《電氣化鐵路諧波治理研究9200字（論文）》

電氣化鐵路諧波治理問題調研分析報告91811前言 145911.1研究目的 181631.2調研方法 168441.3調研時間 2298311.4調研思路 278922電氣化鐵道供電系統(tǒng)諧波的檢測 2299072.1諧波的產生 2164682.2諧波電流的影響 6206732.2.1諧波的危害 6297862.2.2對變壓器的危害 6168612.2.3對發(fā)電機的影響 6193572.2.4其他影響 7179063諧波振蕩與通信干擾 712513.1等效干擾電流的取值問題 782413.2通信回線的敏感系數 8245984電氣化鐵道諧波治理 10236624.1減小諧波電流影響的措施 1079374.2諧波的治理方法 10116244.2.1采用適當電抗器 11186894.2.2裝設有源電力濾波器 1115964.2.3采用多相脈沖整流 11125874.2.4使用濾波模塊組件 1142024.2.5開發(fā)新型變流器 12314165結論 1227420參考文獻 131前言1.1研究目的電力機車整流負荷中有較多諧波，因為濾波措施沒有發(fā)揮出效果，導致諧波進入了公用電網中。部分統(tǒng)計結果顯示，在電鐵運行了30年內，因為諧波以及負序的影響，200MW跳閘，陜西貴州等地的大面積停電發(fā)生多次。其中還伴隨局部諧振、電網的損耗程度提升、損壞發(fā)電機轉子、繼電保護和自動裝置不斷異常啟動，電動機和電容器因溫度過高損壞，無法正常使用，小火電廠不能就近凈網等一些列還惡劣影響，對國民經濟的順利發(fā)展造成了極大的阻礙。隨著電鐵運量的提升，東部使用區(qū)域的擴展，例如電鐵諧波沒有得到控制，影響越來越惡劣，對系統(tǒng)和設備造成極大的損害。對諧波進行研究的意義主要是因為諧波的惡劣影響十分嚴重，諧波會影響電能的產生，降低電能的使用效率，導致電氣設備溫度提升，出現諧振和噪聲，對設備邊緣損害十分嚴重，降低使用效率，出現故障以及事故。供電電壓發(fā)生畸形變化，對用電設備造成極其惡劣的影響、影響設備的功率，對電路造成損害，縮短電容器的使用壽命，自動裝置以及繼電保護裝置異常啟動，感應電動機的損耗提升，電動機使用過熱影響換流裝置的正常使用，電力計量誤差加大，影響通信系統(tǒng)以及相關設備的正常使用。本調研為電氣化鐵道供電系統(tǒng)諧波對通訊的干擾的研究，本次調研主要就諧波對通信的干擾進行分析研究，第二章開始介紹諧波的檢測，首先介紹諧波產生，影響，只有先清楚的了解才能知道如何進行干擾，是諧波治理的首要問題。為了減少上述諧波造成的影響，國內外的學者都積極進行研究和探索，創(chuàng)造了新型供電方式、電力機車、防護模式等，進而保證通信信號的正常和穩(wěn)定。本文僅針對牽引電流諧波的產生、傳送、對通信的滋擾情況舉行索求和鉆研。第三章主要對諧諧波振蕩與通信干擾研究。第四章主要是電氣化鐵道諧波的治理，較為普遍的治理方法有兩種，首先是從產生諧波的設備來入手，降低諧波產生的數量或者盡量不產生。其次是從被干擾和影響的設備來入手，設置諧波補償裝置，提升設備的抗干擾性能；增強諧波保護能力；調整諧波源的工作方式；應用多重化技術等。1.2調研方法文獻研究方法：本文利用《中國科技期刊數據庫》，《中國論文數據庫》和《管理科學文摘》數據庫檢索和收集了與設備管理相關的資料。基于文獻研究的交電氣化鐵道諧波電流對通信的干擾的深入研究。實際調查總結法，通過在學校學習的知識和對交電氣化鐵道諧波電流對通信的干擾進行分析，結合目前我國應用現狀，對交電氣化鐵道諧波電流對通信的干擾實際出現問題提出切實可行的改進措施，確保文本的研究成果對電氣化鐵道諧波電流對通信干擾的應用有參考意義。1.3調研時間9月5日到9月10日：學習調研方法及調研報告的寫法。9月10日到9月15：資料搜集，主要通過網絡及圖書學習基礎理論。9月16日到9月25日：與導師討論前期調研資料。9月26日到10月22日：結合目前我國應用現狀，對電氣化鐵道諧波電流對通信干擾實際出現故障提出切實可行的改進措施。10月23日到10月28日：與導師討論現有調研成果，將問題及時改正。10月16日到11月2日：撰寫調研報告。1.4調研思路本文以電氣化鐵道諧波電流對通信干擾為研究對象，分析了諧波產生，新型供電方式、電力機車、防護模式等，并簡要介紹了各部件的工作原理，然后研究和分析了諧波振蕩與通信干擾研究原理。最后對目前電氣化鐵道諧波的治理常見的故障進行介紹分析，從產生諧波的設備來入手，降低諧波產生的數量或者盡量不產生。其次是從被干擾和影響的設備來入手，設置諧波補償裝置，提升設備的抗干擾性能；增強諧波保護能力；調整諧波源的工作方式；應用多重化技術等。2電氣化鐵道供電系統(tǒng)諧波的檢測2.1諧波的產生通過受電弓，電力機車從接觸網中獲取25Kv的交流電，機車主變壓器、鋼軌、大地、牽引變壓器形成回路。機車主變壓器降低電路電壓，在經過整流裝置以及平波電抗器之后，電流變成直流電，為電動機提供牽引力，驅動機車運行。由于機車主變壓器、整流裝置、平面電抗器等的影響，反映到機車主變壓器原邊的電流波形發(fā)生了畸變，不在是正弦。所以，在牽引電流為周期性的非正弦波的時候，使用傅里葉級數能夠將牽引電流分成基波電流分量以及若干頻率為基波頻率整數倍的諧波電偶分量。計算表達式為： (2.1)式中-基波電流分量；-第n次諧波電流分量；-第n次諧波電流分量的初相角。相比于供電系統(tǒng)的牽引力，電力機車的阻抗非常的高，因此電力機車可以被看做諧波的恒流源。但是因為機車的啟動、加速、停車、過彎、上下坡等不同的情況，取流也在隨之變化，諧波電流分量也不同，因此每臺電力機車都可以被看做可移動的、不斷變化的諧波電流源。國際認可的諧波的定義為，諧波是一個周期電氣量為正弦波的分量，也就是說，諧波的周期量為周期量，其中傅里葉級數高于1的h次分量，其頻率為基波頻率的整數倍。諧波次數是正整數。50hz是我國規(guī)定的電力系統(tǒng)的額定頻率，其2次諧波為100hz，3次為150hz。部分國家將60hz定為電力系統(tǒng)的額定頻率，也就是說基波為60hz，其2次諧波為120Hz，3次諧波為180hz。從中可以看出，諧波的次數不能是非正整數。通常輸電線路出現諧波首先是因為發(fā)電機輸出的電壓并不是非正弦波，之后是負載的非線性。如變壓器、電抗器、鐵磁元件、各類電弧設備等，特別是整流設備，其中會產生多種諧波。供電系統(tǒng)中的諧波主要是在對周期性正弦型電量使用傅里葉級數展開，能夠得到與電網基波相同的分量以及其他高于基波的分量，這些高于基波的分量被稱為諧波。諧波頻率比值與基波頻率比值的比值被稱為諧波次數(/)。有的時候，電網系統(tǒng)中也會出現非整數倍諧波，通常被稱為非諧波(Non-harmonics)、分數諧波。諧波就是一種干擾量，對會電網系統(tǒng)造成污染。電力系統(tǒng)對諧波的研究主要傾向于研究諧波的產生、傳輸、計算、影響和限制，電力中的諧波頻率通常是2≤n≤40。韶山1型電力機車為硅整流機車，新型的韶山3型電力機車使用調壓開關以及晶閘管級間相協調，平穩(wěn)過度進行調壓。相當于八段橋晶閘管相控機車。圖2.1為整流電力機車的主回路示意圖，其中(a)是中性點抽頭電路；(b)是半控橋電路。由于接觸網的負荷，機車中使用的牽引電流中有大量諧波成分。圖2.1整流電力機車的主回路原理圖整流電力機車運用初期，為了使平滑，設法增大平波電抗器電感；另一方面為減輕機車重量和造價，又要盡量減小。實踐證明，高次諧波含量與，的關系比預想的小。圖2.2(1)為我國引燃管、半導體整流機車一次電流的波形，圖2.2(2)晶閘管相控機車一次電流的波形。圖2.2(1)引燃管、半導體整流機車一次電流的波形圖圖2.2(2)晶閘管相控機車一次電流的波形圖在對整流電路的電磁進行分析之后，在對電力機車的一次電流進行分析更加容易且準確。然而，在機車使用的過程中，將機車電流以及供電回路當作整體進行分析是很難的。所以，B·A·高洛瓦洛夫在對整流機車的諧波進行分析的過程中，提出了一下四點假設：（1）假設牽引變壓器原本的電壓是正弦波形電力；（2）將接觸網分布電感轉變?yōu)榧须姼校挥嫿佑|網對地電容造成的影響；（3）不計機車主變壓器中的電阻影響；（4）假設只有整流電流中的直流成分會影響牽引電機的反電勢。反電勢主要包括三種類型，分別是管壓降、電樞反電勢、陰極電阻壓降這三種。按照以上提出的四種假設，高洛瓦洛夫對接觸網中的牽引電流中的諧波進行了深入分析，研究結果為：不管是哪一種諧波其趨勢都是與重迭角（?）成正比，但是并不是完全正比趨勢，其中有一些波動情況。諧波的次數數值越高，波動的頻率也越大，振幅越小，當諧波的次數超過30次時，波動幅度極其??；（2）重迭角確定時，相對陰極電感（K）變大，諧波變小。在計算的過程中，如假設中提到的，接觸網分布電容的影響忽略不計，所以計算結果并不能完全體現出電力系統(tǒng)中的電磁變化情況等。通過多次的計算和實驗，當K值處于2.5~5.5的范圍內，同時負荷在<?<的時候，計算結果基本上可以反映實際情況。3次諧波的實際數據與計算數值基本相符，當諧波次數越來越高，計算值開始出現誤差，實際測量值偏小。5次諧波約低35%，7次諧波越低40%，9次諧波約低60%。11次諧波和13次諧波基本屬于系統(tǒng)確定的諧振頻率，實際測量值已經提高了很多，但是相比于理論值還是偏低的。供電臂的距離越長，分布電容的值越高，所以實測值與理論值之間存在一定的差距。同樣，復線區(qū)段和單線區(qū)段之間也是存在差距的。從本質上來說，上述進行的計算和分析只是機車的一次電流。從波形圖中可以發(fā)現，波形與理論預測基本相同，而且具有一定的平滑度。但是，在實際的實踐過程中，在進行換相時，機車出現了輕微振蕩現象。電力機車的整流負荷中有很多諧波成分，因為濾波措施沒有發(fā)揮應用的效果，電鐵負荷中的諧波電流進入公共電網中。從電鐵運行伊始，對多地的電網系統(tǒng)造成了極大的損害，網損明顯加大，發(fā)電機轉子損壞，繼電保護和自動裝置非正常頻繁啟動，用戶電動機和電容器大量燒壞或不能正常運行，小火電廠不能就近并網等一系列危害，使國民經濟蒙受了巨大的損失。隨著電鐵運量增加和向東部發(fā)達地區(qū)擴展，如電鐵諧波仍不能得到及時治理，其產生的危害將會更加嚴重，對此應有足夠的估計。關于電鐵的諧波標準，一直是電力和鐵道2大部門爭論的焦點。電鐵諧波實際上長期處于失控狀態(tài)。幾乎每個電鐵工程均引發(fā)了諧波標準的爭議，為此國家計委委托中國國際工程咨詢公司協調此事。1997年5月成立了專家工作組（由電力、鐵道2部及一些高等院校的專家、教授組成），在中咨公司的領導下開展工作已達1年多，尚未得出結果。本文試圖結合對國外有關標準的介紹，指出諧波國標用于電鐵的問題，并以電鐵南昆線和京廣線上6個牽引站作為計算實例，提出確定電鐵諧波限值計算方法，希望能為解決此問題起拋磚引玉的作用。目前，電力系統(tǒng)中出現諧波的原因主要有以下幾點，首先是發(fā)電質量不高，其次是輸配電系統(tǒng)問題，最后是用電設備問題。2.2諧波電流的影響2.2.1諧波的危害諧波的對電網系統(tǒng)和設備的惡劣影響是不容忽視的。諧波會影響電能的產生，降低電能的使用效率，導致電氣設備溫度提升，出現諧振和噪聲，對設備邊緣損害十分嚴重，降低使用效率，出現故障以及事故。供電電壓發(fā)生畸形變化，對用電設備造成極其惡劣的影響、影響設備的功率，對電路造成損害，縮短電容器的使用壽命，自動裝置以及繼電保護裝置異常啟動，感應電動機的損耗提升，電動機使用過熱影響換流裝置的正常使用，電力計量誤差加大，影響通信系統(tǒng)以及相關設備的正常使用。2.2.2對變壓器的危害諧波不僅會導致變壓器繞組過熱，還會使外殼、鋼片以及部分零件過熱，對絕緣介質造成不可逆的損害，減少了變壓器的使用時間。不斷是正序還是負序的諧波電流，都會對變壓器的鐵芯造成不良影響，使之出現噪聲以及磁滯伸縮現象。當諧波出現諧振時，經過電壓之后，變壓器有極大的可能被損毀。諧波電流會增加變壓器的過度銅耗。尤其是3次、6次等3的倍數次的諧波，在三角形鏈接的變壓器中，諧波會在變壓器中形成環(huán)流，使得變壓器的溫度提升。在全星形的變壓器中，繞組的中性點與地面相連，如果該側電網中有較大電容或者存在中性點接地的并聯電容時，有極大的可能會出現三次諧波，對變壓器造成惡性消耗。2.2.3對發(fā)電機的影響諧波電流在三相定子繞組中會出現諧波旋轉磁場。此處的旋轉磁場與轉子用數倍同步轉速相交鏈，所以，在轉子回路中，能夠感知到數倍基波的電流和電壓。定子諧波轉磁場與轉子激磁電流會產生交流電磁力矩，同樣，定子的工作旋轉磁場與轉子中的諧波感應電流也會產生交流電磁力矩。在交流電磁力矩進入中轉子軸以及定子繞組基座時，會出現額外的振動扭矩。如果諧波進入三相定子繞組會使得定子的鐵芯和繞組的溫度提升，耗費更多的電力。如果諧波電流以及負序電流在同一時間進入到三相定子繞組時，轉子激磁繞組回路中會出現6倍甚至是12倍的基波頻率的電流。這樣的電流會對轉子激磁繞組造成過度損耗。因為諧波旋轉磁場在轉子的阻尼繞組中會引起電流，如果感應電流超過正常范圍，阻尼的溫度會持續(xù)提升，導致阻尼損壞。2.2.4其他影響供電企業(yè)負責將電能輸入到各家各戶，低壓電網的損耗很大，這會對供電企業(yè)的經濟效益造成損害，甚至阻礙企業(yè)的正常運營和持續(xù)發(fā)展。如果農電工承包的地區(qū)的線路損害程度較高，損害較大，農電工的獎金甚至是工資都會被扣，這對農電工的工作熱情造成極大的負面影響。變壓器和線路以及開關設備的損壞會提升供電企業(yè)的成本消耗，同時因為要對電路和系統(tǒng)進行檢查而停電會對供電企業(yè)的經濟收益造成極大的影響，也會降低供電企業(yè)在社會大眾心中的信用度和可靠度。3諧波振蕩與通信干擾因為部分諧波出現了振動情況，通信信號和頻率會被接觸網中的牽引諧波電流干擾。從諧波在接觸網中的傳輸情況以及相關特征中可以發(fā)現以下幾點內容：（1）接觸網中的牽引電流的諧波的振蕩幅度并不是固定的，而是一直變化的，變電所處的波動值最高；（2）出現諧振的諧波將會出現駐波；（3）供電臂機車數和負荷的變化不會對諧波振幅造成影響，但是諧振的相對值是不斷變化的。因此接觸網中的諧波電流感應的影響不是單一的，而是具有較高復雜性的?，F提出以下假設，接觸網中傳輸的均是固定頻率的高壓電流，這種高壓電流也被稱為等價干擾電流，按照回線間的感性禍合，對絕緣通信導線上的感應縱電勢進行推導，之后按照通信回線的不平衡度計算出雜音的公式。這一公式的推導過程在理論上來說是可以實現的。然而，實踐表明，計算值均高于實際值。因此，這樣的計算公式就喪失了在工程設計過程中的實用意義。因為理論計算數值高于實際數據，所以會導致原本的路線出現誤差，做了很多不必要的變化，消耗了成本。所以對其中的原因進行探索十分關鍵，同時結合實際情況，提出了以下幾點意見。3.1等效干擾電流的取值問題現階段使用的計算方法將接觸網中傳入的電流看做是等效干擾電流，同時也將牽引電流中的諧波影響以及接觸網中諧波諧振影響計算在其中。計算過程中還包括了符合電流和機車數對諧波相對值的轉變系數。此處所說的諧波相對值都是通過變電所的測算數據獲取的。但是變電所的電流諧波含量與接觸網中牽引電流的諧波含量并不相同，與機車一次電流中的諧波含量也是不同的。之所以不能忽視雜音的影響則是因為諧波振蕩以及諧波附近高次諧波的影響。所以，在對諧波的電流傳輸情況進行分析時要盡可能計算出準確的雜音系數。從下圖機車電流以及變電所的電流波動圖中可以發(fā)現，機車電流的波形更加平滑，變電所電流的波形程度更加明顯。從平滑到顯著的波形變化并不是一瞬間出現的，而是在電流傳輸過程中不斷增加擴大的。國外有學者使用模擬裝置對機車電流以及變電所電流的波形變化進行研究測算，在內阻為0的變電所單臂供電區(qū)，遠端是整流機車，機車電流中有高次諧波的成分，相應區(qū)段長度為含波長的諧波電流，所以諧振開始變大，更加顯著。在接觸網中，同樣頻次的高次諧波振幅在機車到變電所的過程中不斷提升，從波形圖中就可以看出這一變化。圖3.1機車一次電流和變電所牽引電流波形圖接觸網供電系統(tǒng)的諧振，無疑使某些諧波的干擾影響加大。蘇聯防護規(guī)程將定為波系數()，這一規(guī)程涉及到了接觸網、變電所中的多項參數和雜音系數計算方法。因為現階段我國針對電鐵接觸網中對通信干擾的計算過程中，主要將變電所中的等效干擾電流作為實際測量數值，但是將整個區(qū)段的電流都看作等效干擾電流，這樣計算結果的準確度就會降低，與實際有一定差距。3.2通信回線的敏感系數電鐵系統(tǒng)中諧波對通信情況的干擾其他電力系統(tǒng)相同，但是也有一些不同之處，這也是他的特點。在電鐵的供電系統(tǒng)中，因為負荷大小會受到機車的運行情況影響，同時由接觸網中諧波的供電方式、供電臂的距離、機車的種類以及具體的機車部分等多種因素共同決定。所以干擾源時刻都在變化。與此同時，通信系統(tǒng)中，回線的不平衡度對干擾情況也具有極大的影響。干擾源、不平衡點、負荷大小等都是具有一定隨機性的，所以通信回線上的雜音也存在隨機性的。因此，要使用理論上的計算方式進行計算，其計算結果的有效性也是有待商榷的?，F階段使用理論計算的方式來計算通信系統(tǒng)回線的平衡度，即回線對干擾的敏感系數，是有一定難度的。但是使用模擬測量來計算和驗證也并沒有統(tǒng)一。實際的測量數據顯示，在同一條市內電話線的回線上，值差在一個數量級中。加感回線是不均勻回線的一種，所有加感點都會產生上電波反射，平衡度受到頻率影響。所以，在一樣的前提條件霞，針對不同回線得到的測量值也是不同的。在寶鳳段運行伊始，在電車運行時，從部分回線階段的雜音系數的測算值中可以看出，回線敏感系數不是固定的，數值范圍很大，但是分布的較為集中，基本吻合日本的研究數據。研究結果顯示90%在40dB以上，50~55dB段較為集中。4電氣化鐵道諧波治理4.1減小諧波電流影響的措施通過設置并聯電容補償裝飾過濾諧波。將并聯電容補償裝置與電抗器相連接，設置合適的電容器組合電抗器的數值，就能夠使得并聯電容能夠過濾諧波。這也是現階段使用較多的過濾諧波的方式。設并聯電容補償裝置中電容器組的基波容抗為、串聯電抗器的基波感抗為，則并補償的基波阻抗、諧波阻抗。 (4.1)如公式(4.1)當，即并補償裝置發(fā)生地n次諧波串聯諧振時，相當于第n次諧波在并補償處被短路，即濾掉了第n次諧波。此時有即，所以或。也就說，當或時，并補償裝置濾掉了第n次諧波。但注意的是，這只是濾掉了第n次諧波，而其余諧波仍將進入電力系統(tǒng)。變流器通過多脈沖化的方式能夠有效的減少的諧波電流的產生，同時還能降低中的諧波含量。這種方式使得進入電網中諧波降低。對于電力機車上的并聯補償裝置設置，可以在變壓器次邊的調壓繞組間以及基本繞組間設置諧波過濾裝置。這種并聯諧波過濾裝置能夠過濾到3次諧波以及5次諧波，降低機車中電流的諧波含量。4.2諧波的治理方法目前常用的諧波治理的方法有六種，分別是設置電抗器、有源電力濾波器、濾波模塊裝置、新型變流器、使用D-YN11接線組別的三相配電變壓器。下面對這六種方法進行詳細的分析。目前，諧波的治理方法主要是降低諧波的產生以及抑制諧波的產生?？梢赃x擇合適的供電方式來解決這一問題?？蛇x擇的供電方式有：抑制電容器擴大諧波、增強設備的抗諧波性能；提高針對諧波的設備保護能力；轉變針對諧波的工作方式以及限制諧波源的產生能力，應用多重化及時等手段。然而受到設備情況、效率要求、成本限制、可靠程度及實用效果等多種情況的影響，諧波并沒有被完全限制或者消除。例如，使用失諧電抗器來限制諧波諧振的擴大，其在諧波過濾方面的作用微乎其微?，F階段使用較多的諧波治理方法就是在公共電網以及諧波源設備系統(tǒng)附近使用LC無源電力濾波器，兼顧諧波吸收和功率補償兩個方面，運行環(huán)節(jié)和維護過程都十分便捷，成本消耗少，技術可靠性也較高，但是治理效果卻遲遲難以提升，諧波過濾的情況并不穩(wěn)定。如果濾波設備出現問題，那么將會加重諧波對電網以及用電器的惡劣影響。同時，設備的運行需要大量有色金屬的支持，體積巨大，占據較大的空間，逐漸脫離了時間發(fā)展的腳步。在使用有源濾波器過濾諧波時發(fā)現，設備的運行不會被阻抗的情況所干擾，同時還能夠補償無功功率以及負序電流，還能夠集中治理多個不同次數的諧波。隨著時代的發(fā)展以及濾波技術的提升，以瞬時無功功率為理論基礎進行的諧波檢驗方法更加全面科學，同時在自動化和數字信號技術的推動下，有源濾波器的發(fā)展腳步加快，開始進入實踐測試。4.2.1采用適當電抗器變頻器的輸入側功率因素由設備中的AC/DC變器傳亮，降低40%左右的進入電網中的電流的THDV值。濾波效果較為明顯，可達50%左右。4.2.2裝設有源電力濾波器現階段使用較廣的抑制諧波的設備時有源電力濾波器。該濾波器主要是通過串聯或者并聯到主電路中來發(fā)揮作用，及時對補償對象中的電流進行檢測，如果檢測發(fā)現其中存在補償電流，那么補償裝置則會發(fā)出一個與諧波各數值相同或者相似，但是方向相對的補償電流，保證電網中只有基波電流進入，沒有諧波進入。該濾波器受到系統(tǒng)的影響較少，不會出現放大諧振等惡劣影響。效果良好且風險低，受到多個國家的青睞，在日本，該裝置已經被應用到了實際中。4.2.3采用多相脈沖整流如果諧波情況較為輕微，抑制和治理要求較低時，可以使用多相脈沖整流的方法來進行諧波治理。12相脈沖整流的THDV約為13%，18相的脈沖整流約為5%，已經達到了國際標準。但是需要特別