电气化铁路电能质量及其综合控制技术

序相量图如下：
为了抵消总的注入系统的负序电流，由相量图知 ，应在a、b两相设置并补。
（2）

此时，
，即牵引电流在系统侧的负序
分量基本为 ，以原边相电压为基准可画出负序相量图
如下：

为了抵消总的注入系统的负序电流，由相量图知， 应在b、c两相设置并补。
❖（3）
❖
此时
，以原边相电压为基准
可画出负序相量图如下：
❖
—— 绕组电流的无功分量。
❖ 当采用并联电容补偿时，系统电流的有功分量
大小不变，而无功分量减小，从而使功率损失相
应减小。
❖则当三相负荷电流不对称时，由于负荷电流引起的
三相功率损失为
❖ 式中， ❖ ❖
。
、 、 —— 系统三相电流有效值； 、 、 —— 系统的正、负、零序电流；
、 —— 正序电流的有功、无功分量
④供电的灵活性和可靠性提高，可根据要求断开或 闭合分段断路器，实现单边或多边或贯通式供电 ，使牵引网电压损失和功率损失降低。
2.2 同相供电的实现
采用无源对称补偿技术实现 基于有源补偿技术实现
2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统
同相供电使用的对称补偿就是三相—单相系统中无 功与负序的综合补偿。
三相－两相平衡接线牵引变压器，如
接
线、Le Blanc接线、Wood-Bridge接线等很少
用到。
Scott接线变压器底（M）座绕组原边接入电力系统 AB相（线电压），高（T）座绕组原边一端接底绕组的中 点D，另一端接入C相。
A B C
D
A B C
D
牵引变电所换相联接 为整体减轻进入电力系统的负序分量，电气化
各相负荷电流和并联电容的负序电流分量的相位关系 如表所示：
相别
a
b
c
机车电流
电容器
以YNd11变压器为例：
❖取负荷电流 、 产生的负序分量为 、
，则牵引电流的合成负序电流为
，三相并联电容补偿电流产生的负序分量分别
为
、、 。
❖分三种情况讨论。
（1）
此时，
，即牵引电流在系统侧的负序
分量基本为 ，以原边相电压为基准可画出负
2.1.3同相供电的概念
解决上述问题的理想办法是采用新型的同相供电 系统，即全线用同一相位的单相供电，更理想的 是在同一线路或局界内贯通，则能最大限度地避 免电分相，从而有利于重载和高速牵引。
2.1.3同相供电的概念
同相供电系统的优点：
①各变电所结构和接线完全相同，一次系统不存在 换相联接，牵引侧各供电臂电压相同，从而可取 消分相绝缘器，省去自动过分相装置，避免了列 车断电过分相问题，实现了同相供电，消除了高 速列车过电分相所存在的安全隐患，适宜高速铁 路运行;同时由于各变电所结构和接线完全相同， 便于运行维护。
电阻很小，也称高Q（品质因数）滤波器 。
➢阻尼滤波器 ➢在某一宽频带上呈现低阻抗（如高通阻尼滤波器），
其（等效）电阻较大，也称低Q滤波器 。
❖3 按阶数可把并联滤波器中的阻尼滤波器分为一阶、二阶
和三阶等阻尼滤波器。
❖重点讨论并联滤波器 。
❖三、常用滤波器及其特性 ❖1 调谐滤波器 ❖单调谐滤波器 ❖忽略电阻，相对阻频特性为
✓并入系统 ✓调谐滤波器，利用L－C串联谐振构成谐波通路 ✓基波下呈容性 ✓承受调谐的谐波电流和部分无功电流
❖一般，并联滤波器性价比要好于串联滤波器。 ❖有时两者可混合使用。
❖2 按调谐锐度，可把并联滤波器分为调谐滤波器和阻尼滤
波器两种
➢调谐滤波器 ➢调谐在某一、二次较低次谐波上 ，其中串联（等效）
❖此处重点介绍滤波器的原理。
❖一、交流滤波器的用途
➢降低电网的谐波电压或减少进入系统的谐波电流。 ➢与并联补偿装置配合使用，实现无功功率的补偿。 ❖交流滤波器的安装位置 ➢电力机车上 ➢牵引变电所中（牵引侧 ）
滤波原理 ❖非线性负荷一般可视为谐波电流源。 ❖h次谐波下，系统、滤波器及非线性负荷的模型如下图。
②由于对称补偿装置作用，可以完全消除系统不平 衡，滤除谐波并补偿无功。使变化剧烈、含有大 量谐波、低功率因数的不对称单相牵引负荷，对 电力系统而言仅相当于一个纯阻性的三相对称负 荷。
2.1.3同相供电的概念
同相供电系统的优点：
③可以最大限度地提高变压器容量的利用率，常规 的供电系统除单相变压器外，无论是YNdll接变 压器，还是平衡变压器（包括Scott变压器、阻抗 匹配平衡变压器、三相变四相变压器等）在实际 中其容量都不能得到充分利用。以YN dll接变压 器为例，容量利用率只能达到76%。但基于 YNd11接变压器实现的同相牵引供电系统，变压 器容量的利用率可达100%。
引起的压降和压损。
❖
以端口1为例，绕组电流 所产生的牵引母
线的电压降为
❖ 则电压损失为
❖ 化简后得
❖ 由于上式中第一项接近于零，所以端口1的母线
电压约提高了
。
4 并联电容补偿对负序电流的抑制 ❖基本方法：
❖计算变电所合成牵引负序电流
。
❖设置并补容量，设法使补偿装置的合成负序电流
与 反向。
❖已知：以原边A相电压为基准所画的负序相量图中，
理论依据 由负序电流的一般表达式来观察负序的合
成特性：
可见，在各种负荷条件不变的情况下，只 要合理安排负荷所在的端口，就能最大程度的 使构成负序电流的各分量互相抵消，从而减少 总的负序电流。
❖抑制负序主要措施
➢平衡接线变压器 ➢换相连接 ➢并联补偿 ➢同相供电
1 平衡接线牵引变压器
比较常用的是Scott接线牵引变压器。其他
牵引变电所的并联补偿
❖1 臂负荷（变电所）功率因数的提高
❖下面以臂负荷功率因数的提高为例说明并联电容补
偿的相关计算。
考虑如图所示变 电所的一个供电臂， 电压、负荷电流和所需投
放分补偿容量 。以 为参考相量做相量图和功率图
。
求得需补偿的容量 为
区段的各种接线的牵引变电所几乎无一例外地实行 换相联接，即轮换接入电力系统的不同相。
大量实践证明，牵引变电所换相联接对减少电 气化铁道对电力系统的负序影响是十分有效的。
牵引变电所换相连接的基本要求
各变电所单相牵引负荷轮换接入电力系统不同相，使电力 系统三相负载对称。 两个相邻牵引变电所的相邻供电分区同相，便于越区供电 （纯单相变电所除外）。 接触网分相绝缘器承受电压不超过网压。
日本采用154kV， 220kV和275kV三种电压等级 ，法国采用235kV电压等级，意大利采用130kV 等级，西班牙采用132kV， 220kV两种电压等级
2.1.1当前限制不平衡程度几种措施
③采用不平衡补偿装置 如日本采用单相负荷补偿装置（SFC） ④采用换相联接
2.1.1当前限制不平衡程度几种措施
电气化铁路电能质量及 其综合控制技术
7.1 电气化铁道电能质量问题
❖交直型电力机车
❖谐波电流大：由相控方式决定；谐波为奇次谐
波，主要为3、5、7次
❖功率因数低 ❖产生负序电流
❖交直交型电力机车
✓功率因数接近1 ✓谐波含量低 ✓牵引功率大，负序问题突出
解决思路
谐波的抑制措施
❖为减少谐波及其危害，可采取的抑制方法有： ➢改进换流装置 ➢设置滤波装置
经各种接线变压器和对称补偿来构成的单相供电系 统可统称为三相—单相对称补偿系统 。
同相供电系统中的变电所分为三种： (1) 全补偿，它要求实现对称补偿，特别对负序有 极好的抑制能力 (2) 半补偿，对补偿负序有适度要求； (3) 不补偿，只用牵引变压器。
2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统
❖为加强滤波效果，最经济有效的方法是对电气化
铁道，采用3次、5次和7次单调谐滤波装置 。
降低负序影响的措施
❖负序在电力系统中所造成的不良影响，如额外
占用系统及设备容量，造成附加网损，引起系 统电压不对称，降低发电机和电动机出力等。
❖为使电力系统经济运行和提高电能质量，尽可
能降低负序是十分必要的。
2 功率损失的减少
❖
供电系统在牵引端口的三角接等效电路如
图中方框内的部分所示，其中 为归算到牵引端
口的三相系统短路阻抗与牵引变压器等值阻抗之
和，且
。
❖则当三相负荷对称时，由于负荷电流引起的三相
功率损失为
❖ 式中， —— 供电系统相阻抗的电阻部分；
❖
—— 变压器次边绕组电流；
❖
—— 绕组电流的有功分量；
（三相牵引变电所换相时要考虑重臂负荷安排在超前相）
1 单相牵引变电所换相连接 方案1：由3台单相变构成相别循环
电分相上承受电压为
方案2：由6台单相变构成相别循环 电分相上承受电压为
2 Vv接线变压器换相连接 （1）单相Vv相别循环
3 三相YNd11牵引变电所换相连接
YNd11牵引变压器展 开图如下
同相供电系统的牵引变电所的接线方式： 线电压型----能与单相牵引变压器构成同相供电 相电压型----其他形式， 主要代表是YNd11接线
❖系统谐波电流和谐波电压分别为
❖理想滤波器时， ❖实际滤波效果取决于滤波器阻抗及系统阻抗的关系。
❖二、交流滤波器的分类 ❖1 按接入系统的方式，可分为串联和并联两种类型。
➢串联滤波器
✓串入系统 ✓调谐滤波器，利用L－C并联谐振来阻碍谐波进入系统 ✓基波下呈感性 ✓经受全部电流，绝缘水平要求高
➢并联滤波器
7.2.3独立供电系统 2.3.1基本考虑与概念
2.3.2独立供电系统的构成 2.3.3可靠性、可维修性与经济性
既有牵引供电系统
2.1.1当前限制不平衡程度几种措施
①采用三相一两相平衡牵引变压器