清华大学牵引供电系统的电能质量问题

电气化铁路牵引供电系统的

电能质量问题

电气化铁道发展过程／年

1958～19781033

世界第25

10000

1997世界第8

200520000

亚洲第一、世界第三

俄罗斯：4万km以上

德国：2万km以上

202050000国务院批准：《中长期铁路网规划》

（／km ）

所建成的里程数

污染设备（电力电子）应用和敏感设备（计算机）应用

进入人口稠密经济发达地区干扰不容忽视。

电铁电能质量问题1

¾单相交流工频牵引制式－负序

220KV

110KV

27.5KV27.5KV

带来问题：结构上不对称、返回系统大量负序电流。

以铁路钢轨与大地为导体的单相移动负荷，线路电抗与电阻比为3左右，分析计算时不能忽略。

三相牵引变电所主结线（a）Y/△(b)V/V

Scott牵引供电方式接线图

¾采用Scott 变压器的电气化铁道变电所的作用是将交流电网的三相交流电力通过变压器变换为M相与T相两个相位相差90度的两相交流电力，实现双单相供电。中日韩用。

Scott供电方式正负序电流分析1¾T1和T2向量矢量图, ( a )M；( b )T

¾M相的牵引负荷与T相的牵引负荷在电力系统中引起的正序电流同相，而负序电流却滞后于T 120°角度。

Scott 供电方式正负序电流分析2¾M 有单相负荷

¾T 有单相负荷

¾M 、T 有单相负荷

注意到:

¾单相负荷时正序电流的模与负序电流的模相同;¾当单相负荷时Scott 接法时负序功率与正序功率相等;¾较之三相变压器接法并没有改善。

Scott 供电方式正负序电流分析3¾M 、T 两相负荷为牵引时

¾T 牵引、M 再生时

M I T I ¾滞后90度

¾当时，二相的负荷相等时，负序电流为0

32M T I I ＝¾该结构的关键在于使其M相与T相的负荷特性相等M I T I ¾超前90度

21123T i I =+ （）¾负序电流¾所需补偿的负序电流达到最大值，为牵引负荷与再生负荷容量之和。以此可以作为设计依据。

但我国国标GB/T15543－1995“电能质量三相电压允许不平衡度”规定容许值2％，短时间不超过4％，单个负荷不超过1.3%。而由负

序近似计算式注意到电力机车的功率通常在10MW以下（日本700型为13.2MW，SS8

4.8MW），由于没有对负序电流的要求，所以单一变电所单个列车的运行对于短路容量在500MVA的系统而言满足国标要求。

EPRI对纽约－波士顿铁路的的测试结果：平均不平衡度0.3%，最大0.8%，支持上述结论。

此外列车作为冲击性负荷引起

的短时间闪变值在17天测量结果为0.1%;同样认为是可以忽略

的。

%100×=k

L U S S ε

电铁电能质量问题2

谐波和无功功率

¾我国绝大部分电力机车采用单相晶闸管相控整流制式，国内电气机车绝大部分采用韶山型机车，如SS4改进型、SS8、SS9型，机车牵引均采用脉流直流电机，采用平波电抗器抑制电流脉动。

带来问题：牵引供电网功率因数低（一般额

定工况时在0.8左右）、谐波含量高。

谐波与无功功率的影响1
目前我国电力牵引绝大部分采用交-直电力机车，此类电力机车通 过变压器降压，整流，供给直流牵引电动机。机车每个转向架的 牵引电动机各由一套整流装置供电，整流装置为二段半控整流 桥，交流侧分别由独立的牵引绕组供电，输出整流电压串联后经 平波电抗器供给直流牵引电机

谐波与无功功率的影响2
由于电机为感性负荷，以及采用移相触发控制牵引绕组侧交流 电流会相移，而为了改善直流电机的换相电路中采用了平波电 抗器以抑制电流脉动。在忽略换向重叠角的条件下，变流器所 输出的交流电流为理想方波，相应的高次谐波的有效值可以近 似用下式加以表示：
单相半控桥：
2⋅ Id 1+cos(nα) In = nπ
半控桥的高次谐波 幅度和相位特性图

谐波与无功功率的影响3
交流平波电抗器的增加： （a）一方面有利于抑制原边电流中高次谐波含量； （b）另一方面却加大了交流侧基频电流和接触网电压之 间的相位差，导致功率因数的下降，并进而增加运行的损 耗。而由于实际的电抗的值有限，所以电流仍存在脉动； 所以实际应用中谐波含量低于前述值。

电气化铁道的谐波特点
单相独立性，我国铁路供电系统均采用两相供电制，但两相负荷 相关性很小，通常认为两臂负荷是独立的。 随机波动性，相控机车电流的波形随相控角的变化而改变，谐波 电流随基波负荷剧烈波动，谐波含量取决于机车的运行工况。 相位广泛分布，电气化铁道谐波向量可在复平面4个象限上广泛 分布。 高压渗透性，电气化铁道其任一次谐波都通过高压系统向全网渗 透，不受变压器接线方向的阻碍。 稳态奇次性，单相整流负荷在稳态运行时只产生奇次谐波，只在 涌流中含有偶次谐波。国内实测机车谐波电流为负荷电流的百分 数：3次—20～25%，5次—10～13%，7次—6～8%。

EPRI对纽约－波士顿的城际铁路进行24小时测量结果为 例，表明95%时间谐波电流小于73A，谐波电压小于3.3％。 但电流THD为17.4%，三次谐波为16％左右，由于不能抵 消，建议在27kV侧接入3次滤波器，将其降到5％以下(阴 影为补偿的部分。 谐波含量与IEEE－ 519之间的关系曲线。

高速列车采用前后端变流器均采用PWM调制，新干线 700型采用3电平IGBT变流器，开关频率1500。可以使 功率因数接近1；并消除低次谐波。