电气化铁道电能质量及治理技术

电气化铁道电能质量及治理技术

北京交通大学吴命利

2010年5月

主要内容

一、电气化铁道的发展

二、供电要求与负荷特点

三、我国电力与铁道关于电铁电能质量的争论

四、谐波及技术对策

五、负序及技术对策

六、新型同相供电方式

七、和谐共赢的解决思路

一、电气化铁道的发展

蒸汽牵引

电力牵引

诞生于1879年的电气化铁道是社会需求与技术进步的产物。

一、电气化铁道的发展

工频单相交流制（55％）直流制（30％）

低频单相交流制（15％）

早期阶段人们尝试了不同的供电制式

电力牵引

架空接触网供电，钢轨回流

一、电气化铁道的发展

1961年8月15日宝成铁路宝凤（宝鸡—凤州）段电

气化铁道正式交付运营，开始我国的电气化铁道建设。

早期建设缓慢，改革开放以后，加快了建设步伐。

铁路牵引政策的逐步调整：

70年代以前，以内燃为主

80年代，内电并举

90年代以后，以电力为主

2000年，14600公里

2005年，20000公里

2007年，24000公里

2009年底，我国电气化铁路总里程达32000公里，居世界第二位。

铁路总里程10万km 电气化：5万km

沪汉蓉专线

京沪专线

京广专线

京哈专线

沪甬深专线

陇海专线

浙赣专线

青太专线

“四纵四横”客运专线，200km/h 以上1万km

到2020年，建成2000公里的城际快速客运铁路

二、供电要求与负荷特点

牵引变电所

电分相

接触网

钢轨

列车

牵引变电所

电分相

回流线

牵引供电系统原理示意图

高可靠性：两路独立电源，主变压器一主一备运行，非正常情况时可越区供电。

（牵引变压器负荷率普遍较低，一般不超过30％）

二、供电要求与负荷特点

大供电容量：HX D2型大功率电力机车10000kW ，16辆编组时速350km 的动车组超过20000kW 。

350km/h ，3min 追踪间隔，30km 供电臂，变电所的峰值功率超过120MVA

km

G e s c h w i n d i g k e i t

k m /h S t r o m

A

Z u g k r a f t

k N

20

40

60

80

100

120

-100

0100200300400500600700800

二、供电要求与负荷特点

良好电压品质：电压水平与电压波形。

牵引网额定电压25kV ，正常工作电压20～27.5kV 。由于负荷压损大，国内不少既有线路空载电压达29kV 。

16

20

24

28

32

0.00.20.40.60.81.01.2290.9

2522.5

Rated power T r a c t i o n p o w e r

Catenary voltage (kV)

引进动车组的功率发挥曲线

二、供电要求与负荷特点

波动剧烈的大容量单相不平衡非线性负荷

受电弓

断路器

车载变压器

钢轨

交直型电力机车工作原理图

辅助回路

牵引电流从钢轨回流至变电所交流25kV 接触网

独立他励系统

整流器直流电机

1500V

韶山系列

二、供电要求与负荷特点

交流25kV 接触网受电弓

断路器

车载变压器

钢轨牵引电流从钢轨回流至变电所辅助回路

交流电机

四象限变流器

逆变器直流

交直交型电力机车工作原理图

HX系列CRH系列

•电气化铁道谐波的特点单相独立性

随机波动性

相位广泛分布

高压渗透性

国产韶山系列电力机车谐波含有率（％）

谐波次数 3 5 7 9 11 无PFC的机车23.9 13.9 10 3.7 5.2

有PFC的机车10.0 13.2 9.5 3.7 5.2

电气化铁道之所以产生负序，本质上是由于电力机车是单相负荷造成的。

A B C

A

I&

B

I&

C

I&

I&

A

I&

1A

I&

2

A

I&

B

I&

1

B

I&

1

C

I&

2

B

I&

2

C

I&

谐波与负序主要术语

•

第h 次谐波电压（电流）含有率

1

100(%)

h

h U HRU U =×1

100(%)h

h I HRI I =

ו谐波电压（电流）含量

2

2()H h h U U ∞

==

∑2

2

()H h

h I I

∞

==

∑•电压（电流）总谐波畸变率

1

100(%)

H u U

THD U =×1

100(%)H

i I THD I =

×%

1001

2

×=U U U ε•三相电压（负序）不平衡度