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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2008年4月,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方、电器制造厂商和电力用户三方共同保证。,自20世纪90年代起，国际相关组织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。电能质量监测与管理已经成为电力市场管理中的一项系统工程。电
2、能质量相关知识已成本专业学生的课堂学习内容。,电力负荷分类 (1) 普通负荷 (Common Load)，对电能质量要求不太高, 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) 严格负荷 (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。,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；(
3、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实在或潜在危害；(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。,电能质量问题研究要点：(1) 污染源特性研究对负序、无功、谐波、闪变等污染源的种类、形式、特性研究；(2) 电力系统对污染源
4、的响应特性研究在电能质量研究中，这是最为困难的环节；(3) 对污染源的实时治理。,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。,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
5、幅增加。有关资料显示，发达国家50以上的负荷通过电力电子装置供电，致使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%。据英国1995年就电能质量问题对容量超过1MW的100家电力用户所作调查显示，在过去的1年中，66的用户因电能质量问题导致生产受损。,据IBM公司的市场调查，48.5的计算机数据丢失由电源电压质量不良引起。信息产业和以计算机、微处理器为核心部件的工业生产，对电网电能质量提出了更高的要求，所以产生了“信息电力”的
6、概念，其要点为电力供应必须着眼于满足信息社会的要求，而不是仅限于满足传统工业社会的要求。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
7、、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 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
8、远地区铁路向主要长大干线、重载、高速铁路发展。2006年9月, 随着浙赣线开通,我国电气化铁路已过24000公里。电气化里程居世界第2位,电气化率达 27%，承担运量比重近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。,上世纪80年代初，石太电气化铁路开通和葛洲坝上海500kV直流输电工程的建设，引起了我国大规模谐波问题研究的开始；1988年8月14日至30日，原能源部、铁道部联合多个单位共130余人，对山西雁同电网、丰沙大、北同蒲电气化铁路进行谐波、负序测试；2001年1月至8月成都铁路局、西南交通大学、四川电力公司对成昆电气化铁路西昌段进行谐
9、波、负序测试；2002年6月成都铁路局、西南交通大学、四川电力公司对内昆电气化铁路昭通段进行谐波、负序测试。 每一次测试，随之而来的是电力、铁路双方的激烈争执。,“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1.2万公里；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
10、所主变安装容量为31.550MVA；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:,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，不断提高电气化铁路的准入门坎，致使这些电铁线路的供电协议谈判进行得异常艰难。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
11、的。,第1节 电能质量定义从普遍意义讲，电能质量和优质供用电相关。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，供电可靠率（RSI）达到99.99%，表明电力系统是安全可靠运行的;,发达国家平均供电可靠率（RSI）达到99.999；中国电力企业联合会于2003年7月12日宣布：我国平均供电可靠率（RSI）首次超过3个 “9”，达到 99.907%，这意味着我国城镇10kV用户年平均停电降至8小时10分钟，而10年前，这一数字为95小时45分钟。但高端制造业，
12、如IC制造厂商，希望供电可靠率达到9个“9”，99.9999999，即全年只允许2个工频周波（40ms）的故障时间。, 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 qualit
13、y）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）这一术语。,IEEE标准化协调委员会已正式采用“power quality”(电能质量)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) ，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，反映的是负荷电流质量问题;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
14、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，它们之间有许多同义词。,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。
15、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, 保证系统以高功率因数运行。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2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；
16、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结果,第3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4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。,
