【正文】 和運(yùn)量較小的區(qū)段采用 43kg／ m，大運(yùn)量的干線(xiàn)區(qū)段逐步采用 60kg／ m。 我國(guó)電氣化單線(xiàn)區(qū)段牽引網(wǎng)普遍采用單邊供電方式，即接觸網(wǎng)供電分區(qū)由牽引變電所從一邊供電，如圖 。這樣，在必要時(shí)，也可在分界點(diǎn)設(shè)置分區(qū)亭，將供電分區(qū)連通，由一個(gè)牽引變電所越區(qū)供電，或?qū)嵭袃蛇吂╇姟? BT供電方式 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 牽引網(wǎng)中架設(shè)吸流變壓器一回流線(xiàn)，可使?fàn)恳娏餮鼗亓骶€(xiàn)流回牽引變電所而不經(jīng)由軌道和大地，其原理可示于圖。采用吸流變壓器后，只有吸流 變壓器原邊的激磁電流仍流經(jīng)軌道和大地，但這個(gè)電流數(shù)量很小 [9]。 變 電 所 圖 牽引網(wǎng) BT供電方式的原理圖 AT供電方式 在實(shí)行交流電氣化的前 期，在牽引網(wǎng)中普遍應(yīng)用了 BT供電方式。 圖 ， l代表接觸網(wǎng)， 2代表鋼軌， 3代表正饋線(xiàn)。自耦變壓器為低阻抗變壓器，即低漏磁變壓器，其具有漏磁低，相應(yīng)渦流損耗、結(jié)構(gòu)損耗低，空載電流小，無(wú)功損耗低，體積小，重量輕，節(jié)省材料等特點(diǎn)。 由接觸懸掛、鋼軌、回流線(xiàn)和吸流變壓器組成 由接觸懸掛、鋼軌、自耦變壓器、正饋線(xiàn)和保護(hù)組成。電力機(jī)車(chē)為了調(diào)速方便，一般采用直流電動(dòng)機(jī)，但向機(jī)車(chē)供電的供電臂提供的是交流電，因此電力機(jī)車(chē)上需要整流裝置，把交流電轉(zhuǎn)換為直流電。 受 電 弓機(jī) 車(chē)受 電 弓機(jī) 車(chē)ca bi a i bu c a u b cABCi A i B i Ca 臂 b 臂 圖 電氣化鐵路牽引供電示意圖 電力機(jī)車(chē)諧波分析 電氣化鐵路牽引負(fù)荷主體是電力機(jī)車(chē)，因此，分析電氣化鐵路牽引負(fù)荷諧波情況，就必須首先分析電力機(jī)車(chē)的諧波特性。 SS4型以后的電力機(jī)車(chē)一般采用多段橋式可控整流電流，完全實(shí)現(xiàn)了平滑調(diào)壓。由于供電臂的距離一般比較短，對(duì)于次數(shù)較低的諧波（一般 19次以下），一般可以不考慮供電臂的分布參數(shù)特性。忽略 變壓器勵(lì)磁支路的分流，則根據(jù)牽引變壓器的變比，可計(jì)算出注入電力系統(tǒng)的諧波電流，即 A n a n b n3 2 1()33I I Ik? ? ?? ? ? () 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 B n a n b n3 2 1()33I I Ik? ? ??? () A n a n b n3 2 1()33I I Ik? ? ??? () 整流負(fù)荷諧波源模型 工礦企業(yè)的大中容量整流負(fù)荷廣泛采用三相 6脈動(dòng)和三相 12脈動(dòng)整流橋，由于整流器的非線(xiàn)性而產(chǎn)生諧波。 整流負(fù)荷在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，除產(chǎn)生特征諧波外，還 產(chǎn)生非特征諧波，即諧波次數(shù)不是 6K177。非特征諧波是由于整流設(shè)備控制角不均勻、供電電壓不平衡、系統(tǒng)三相阻抗不對(duì)稱(chēng)、負(fù)荷波動(dòng)等因素引起的，其諧波次數(shù)不能像特征諧波那樣由脈動(dòng)數(shù)決定。如圖 (a)為牽引供電系統(tǒng)原理圖，對(duì)其進(jìn)行等效，等值電路如圖 (b)所示，牽引網(wǎng)總長(zhǎng)為 L。 影響牽引供電系統(tǒng)諧波諧振點(diǎn)的主要因素有牽引網(wǎng)的單位長(zhǎng)阻抗和導(dǎo)納、牽引網(wǎng)長(zhǎng)度、機(jī)車(chē)位置、牽引變電所等值阻抗，當(dāng)機(jī)車(chē)向牽引網(wǎng)注入的諧波頻率等于或接近于牽蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 引網(wǎng)的諧振點(diǎn)時(shí)就可能引起系統(tǒng)發(fā)生諧振。1I 、 2I 分別為流向牽引變電所 (SS)方向和分區(qū)所 （ SP） 方向的牽引網(wǎng)電流 。例如 12脈動(dòng)換流設(shè)備的非特征諧波 ( 1 19次 )取為相應(yīng) 6脈動(dòng)換流設(shè)備水平的 15%~25%(本文中統(tǒng)一取 20%)；而脈動(dòng)換流設(shè)備的 3及 3的倍數(shù)次非特征諧波 ( 15次 )取為基波電流的 1%左右。 1(對(duì)于三相 12脈動(dòng)整流橋 )次的諧波電流。1， K=1， 2， 3，? 12脈動(dòng) n=12K177。 對(duì)于每一次諧波而言，它們均為正弦量，都可以用相量的形式表示出來(lái)，例如 ： A供電臂上第 i臺(tái)機(jī)車(chē)的第 n次諧波電流可以表示為 ainII?? ?? () 在圖中，設(shè) A供電臂上有 N臺(tái)電力機(jī)車(chē)，則 A供電臂上總的第 n次諧波電流為 an anII?? ?? () 同理， B供電臂上總的第 n次諧波電流為 bn bn nII?? ?? () 牽引負(fù)荷注入系統(tǒng)的諧波電流 牽引負(fù)荷是單相負(fù)荷，它注入系統(tǒng)的諧波電流在三相的分布是不對(duì)稱(chēng)的，因此，必須分別計(jì)算每一相的諧波電流。因此，在對(duì)電氣化鐵路牽引負(fù)荷進(jìn)行諧波分析時(shí)，認(rèn)為 牽引負(fù)荷全部為 SS3型電力機(jī)車(chē)。 SS1型電力機(jī)車(chē)采用二極管整流電路，通過(guò)調(diào)整機(jī)車(chē)變壓器的分接頭進(jìn)行電壓調(diào)整，以改變機(jī)車(chē)行駛速度。另外，由圖 ，當(dāng)只有 一個(gè)供電臂有機(jī)車(chē)時(shí)，牽引變壓器帶的是單相負(fù)荷，當(dāng)兩個(gè)供電臂有機(jī)車(chē)時(shí)，牽引變壓器帶的是兩相負(fù)荷。 牽引網(wǎng)電壓水平 較好 較差 最好 牽引網(wǎng)電能損失 ~5% 7~8% 2~3% 防干擾特性 最差 良好 良好 維護(hù)管理 最少 較多 最多 牽引 網(wǎng)造價(jià) 最少 較大 最大 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 4 鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波分析 我國(guó)電氣化鐵路大多采用所謂的“ BT”供電方式，其供電示意圖如圖 ，來(lái)自電力系統(tǒng)的電源一般是 100KV或 220KV輸電線(xiàn)路。 (2) 供電方式比較 工頻單相電氣化鐵道的牽引 供 電方式的比較如表 表 BT與 AT供電方式比較 供電方式 直供 BT AT 供電臂 (km) 25~30 20 45~50 牽引網(wǎng)阻抗 (Ω /km) ~ ~ ~ 牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu) 由接觸懸掛、鋼軌組成。電力機(jī)車(chē)負(fù)荷接 在接觸線(xiàn)和鋼軌之間，由 25kV電壓供電。 采用 AT供電方式的牽引網(wǎng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為 AT牽引網(wǎng)；采用 AT供電方式的電牽引供電系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為 AT電牽引供電系統(tǒng)。這樣就極大地減弱了周?chē)拇艌?chǎng)，從而使?fàn)恳娏髟卩徑耐ㄐ啪€(xiàn)中的影響大大減弱?；亓骶€(xiàn)通常就懸掛在鐵路沿線(xiàn)的接觸網(wǎng)支柱外側(cè)的橫擔(dān)上。對(duì)通信線(xiàn)的防護(hù)，可以采用將通信線(xiàn)遷移或改用屏蔽電纜的方法，但在通信線(xiàn)甚多的地區(qū)，由于通信改 造投資過(guò)大，適宜采用治本的方法，從牽引網(wǎng)本身中采取措施。 兩牽引變電所之間相鄰的兩個(gè)接觸網(wǎng)供電臂相互絕緣，電力機(jī)車(chē) 只從一個(gè)牽引變電所取用電流。每根鋼軌標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng) ，長(zhǎng)鋼軌每根長(zhǎng) 25m。接觸導(dǎo)線(xiàn)大都用鋼蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 鋁合金導(dǎo) GLCA 100215 。 這種三相一兩相接線(xiàn)式變壓器的突出優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)兩個(gè)供電臂上的饋線(xiàn)電流 相等時(shí)，一次側(cè)的三相電流對(duì)稱(chēng)，從而大為降低了三相系統(tǒng)的不對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。 (3) 三相一二相牽引變電所 這種變電所通常把兩臺(tái)單相變壓器接成斯柯特 (Scott)接線(xiàn)，或稱(chēng) T接線(xiàn)。且由于兩臺(tái)變壓器并列，供電可靠性比V/V接線(xiàn)牽引變電所提高。變壓器副邊一端接軌道地回路，另一端接入接觸網(wǎng)。此時(shí)，地區(qū)三相電力供應(yīng)中斷，變電所三相自用電必須改由 劈相機(jī)或單一三相自用變壓器來(lái)承擔(dān)。 v／ v接線(xiàn)的單相牽引變電所在正常運(yùn)行時(shí)，變電所牽引側(cè)保持三相，所以可用來(lái)供應(yīng)變電所自用電和地區(qū)三相負(fù)載。左邊供電分區(qū)的牽引網(wǎng)由 bc 相供電，右邊由 ca 相供電。其中的單相牽引變壓器常采用 V接線(xiàn)和單相接線(xiàn)。三相牽引變電所的優(yōu)點(diǎn)是變壓器牽引側(cè)保持三相，因而有利于供應(yīng)牽引變電所三相自用電和地區(qū)三相電力。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 目前我國(guó)采用的工頻單相交流制牽引變電所，按其中牽引變壓器的接線(xiàn)方式 不同可分為三相牽引變電所、單相牽引變電所和三相一二相牽引變電 所 。完成對(duì)電力機(jī)車(chē)供電的屬于鐵路部門(mén)管轄的裝置稱(chēng)為電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為電牽引供電系統(tǒng)。單相整流負(fù)荷在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)只產(chǎn)生奇次諧波，只在涌流中含有偶次諧波。諧波向量可在復(fù)平面 4個(gè)象限上廣泛分布。雖然我國(guó)鐵路的供電系統(tǒng)均采用兩相供電制，但兩相負(fù)荷相關(guān)性很小，通常認(rèn)為兩臂負(fù)荷是獨(dú)立的。因此，在目前電氣化鐵 道牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行綜合治理的過(guò)程中，有效進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償、減少負(fù)序電流的影響以及抑制諧波已成為研究和應(yīng)用的三個(gè)重要技術(shù)課題。 采用有源一無(wú)源混合濾波器方案，可充分發(fā) 揮 LC無(wú)源濾波器和 APF各自的優(yōu)勢(shì)，盡量減小 APF的容量，解決了絕緣和最佳投資問(wèn)題，對(duì)于電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)的諧波抑制將是一個(gè)比較理想的方案 [6]。 C型濾波器可用來(lái)補(bǔ)償較低次諧波，具有較寬的頻帶，而基波損耗也小。其主要特點(diǎn)是：任何一個(gè)電容器被擊穿時(shí)，短路電流較?。辉谙到y(tǒng)單相接地時(shí)，電抗器對(duì)地電壓為相電壓，不承受短路電流的沖擊；便于分相調(diào)諧。此外，它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，補(bǔ)償效果也不甚理想。交流濾波器分為無(wú)源和有源兩種 。但是，高脈波數(shù)的換流裝置一般只在容量較小的用電設(shè)備中使用，這是因?yàn)?，如果采用較高的脈波數(shù)，則為了得到相應(yīng)的換相電壓，換流變壓器的結(jié)構(gòu)和接線(xiàn)將非常復(fù)雜，對(duì)于高電壓、大容量的換流裝置來(lái)說(shuō)，不但增加了設(shè)備制造的困難而且增大了投資，通常是不經(jīng)濟(jì)的。 諧波的限制措施 限制電力系統(tǒng)的諧波，應(yīng)對(duì)諧波源本身或在其附近采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施。整流電路的時(shí)間常數(shù)約為 1s，如此可避免短時(shí)失常所引起的誤動(dòng)作 [5]。另一通經(jīng)基波抑制電路 2，量程選擇電路 3，將諧波分量縮小或放大，再經(jīng) 選頻電路 4 將各高次諧波單獨(dú)分離出來(lái)，同樣，也通過(guò)檢波器 6 在顯示 7 上展示出它的幅值 。正常運(yùn)行時(shí)，線(xiàn)路的電導(dǎo)可以忽略，因而線(xiàn)路單位長(zhǎng)度導(dǎo)納可表示為 0n 01Y jnb? () 式中 ， 01b —— 基波時(shí) 的線(xiàn)路 單位長(zhǎng)度電納值。為此，計(jì)算中以雙曲線(xiàn)函數(shù)計(jì)算輸電線(xiàn)路等值電路參數(shù)較好。在潮流計(jì)算中，通常以集中參數(shù)的 π 型電路表示，如圖 。 在高次諧波作用下，繞組內(nèi)的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)都變的顯著，電阻值要增大。在高次諧波作用下，變壓器繞組間及繞組中匝間的電容將起作用，但在所考慮諧波次數(shù)不太高時(shí)，可忽略不計(jì)，因而其等值電路為一連接原副邊節(jié)點(diǎn)的阻抗支路，如圖 。 變壓器 變壓器的激磁支路由于鐵芯的存在，是非線(xiàn)性的，其非線(xiàn)性的程度隨外施電壓而變。在諧波計(jì)算中，一般沒(méi)有有功負(fù)荷或只有很小的數(shù)值。正、負(fù)序高次諧波電流進(jìn)入發(fā)電機(jī)時(shí)，在定子中產(chǎn)生以 n 倍同步速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它與轉(zhuǎn)子作 ( 1n? )倍同步速的蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 相對(duì)運(yùn)動(dòng)。然而，確定影響頻率響應(yīng)的最重要的系統(tǒng)特性是很有價(jià)值的。當(dāng)進(jìn)行諧波研究時(shí)，正確地對(duì)系統(tǒng)元件進(jìn)行建模以保證準(zhǔn)確和可靠的諧波結(jié)果，這一點(diǎn)是非常重要的 。另外，對(duì)偶次諧波的限制也要嚴(yán)于對(duì)奇次諧波的限制 。標(biāo)準(zhǔn)適用的范圍是交流 50Hz、 1IOkV及以下的公用電網(wǎng)及其供電的電力用戶(hù)。根據(jù)不同情況和要求，再考慮到管理上的方便，可采取多種形式和方法，主要有 ： ① 規(guī)定換流器或交流調(diào)壓器諧波 源不經(jīng)計(jì)算即可接入電網(wǎng)的允許容量 ； ② 規(guī)定每個(gè)用戶(hù)注入電網(wǎng)的諧波電流允許值 ； ③ 如國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議提出的建議。 (2) 諧波電流標(biāo)準(zhǔn) 諧波電壓是諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生的電壓降。各標(biāo)準(zhǔn)中各級(jí)電網(wǎng)的諧波電壓允許值與電網(wǎng)的電壓等級(jí)有關(guān)，有的國(guó)家還對(duì)配電系統(tǒng)與輸電系統(tǒng)分開(kāi)對(duì)待。 許多國(guó)家規(guī)定低壓供電電壓的畸變率不得超過(guò) 5%，通常將符合這種標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)供電的電壓波形，近似認(rèn)為是實(shí)際上的正弦波行。電壓有效值有相同的定義和形式 2 2 2 2 2 21 2 3 4 n n1nU U U U U U U??? ? ? ? ? ? ? ? ? （ ） (2) 諧波含有率 電壓畸變波形的第 n 次諧波電壓含有率等于其第 n 次諧波電壓方均根值 nU 與其基波電壓方均根值 1U 的百分比 nn 1 100%UH R U U?? () 電流畸變波形的第 n 次諧波電流含有率等于其第 n 次諧波電流方均根值 nI 與其基波電流方均根值 1I 的百分比 2nn2 1( ) 1 0 0 %nITH D I????? （ ） 實(shí)際工作中常以頻譜 (幅頻特性 )來(lái)表示諧波含有率。 畸變波形的度量指標(biāo) (1) 畸變波形的有效值 周期性電壓和電流的瞬時(shí)值 都隨時(shí)間而變，在工程實(shí)際應(yīng)用中常采用有效值這個(gè)數(shù)字特征量來(lái)衡量電流和電壓的大小。 (2) 當(dāng)高次諧波產(chǎn)生時(shí)，由于頻率增大，電容器阻抗瞬間減小，涌入大量電流，導(dǎo)致電容器過(guò)熱， 甚至損壞，還可能產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。 高次諧波危害 系統(tǒng)發(fā)生諧振后，諧波電流和諧波電壓可能成倍增大，產(chǎn)生過(guò)電壓和過(guò)電流，危害設(shè)備安全運(yùn)行。 (3) 獨(dú)立性 平衡電力系統(tǒng)的線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同諧波的響應(yīng)是相互獨(dú)立