电气化铁路电能质量及其综合补偿技术.

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1、电气化铁路 电能质量及其综合补偿技术 西南交通大学电气工程学院 贺建闽 2006年11月 1 前言 电力作为商品摆脱传统的计划经济模式进 入市场，以市场运作规则来制约供用电双方 ，是我国电力市场建设与发展的必然。 我国电力市场建设是一项长期复杂的系 统工程，涉及电力系统规划、电力生产、电 网运行和负荷管理等诸多方面。 电能质量是评估电力系统运行水平的重 要技术标准，优良的电能质量应由供电、电 器制造、电力用户三方共同保证。 自20世纪90年代起，国际上开始将电 能质量以及电磁兼容构筑成一个技术体 系加以研究。 电能质量已经成为电力系统研究领域 一个新的学科分枝。 电能质量管理已经成为电力市场管

2、理 中的一项系统工程。 电能质量相关知识已成本专业学生的 课堂学习内容。 电能质量的基本要求 优质的供、用电应具有以下特征： (1) 供电电压具有稳定的标称频率、 幅值和波形； (2) 保持三相电压和电流的平衡，保 证电网最大传输效率； (3) 持续稳定和充足的电能供应； (4) 低廉的电价； (5) 对环境的不良影响较小。 电能质量的特征 (1) 电力系统的电能质量始终处在动态变化之中 ； (2) 电力系统是一个整体，各个局部的电能质量 可能相互影响； (3) 电能质量扰动会在系统中广泛传播，并对其 他系统或设备产生潜在危害； (4) 在一般情况下，用户是保证电能质量的主体 ； (5) 对电

3、力系统电能质量综合评估非常困难； (6) 电能质量管理和控制是一项系统工程。 保证优质电能的目的 (1) 现代用电设备对电能质量的要求更高，许多 带有微处理器和功率电子器件的装置对电磁干扰 极为敏感。 (2) 非线性设备的谐波污染，致使供电电压干扰 水平加重,对系统安全运行带来直接的或潜在的危 害。 (3) 电力用户提高了对诸如供电间断、电压凹陷 、电路通断引起的暂态现象的认识，提出更高供 电质量要求。 (4) 电网各部分是相互联系的，供电部门在保证 向用户优质供电的同时，还需极力避免遭受用户 产生的电力干扰，维护电网安全运行。 电力负荷分类 (1) 普通负荷 (Common Load)，对电

4、能质量要求 不太高, 如照明设备、加热器、通风机、空调机、 一般家用电器等。 (2) 敏感负荷 (Sensitive Load)，电能质量不好可 能对此类负荷造成一定的损害, 如电动机控制器、 UPS、变频调速装置等。 (3) 重要负荷 (Critical Load)，对此类负荷, 必须 确保供电严格符合要求, 如信息技术的芯片生产、 微电子元件的智能化流水线、医院、银行和证券交 易中心的计算机等。 建立电能质量管理体系的目的 近年来，在经济发达地区高端产业快速增长的同 时，非线性负荷大幅增加，电网中的电能质量问题 日益突出。据美国电力科学院Jane Clemmensen的粗 略估计，认为每年

5、因电能质量相关问题，造成美国 经济损失达260亿美元。发达国家电能质量问题主要 是供电电压暂降，占供电质量投诉量的80%。 因此，有必要建立电能质量监管体系，使其成为 保证电网安全运行、保护电气环境、保障电力用户 正常使用电能的基本技术规范，同时也是实施电能 质量管理、维护供用电双方合法权益的法律依据。 自20世纪60年代起，世界大多数国家制 定了有关供电频率和电压允许变动的技 术指标，部分国家还制定了限制谐波电 压、电流畸变以及电压波动等推荐导则 。 近十几年来，许多工业发达国家已制定 了更加完备的电能质量系列标准，而且 各国的电能质量标准正在与国际相关专 业委员会推荐标准接轨，逐步实现标准

6、 的统一与完整。 电气化铁路与电能质量 电气化铁道负荷的波动性、不对稳性、 低力率（低功率因数）和非线性一直是电力 专家关注的电能质量问题。 我国第一条电气化铁路宝成铁路宝 鸡至凤州段于1961年8月15日建成通车。由 于当时向该段供电的电网容量较小，电网三 相电压不平衡是当时专家们关注较多的问题 。 1961年宝凤段供电示意图 在宝（鸡）凤（州）段开通时，考虑到宝鸡 电厂无法承受电气化铁道产生的负序电流，所以 在供电上“舍近求远”，从关中系统兴平地区变 电所受电。直至上世纪90年代，随着电网容量扩 大，该地区的电压不平衡问题得以缓解。 1961年到1980年底，我国共建成电气化铁路 1676

7、km，发展十分缓慢。 自1980年改革开放后，电气化铁路开始从山区 走向平原；由低标准边远地区铁路向主要长大干线 、重载、高速铁路发展。 到2005年底,我国电气化铁路已达20132公里。 电气化率达27%，承担的运量比重近50%。 在此期间，电力、铁路两部门在电能质量，尤 其是在谐波、负序、无功方面的争议一直没有停止 。 “十一五”期间, 铁路里程将新增2万公 里; 其中客运专线9800公里，时速在 300公里以上的有5457公里；既有线电 气化改造15000公里。 根据2004年国务院批准的铁道部 中长期铁路网规划，至2020年，我国 铁路营运总里程将达到10万公里，其中 客运专线达到1.

8、2万公里；包括“四纵”、“ 四横”八条时速在200公里以上的客运专 线。 我国200km/h客货共线铁路的单台机车功率达 8000 12000kW；设计列车追踪间隔为5min；牵 引变电所主变安装容量为31.350MVA；部分达到 63MVA。 客运专线的单台机车功率达到23000kW；设 计列车追踪间隔为3min；牵引主变安装容量达到 73MVA 以上，甚至达到120MVA。 在这些线路上，一方面，电气化铁路需要电 力系统提供高质量、高可靠性的供电电源；另一 方面，电气化铁道产生的电能质量问题也会更加 突出，例如 例如，电气化铁路进入我国经济较发 达的东部地区，如京沪线、浙赣线、沪 杭线，电

9、气化铁道负荷对电网以及高端 制造业的影响已经引起当地电力部门的 高度重视，这些电铁线路的供电协议谈 判进行得十分艰难。 对于电气化铁道技术人员来说，对电 能质量相关知识的了解，是很有必要的 。 第一节 电能质量定义 从普遍意义讲，电能质量指优质供电。但迄 今为止，人们对电能质量的技术含义尚未给出 统一的定义，这是人们关注的问题不同以及看 问题的角度不同所致，例如： 电力部门可能把电能质量定义为电压与频 率的合格率, 并且用统计数字来说明，99.99% 表明电力系统是安全可靠运行的; 电力用户则把电能质量定义为是否向负 荷正常供电； 设备制造厂家则可能将电能质量定义为 电源质量，要求电源特性完全

10、满足电气设 备的正常工作需要； 另外一些事件，例如供电中断，究竟应 当归属于输配电工程问题还是用户用电质 量问题，供用电双方意见往往无法一致。 正因如此，人们谈到电能质量时,使用的技术 名词也不规范，例如： 电力系统质量（electric power systems quality） 供电质量（quality of power supply） 电压质量（voltage quality） 在1968年发表的一篇关于美国海军电子设备电 源规范研究的论文中,最先使用了“power quality” （电能质量）这一词语。 IEEE标准化协调委员会已正式采 用“power quality”(电能质量)

11、这一术 语，并且给出了相应的技术定义。 IEC没有采用“power quality”(电能 质量)这一术语，而是提出使用 “EMC”(电磁兼容)术语，其强调设备 之间、电源与设备之间的相互作用 和影响。 在IEC的电磁兼容概念中，采用以 下两个术语： 排放(emission)表示设备产生的电 磁污染，反映的是电流质量问题; 抗扰( immunity)表示设备抵抗电磁 污染的能力，它与供电电压质量相关。 IEC以此为基础,制定出了一系列相 关的电磁兼容标准。 电磁兼容术语与电能质量术语有很 大重叠性,在它们中间有许多的同义词 。 国内外关于“电能质量”的几个定义 定义1： IEEE标准化协调委员

12、会给出的电 能质量定义: 合格电能质量概念指的是， 给敏感设备提供的电力和设置的接地系统 均能适合于该设备正常工作。 定义2：所谓电能质量是指电压质量、频率 质量及供电可靠性的总称。 定义3：电能质量定义为导致用户设备故障 或不能正常工作的电压、电流或频率偏差 。 除此之外, 许多文献还采用了一些并未得到公认的术 语和补充定义。例如： 1 电压质量(voltage quality), 实际电压与理想电压 的偏差反映向用户供给的电力是否合格。 2 电流质量(current quality), 除了对电流提出恒定频 率正弦波形要求外, 还力图使该电流波形与供电电压同 相位, 以保证系统以高功率因数

13、运行。 3 供电质量(quality of supply),它包括技术含义和非 技术含义两部分。技术含义有电压质量和供电可靠性; 非技术含义是指服务质量(quality of service),它包括 供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价格的 透明度等。 4 用电质量(quality of consumption)包括电流质量 和非技术含义,如用户是否按时、如数缴纳电费，等。 第二节 电能质量问题分类 1 稳态电能质量问题 供电电压偏差； 公用电网谐波； 三相电压不平衡度； 电力系统频率偏差； 电压波动与闪变。 2 暂态电能质量问题 暂态过电压和瞬态过电压。 电能质量的实际测量方法和输出

14、结果 第三节 我国已建立的电能质量标准 GB 12325-1990供电电压允许偏差； GB/T 14549-1993公用电网谐波； GB/T 15543-1995三相电压允许不平衡度； GB/T 15945-1995电力系统频率允许偏差； GB 12326-2000电压波动与闪变； GB/T 18481-2001暂态过电压和瞬态过电压。 第四节 GB/T 15945 1995中华人民共和国国家 标准 电能质量 电力系统频率允许偏差简介 电力系统频率偏差：系统频率的实际值与额定 值之差。 频率偏差允许值：电力系统正常频率偏差允许 值为0.2Hz ；当系统容量小于3000MW时，偏差 值可以放宽到

15、0.5Hz。 冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过 0.2Hz，根据冲击负荷性质、大小以及系统的条 件也可适当调整限值，但应保证电网发电机组和 用户的安全稳定运行。 电网频率实测案例：图为成(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， 表明我国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

16、网频率出现12分钟的较大波动。 第五节 GB 1232590中华人民共和国国家 标准 电能质量 供电电压允许偏差简介 交流50Hz电力系统供电电压偏差定义为实测电 压与额定电压之差，以额定电压的百分数表示。 供电电压允许偏差： （1）35kV 及以上供电电压正、负偏差的绝对 值之和不超过额定电压的10%； （2）10kV 及以下三相供电电压允许偏差为额 定电压的7% ； （3）220V 单相供电电压允许偏差为额定电压 的+7%、-10%。 说明： 1 电压偏差按以下公式计算 2 标准中“供电电压”指的是： 供电部门与用户的产权分界处的电压； 或由供用电协议所规定的电能计量点的电 压。 对于电气化铁路牵引变电所，“供电电压 ”指110kV或220kV母线电压。 计算到负荷端口，系统电压损失表达式如下 式中，x为负荷端口看出的电网等值相电抗 ，；Q为该相线路传输的无功功率，kvar ；UN为线路额定相电压，kV； 为负荷功 率因数角