电铁谐波和负序的危害

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1、电铁谐波和负序的危害及治理华北电力科学研究院 许 遐 TEL:139010524261.0 我国电铁概况l第一条宝成线:宝鸡至凤州,1961.8.15l1980年底建成投运1676km.l2005年底达20132km.到2020年达 50000km.l电力牵引高效节能:能源利用效率内燃机 车为30%,电力机车综合为42.8%(其中,水电 占24.2%,效率70%;火电占74.0%,效率35%)l污染物排放小:CO-47.4倍,SO2-62.3倍;颗粒 物超出10000倍. 1.01 牵引网供电系统l由牵引网和牵引变电所两部分组成.2路电源 (110kV)进线,2台牵引变压器,一投一备方式. 降

2、压为25kV.l1)直接供电方式;l2)吸流变压器供电方式(BT);l3)带回流线的直接供电方式;l4)自耦变压器供电方式(AT)1)直接供电方式l结构简单,投资少,干扰 大2)吸流变压器供电方式l在接触网边架设一条 回流线,并串入吸流变 压器.干扰小,但电压损 失大.目前不用.3)带回流线的直接供电方式l仅仅带有回流线,取消 吸流变压器.损耗小,目 前常用.4)自耦变压器供电方式(AT)(55kV)l引入正馈线和自耦变 压器,供电臂阻抗小,供 电能力强,间距可拉长, 干扰小.1.1 电力系统中最大的谐波源和负序源l1.牵引动力来自电力机车，单相分段半控桥变流 方式或单相全波不控变流方式l2.

3、机车运行过程中，具有严重的非线性，向电力 系统注入大量的高次谐波电流，成为电力系统中 最大的谐波源；l3.具有严重的不对称性，向电力系统注入 了大量 的负序电流；l4.其开停频繁，有功冲击大，造成电力系统电压 严重波动；l5.其功率大,流动性大，全国范围内广泛分布，对 电力系统的安全经济运行影响面甚广。1.2 电力机车交直型交直交型l 目前，普遍使用的是相控晶闸管电力机车 ，如SS3，SS4，SS5，SS6，SS7，6K和8K 等。SS4型6400Kw电力机车由于是采用晶 闸管分段相控的主电路，当不同导通角时 ，其波形变化很大，它的谐波含量变化也 较大，在不同级位时，其3、5、7次谐波含 量的

4、变化如表1所示。lDJ1动车组表 1 SS4型机车不同级位时的谐波含量l级 位12位24位28位30位32位l工作电流25A63A113A160A176Al3次（%）6111618 2025 2122 2022l5次（%）781015 1417 1415 1015l7次（%）91181151157591.3 牵引变压器l 按输入电力系统谐波和负序电流的不同， 当前电气铁道供电系统采用的牵引变压器 主要型式可归纳为3种，即Y/-11接线的普 通三相变压器，V/V接线的三相变压器组和 T形接线的Scott变压器。前两种高低压之间 为三相量的变换，后一种为三相量与两相 量的变换。除此以外的其他几种，

5、均可等 效为以上3种。1.3.1 对于T形接线的Scott变压器：l原方三相绕组不对称，匝数关系为 WBD=WDC，WAD=3WBC/2，付方两组绕组 匝数相等，组成、两相系统。l 1）各次谐波电流均要经过牵引变压器输入 电力系统，输入系统的特征谐波为全部奇 次谐波。1.3.1 对于T形接线的Scott变压器：l2）当两臂有机车且低压侧两相谐波负荷不 平衡时，经牵引变压器输入电力系统的谐 波电流为三相不平衡谐波。l 3）当低压侧两相谐波负荷平衡时，输入电 力系统的前两类谐波电流成为三相平衡谐 波。l 4）在任何机车运行方式下，均有线谐波电 流和序谐波电流输入系统。1.3.1 对于T形接线的Sc

6、ott变压器：l5）在两臂额定电压及功率因数相等的条件 下，基波电流比即为牵引功率比，其系统 侧的基波电流不对称度为：l =（1Pb/Pa）/（1Pb/Pa）l 上式中，Pa和Pb分别为两臂的牵引功率。1.3.1 T形接线的Scott变压器原理图1.3.2 Y-D11接线的牵引变压器原理图1.3.3 V-V接线的牵引变压器1.3.4 对于单相牵引变压器。l高压侧仅有一个绕组，接入线电压；低压侧由两 个相同匝数的绕组连接而成，中心抽头接至铁轨 ，绕组的两端分别与接触网和正馈线连接。大约 隔10km就设置一个AT，即所谓的AT供电方式。 这种供电方式由于利用接触网和正馈线的相反走 向，可以降低对通

7、讯线路干扰，同时，降低馈电 网络的阻抗，把馈线中的工作电流降低一半，减 少线损，同时，节约110KV供电线路的投资。但 是，该种AT供电方式输入系统的负序基波电流较 大.1.4 电铁谐波和负序超国标限值的危害l1.华北地区电气化铁道在华北电网和用户 中产生了相当严重的影响和危害。例如丰 沙大电气化铁道通车前夕，实测的雁同电 网110KV母线电压畸变率仅为（1.1-1.79% ），通车后电铁供电点的110KV母线的电压 畸变率已达（5.46-10.98%)。l2.由于大量负序电流的注入引起了三相电 压严重不平衡，使部分电铁供电点的110KV 母线电压不平衡度上升到(3.14-4.14%)。1.4

8、.1 危害电力系统一次设备l1.1990年4月10日20时18分，由于太焦电气化铁道 三座牵引站产生的谐波和负序电流的注入，引起 漳（泽） 长（治）I回线送端漳泽电厂出线211开 关的JGX-11A晶体管相差高频保护误动而跳闸，受 端长治变电站的高频保护也同时误起动，引发了 晋东南电网瓦解和大面积停电事故l2.1985年8月3日3时05分，由大同北郊变电站的丰 沙大电气化铁道四个电铁牵引站所产生的谐波和 负序电流，进入大同二电厂，使2号发电机BFL-5A 负序电流保护动作而跳闸，造成向首都供电的中 断，使北京大面积停电的严重事故。1.4.1 危害电力系统一次设备l3.电气化铁道的谐波和负序电流

9、，注入电 力系统后，使供电站的主变压器音响增大 ，含烃量增高，使无功补偿装置电容器组 产生谐波过电压，以及放电PT发出异响， 甚至爆炸，严重影响到这些一次设备的使 用寿命。1.4.2 影响电力系统二次设备的正常运行l1.凡是有电气化铁道通车的地区，电力系 统所使用的以负序电流滤序器（单相式及 三相式）为起动元件的继电保护及自动装 置，都会连续引起误动作，同时也干扰其 他保护的正常运行。l2.各种型号的晶体管距离保护装置和整流 型距离保护装置，都会因电气化铁道谐波 和负序电流的干扰而产生误动。1.4.2 影响电力系统二次设备的正常运行l3.电气化铁道产生的谐波和负序电流，还 经常引起主变压器的复

10、合电压起动过电流 保护装置及母线复合电压闭锁中的起动元 件误动，l4.发电机的负序电流保护误动，高频保护 收发讯机误动及故障录波器（PGL型）误动 ，母差保护误动等等。1.4.3 危害国民经济其它行业的用电客户l1.电气化铁道谐波对其他用户的影响主要是无功 补偿电容器组,l2.负序电流 对其他用户的影响是电动机和发电机 .l3.山西化工厂10kV母线装有两组1050kVar补偿电 容器组，原来运行良好。10kV电压畸变率为1.92% ，电容器组通过的基波电流为60.4安，谐波电流 为11.7%，而当相邻的电气化铁道投运时，其10kV 母线电压畸变率上升到11.2%，谐波电流为108%， 使补偿

11、电容装置无法正常运行，立即跳闸停运.1.5 北京电力公司客户服务中心已先 后接到很多客户的投诉。l以2003年9月22-23日的测试结果，延庆牵引站电 流95%概率值为350.4A，110kV母线电压畸变率95% 概率值为9.22%，严重超标。l以2003年3月20日9:29-3月21日9:29母线电压畸变 率的95%概率值分别为7.5%；l1999年7月对延庆站110kV母线（其与电铁属混合 运行）的测试结果为例，110kV母线电压畸变率的 95%概率值高达7%；等等。当康庄站110kV母线仅 带本站及延庆、东杏园站一般负荷，不带电铁牵 引站时，各母线电能质量情况都满足国标规定要 求。1.6

12、 成昆电气化铁道l1.在1999年底开通以后，位于西昌地区的某试验基地供电 质量明显下降，一是电压波形严重畸变，二是三相电压严 重不平衡，三是电压波动频繁且幅度大。l在西昌地区有10个电铁牵引站，安装容量为364MVA，运行 容量为182MVA，占西昌电网总负荷的50%以上。由于电铁 牵引站对其谐波和负序未采取有效的措施，造成西昌电网 严重污染，使向试验基地供电的某站110kV母线电压畸变 率从1.25%增长到7.25%.l对基地设备的正常稳定运行，对星箭的安全测试、发射及 飞行测控等工作都产生了重大的影响和威胁。1.7 仅靠当地供电部门是无法按照国 家标准保证供电质量的。l自八十年代来，我国

13、大部分开通电气化铁道的省 市和地区，都不同程度地遭受到电气化铁道产生 的谐波和负序对电能质量的影响，所引起的供用 电设备的事故屡有发生。l其原因，铁道部门在开通电气化铁道的同时，一 直没有遵守国标电能质量公用电网谐波（以 下简称谐波国标）的规定，切实执行谐波和 负序治理措施与牵引站同设计、同施工、同投运 的“三同”原则。2. 大秦铁路的谐波l2.1 原有大秦铁路的谐波注入量l大秦线西起山西省大同市，东至河北省海 滨城市秦皇岛，线路经山西、河北、北京 、天津等省市，线路全长约653km。2.1.1 延庆牵引站谐波测试数据l延庆牵引站由康庄变电站供电。康庄110kV 两条母线分裂运行,分别由聂各庄

14、220kV站 聂康一、聂康二两条110kV线路供电。表1 中列出了延庆牵引站注入系统的主要奇次 谐波电流值（95%概率值）。其中，3、5、 7等次谐波电流严重超出国家标准规定的允 许值。表2 延庆牵引站谐波测试数据 (110kV)l谐波电流次数 3 5 7l实测注入谐波电流(A)A相21.60 13.19 5.75l B相 10.75 14.31 7.93l C相14.58 18.24 10.22l谐波电流允许值(A) 1.902.031.602.1.2 木林牵引站谐波测试数据l木林牵引站由怀柔变电站和李遂变电站供 电，有两台63MVA变压器，一用一备。下面 表2列出了木林牵引站电铁负荷产生的

15、各次 谐波电流值（95%概率值）。其中，3、5、 7次等谐波电流超出了国标规定的允许值。表3 木林牵引站谐波测试数据l谐波电流次数 3 5 7l电铁谐波电流(A) A相 9.82 10.44 7.01l B相 5.40 5.44 2.5l C相 14.01 15.96 4.72l注入允许值(A) 5.34 5.70 4.542.2 扩能后的大秦铁路谐波注入量l大秦线2亿吨扩能电气化配套改造工程完成后，以 开行2万吨列车为主，开行方式包括组合列车和单 元列车（四机牵引），实现牵引质量2万吨，年运 量2亿吨的运输要求。l2.2.1 延庆牵引站扩能改造后注入谐波电流值l延庆牵引站扩能改造后，其110kV供电公共连接点 处的短路容量已经增大，故其注入谐波电流允许 值也能增大，如表4中所示。如果使用DJ1机车，不投电容器组，l其注入3次谐波电流最大相为19.9A，5次为 6.8A ，7次为4.2A，其中3次谐波电流严重 超标，5次也超标。表4 延庆牵引站扩能改造后注入谐波电流值l机车型号运行方式谐波电流（A）110kV电压总畸变率(%）l 3次5次 7次 110kV母线电压lSS 4投电容器组13.1 24.1 15.1 4.14lDJ1未投电容器组19.96.84.21.88lDJ1投电容器组5.75