐波含量大高速客运专线可能是交-直-交机车与交-直机车混用局面，负序、无功和谐波仍然存在,5.1 电力系统频率偏差,影响系统频率的主要因素是有功功率仅当所有发电机的总有功出力与总有功负荷（包括电网的所有损耗）相等时，系统频率才能保持不变。当所有发电机的总有功出力与总负荷不平衡时，各发电机组的转
2、速及相应的频率就要发生变化。大型冲击负荷因短时从近区发电机大量吸收有功功率，会造成局部电网短时频率波动。,GB/T15945电力系统频率允许偏差,基本条款电力系统正常频率偏差允许值为0.2Hz。当系统容量较小时，频率偏差值可以放宽到0.5Hz。制定依据保证电力系统，发电厂和用户的安全和正常运行相关国标和规范的规定相关国际标准规定（0.5Hz 甚至0.1Hz）各个电网的实际情况有所差别,GB/T15945电力系统频率偏差,附加条款冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过0.2Hz 测量仪表频率测量仪表绝对误差不大于0.01Hz 电气化铁路牵引供电频率基本能够达到国标规定。,电网频率实测案例：图为成
3、(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8000 kW）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12分钟的较大波动。,5.2 供电电压偏差,GB/T12325-2008供电电压偏差基本条款35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%。如供电电压上下偏差同号时，按较大的偏差绝
4、对值为衡量依据。20kV及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的7。220V单相用户的供电电压允许偏差为标称电压的+7%、-10%。,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。,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
5、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。,南昆线牵引测试数据（时间：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8000
6、 kW）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。,电气化铁路测量实例,图5-2 某牵引变电所三相相电压曲线,某牵引变电所110kV电压偏差计算结果,5.3 三相电压不平衡,GB/T15543-2008 三相电压不平衡主要由不平衡负荷引起，因此标准的衡量点选在电网的公共连接点（PCC），以便在保证其他用户正
7、常用电的基础上，给干扰源用户以最大的限值。主要条款电力系统公共连接点正常电压不平衡度限值为2%，短时不得超过4%。低压系统零序电压限值暂不作规定，但是各相电压必须满足GB/T12325的要求。标准规定对每个用户电压不平衡的一般限值为1.3%，短时不超过2.6%。根据公共连接点的负荷状况以及临近发电机、继电保护和自动装置安全运行要求，该允许值可作适当变动，但是必须满足上述规定。,GB/T15543-2008三相电压不平衡,由电压不平衡度换算为负序电流值，标准中推荐的近似公式 式中：I2负荷电流的负序分量/A；U线电压/kV；SSC公共连接点的短路容量/MVA。,电气化铁道测量实例,图 某牵引变电
8、所三相相电压曲线,电气化铁道测量实例,图 某牵引变电所电压不平衡度曲线该牵引变电所三相电压不平衡度95%概率大值为1.72%，没有超过国标规定的2%的限值。,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母线最小短路容量为600MVA左右。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
9、容量180MVA；110kV公共连接点最小短路容量为613MVA；,5.4 公用电网谐波,国际标准IEC61000-3-6G5/4（G5/3）IEEE STD519-1992（IEEE STD519-1982）国家标准GB/T14549-1993GB/Z17625.4-2000,GB/T14549-1993 公用电网谐波限值,IEC61000-3-6,提出了决定大型畸变负荷（产生谐波和/或谐间波）接入公用电力系统所依据的一些基本原则目的在于为工程实践提供指导保证对所有接入系统的用户都有合适的供电质量兼容水平是用来协调供电网络设备或由供电网络供电的设备发射和抗扰度的参考值，以保证整个系统（包括网
10、络及所连设备）的电磁兼容性。规划水平是在规划时评估所有用户负荷对供电系统的影响所用水平。发射水平是针对用户的。,表5-5 中压（MV）、高压（HV）和超高压（EHV）系统中谐波电压规划水平,规划水平分配方法,由于用户协议容量通常是与其承担的电力系统投资份额相一致，所以根据用户协议容量Si和用户接入系统的公共连接点处修正的网络总可用功率St之比分配发送限值是合理的。用户发送谐波电压的允许值为：（3）考虑高压系统负荷之间的同时系数FHV的影响，用户发送谐波电压的允许值为：（4）,使用差异系数k hj的简单线性法则：式中 U h0 为电网中h次背景谐波电压 U hj 为第j个负荷产生的h次谐波电压差
11、异系数k hj由以下条件决定：相关设备类型、谐波次数和相关设备额定容量于公共连接点短路容量之比。,第一种叠加法则,第二种叠加法则,第二种叠加法则指数,(2),叠加法则系数的有效性,根据统计和计算结果假设Uh 和Uhi均大于1。取n个牵引变电所的27.5kV侧谐波电流数据，近似看成是完全由电力机车发送，作为谐波源。通过系统谐波模型计算得到单个谐波源在110kV侧引起的谐波电压。将n个谐波电压叠加就得到在110kV侧实际谐波合成电压。通过该谐波合成电压和单个谐波电压即可计算叠加法则系数。,叠加法则系数几种取值情况,情况一：若满足MaxUhi,i=1,2,n Uh，则满足0 时式（2）成立，表示谐波
12、电压叠加后增大。情况二：若满足UhMinUhi,i=1,2,n，则满足 0时式（2）成立，表示谐波电压叠加后相互抵消，合成分量减小。情况三：若满足MinUhi,i=1,2,nUhMaxUhi,i=1,2,n，则 为无穷大时式（2）成立，表示谐波电压叠加后与各分量相差不大。从工程应用角度说本情况是无解的。,三种情况概率,统计结果分析,奇次谐波与偶次谐波叠加规律不同。情况二和情况三的概率较高，而指导性文件中叠加法则系数未充分考虑这两种情况。牵引变压器的接线方式是影响电气化铁道谐波电压相位分布的一个因素。另外，英国工程推荐标准G.5/3-1976中提到：应该注意变换变压器连接使用户设备电流之间产生相
13、位轮换，而且在含有非线性负荷新用户或既有用户增加的非线性负荷被允许接入电网前应进行现场测量。,实际叠加指数计算,谐波源个数对叠加指数计算的影响。牵引变压器接线方式对110kV侧谐波电压的幅值和相位的影响。牵引变压器相位轮换对110kV侧谐波电压的幅值和相位的影响。,计算结果,新叠加指数验证,叠加指数,三种情况电压畸变率比较,计算结果分析,采用IEC叠加指数计算的电压畸变率比实际叠加结果偏大，偏大的程度随着牵引变电所个数的增大而增大。采用新叠加指数所计算的结果与实际叠加结果比较接近，误差比采用IEC叠加指数小得多。基于研究数据牵引负荷叠加指数建议取为2.0。,同时系数FML计算方法,FHV估算方
14、法,电磁兼容技术文件中对于FHV并未给出详细的估算方法，但给出了中压系统负荷与低压系统负荷同时系数FML的估算方法。因此FHV的估算方法可以参照FML的估算方法进行。（5）式中：SHVi高压负荷Si峰值时刻除高压负荷Si以外的高压负荷的总功率；SHVp高压负荷Si以外的高压负荷的总功率峰值。,同时系数对谐波发送允许值的影响,图1 叠加指数2.0,牵引负荷同时系数,表1 实测牵引负荷同时系数,牵引负荷同时系数,高压电力系统谐波电压规划水平的指标值（用标称电压的百分数表示）,牵引负荷同时系数,考虑牵引负荷同时系数在0.30.5范围内变化，取牵引变电所个数为5。表3 同时系数对用户谐波发送限值的影响
15、,牵引负荷同时系数,从结果看出，同时系数为0.3和0.5时的用户总谐波畸变限值分别为2.4%和1.9%，比同时系数为1.0时的用户总谐波畸变限值（1.3%）分别大84.6%和46.2%。这说明同时系数对用户谐波发送限值的影响非常明显。根据有限实测数据可知，牵引负荷同时系数一般在0.30.5，因此在分配用户谐波发送限值时考虑用户之间的同时系数是十分必要的。牵引负荷的特点之一就是随机波动性，制定牵引负荷谐波标准时应充分考虑牵引负荷之间的同时系数，使牵引负荷的谐波标准更加合理。,三级评估流程图,电气化铁道实例,表5-6 牵引变电所主变容量,表5-7 西昌电网牵引变电所谐波总电压畸变率/%,表5-8
16、各牵引变电所分配到的谐波电压发送限值/%,表5-9 各牵引变电所谐波发射水平超标情况,将从公共连接点处总可用容量中除去牵引负荷容量后剩余的部分定义为容量裕度。表5-10 利用系统容量裕度50%时牵引变电所谐波发送限值/%,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，
17、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。,交直机车与交直交机车谐波特性分析,交直型电力机车谐波特性 单相独立性 随机波动性 相位广泛分布 稳态奇次性 高压渗透性,交直交动车组谐波特性（CRH2）,图5-39 CRH2动车组网侧谐波含有率,CRH2网压网流典型波形,5.5 电压波动和闪变,国家标准GB12326-90电能质量 电压允许波动和闪变参考了日本的V10标准 GB/T12326-2008 电能质量 电压波动和闪变参考了国际电工委员会（IEC）电磁兼容（EMC）标准IEC61000-3-7,表5-14 电压波动限值,表5-15 电压闪变限值（长时间闪变值）,图5-42 IEC闪变仪模型的简化框图,5.6.2 电气化铁道测量实例,图5-43 采用Simulink实现的IEC闪变仪模型,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。,
