【正文】 Cu c ( t )i L ( t ) 圖 串聯(lián)諧振回路 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 如圖 所示的串聯(lián)諧振回路， 當(dāng)考慮電容上的電壓 c()ut以及電感中的電流 L()it在電壓源 e(t)的作用下所產(chǎn)生的變化情況時(shí)，我們可以 列寫出下面的方程 L L c( ) ( ) ( ) ( )dR i t L i t u t e tdt? ? ? () cL1( ) ( )u t i t dtc? ? 或 cL1( ) ( )d u t i tdt c? () 上述兩式也可寫成 L L c11( ) ( ) ( ) ( )dRi t i t u t e td t L L L? ? ? ? () cL1( ) ( )d u t i tdt c? () 以上兩式是以 L()it和 c()ut為變量的一階微分聯(lián)立方程組，對(duì)于圖 所示電路只要知道 L()it和 c()ut的初始情況以及電壓源 e(t)的情況，即可 完全確定電路的全部行為。 這樣，線路單位長(zhǎng)度阻抗可表示為 0n 0n 01Z r jnx?? () 式中 ， 01x —— 基波時(shí)線路單位長(zhǎng)度電抗值 [4]。若以 01r 、 01x 及 01b 分別表示線路單位長(zhǎng)度的基波電阻、電抗和電納（電導(dǎo)一般略去），且此線路長(zhǎng)度為 l（ KM）時(shí)，則基波等值電路參數(shù)為 L1 01 01()Z r jx l?? () 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 L1 01Y jb l? () 當(dāng)線路較長(zhǎng)時(shí) (架空線路大于 300km，電纜線路大于 100km)，應(yīng)將此參數(shù)乘以修正系數(shù)，或增加等值 π 型電路的個(gè)數(shù)，即不使每個(gè) ? 型電路所代表的線路過長(zhǎng)。漏抗值可近似認(rèn)為是常數(shù)。對(duì)發(fā)電機(jī)可按其阻抗角為 85 估計(jì)。 在高次諧波網(wǎng)絡(luò)里，發(fā)電機(jī)電勢(shì) (諧波電勢(shì) )為零，其等值電路為由發(fā)電機(jī)端點(diǎn)經(jīng)諧波電抗 GnX 直接與中性點(diǎn) (地 )相連，如圖 。 (2) 諧波電流標(biāo)準(zhǔn) 表 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值 標(biāo)稱電壓 (KV) 基準(zhǔn)短路容量 (MVA) 諧波次數(shù)及諧波電流允許值 (A) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 78 62 39 62 26 44 19 21 6 100 43 34 21 34 14 24 11 11 10 100 26 20 13 20 15 35 250 15 12 12 66 500 16 13 13 100 750 12 標(biāo)稱電壓(KV) 基準(zhǔn)短路容量 (MVA) 諧波次數(shù)及諧波電流允許值 (A) 10 11 12 13 14 15 16 17 10 16 28 13 24 11 12 18 6 100 16 13 10 10 100 35 250 66 500 100 750 標(biāo)稱電壓 (KV) 基準(zhǔn)短路容量 (MVA) 諧波次數(shù)及諧波電流允許值 (A) 18 19 20 21 22 23 24 25 10 16 14 12 6 100 10 100 35 250 66 500 100 750 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 電 網(wǎng) 公共連接點(diǎn)的全部用戶向該點(diǎn)注入的諧波電流分量 (方均根值 )不應(yīng)超過表 中規(guī)定的允許值。 我國諧波標(biāo)準(zhǔn) 我國諧波國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T14549． 93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》是國家技術(shù)監(jiān)督局于1993 年 7 月 31 日發(fā)布， 1994 年 3月 1日起實(shí)施的。各國規(guī)定的限制各級(jí)電壓電網(wǎng)電壓波形畸變率是非常 接近的，電壓總諧波畸變率大致如下 低壓電網(wǎng) ( 1? KV): uTHD ＝ 4%~5% 中壓電網(wǎng) (~72kV): uTHD ＝ %~5% 高壓電網(wǎng) (84kV及以上 ): uTHD ＝ l%~% 其中，低壓電網(wǎng)的諧波電壓允許值是諧波標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)限值。各次諧波含有率的平方和的平方根值稱為總諧波畸變率 THD(Toatl Harmonic Distortion)，簡(jiǎn)稱畸變率 DF(Distortion Factor)。 (4) 電力電子設(shè)備通?？烤_電源零交叉原理或電壓波形的形態(tài)來控制和操作，若電壓有諧波成分時(shí)，零交叉移動(dòng)，波形改變，易造成許多誤動(dòng)作。也就是，對(duì)各次諧波分 別建立等效電路 (在頻率域 )并求解電流和電壓。 (2) 相序性 在一個(gè)三相對(duì)稱平衡系統(tǒng)中，單頻率諧波分量只能是完全正序的，或完全負(fù)序的，或完全零序的 。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)，我們也常稱它為高 次諧波 [2]。 1984 年鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所在石板灘、養(yǎng)馬河等牽引變電所安裝測(cè)量裝置，得到了牽引 負(fù)荷的功率因數(shù)和諧波特性，并以此為依據(jù)投入補(bǔ)償裝置。 課題研究現(xiàn)狀 隨著電力系統(tǒng)諧波被廣泛關(guān)注，鐵路牽引供電諧波也成了諧波領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要研究對(duì)象。 我國目前既有普速鐵路線上，主要采用的是交直型電力機(jī)車，其采用半控橋式整流裝置，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)機(jī)車出力的調(diào)節(jié)，這種方式使得交直型機(jī)車的功率因數(shù)較低，并產(chǎn)生豐富的諧波，這些諧 波注入到電力系統(tǒng)中后將對(duì)電網(wǎng)造成污染，危及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。盡管這些高頻帶諧波含有率不高，但其卻大大增加了系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振的可能性。 隨著交直交動(dòng)車組在電氣化鐵道中的大量采用，使得牽引供電系統(tǒng)中的諧波特性發(fā)生變化，除了含有低頻帶的 7 次 等 諧波外，在高頻帶還出現(xiàn)了大量的高次諧波。其中將建成京滬、京廣、京哈、滬涌深及徐蘭、杭長(zhǎng)、青太及滬漢蓉“四縱四橫”高速鐵路客運(yùn)專線 16000 公里，形成我國鐵路快速客運(yùn)網(wǎng)。因此有必要對(duì)牽引供電系統(tǒng)中的諧波諧振特性進(jìn)行分析和研究，為避免發(fā)生諧波諧振提供相應(yīng)的理論參考。 我國曾經(jīng)組織數(shù)次較大規(guī)模的電氣化鐵道諧波測(cè)試工作，主要是在牽引變電站進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)地測(cè)量，通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，找出牽引變電站電流諧波的分布規(guī)律。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 2 諧波 諧波含義 國際上公認(rèn)的諧波含義為 :“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波 量 ， 其頻率為基波頻率 的整倍數(shù)”。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)是由雙向?qū)ΨQ元件組成的，這些元件產(chǎn)生的電壓和電流具有半波對(duì)稱性。這一特性使得我們可以將各次諧波分別來處理。 (3) 由于諧波電流使開關(guān)設(shè)備在啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率，使暫態(tài)恢復(fù)峰值電壓增大，破壞絕緣，還會(huì)引起開關(guān)跳閘，引起誤動(dòng)作。 (3) 總諧波畸變率 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 波形畸變的程度，常以其 總諧波畸變率來表示，作為衡量電能質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)。各級(jí)電網(wǎng)的限制均由低壓電網(wǎng)經(jīng)中壓電網(wǎng)到高壓電網(wǎng)逐級(jí)減小，在電網(wǎng)正常運(yùn)行方式下，并把國際大電網(wǎng)會(huì)議推薦的“低值”作為電網(wǎng)諧波正常水平的限制值?？鄢弦患?jí)電網(wǎng)傳到本級(jí)電網(wǎng)的諧波電壓后，剩余的諧波電壓即為本級(jí)電網(wǎng)對(duì)其全部用能承擔(dān)的全部諧波能力，再按每個(gè)用戶接入本級(jí)電網(wǎng)取用的供電容量額，計(jì)算該用戶允許注入電網(wǎng)的諧波電流。 考慮到低壓 電網(wǎng)內(nèi)低次諧波占主要成分，同時(shí)為保證大量而普遍存在的低壓電動(dòng)機(jī)、并聯(lián)電容器的安全運(yùn)行，保證計(jì)算機(jī)的正常工作和符合保護(hù)及遠(yuǎn)動(dòng)裝置對(duì)電源諧波的要求，其電壓總諧波畸變率確定為 5%。 發(fā)電機(jī) 合格的發(fā)電機(jī)，其電勢(shì)可認(rèn)為是純正弦的，即不含有高次諧波，因而發(fā)電機(jī)電勢(shì)只存在與基波網(wǎng)絡(luò)。有功功率只是網(wǎng)絡(luò)里各元件的損耗，因此往往需將各元件的損耗按電阻形式估計(jì)。 R T n + j X T n 圖 變壓器等值電路 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 其阻抗值由繞組電阻和漏抗所組成。 Z L nY l n/ 2Y l n/ 2 圖 輸電線路等值電路 作基波（ n=1）計(jì)算時(shí)，等值電路參數(shù)為分布參數(shù)的簡(jiǎn)單集中。 輸電線路的電阻因集膚效應(yīng)將隨諧波次數(shù)增加而增大，對(duì)通常應(yīng)用的導(dǎo)線規(guī)格，電阻的變化情況可用如下近似公式表示 0 n 0 1 0 10 . 2 8 8 0 . 1 3 8 , 1r r n r n? ? ? () 式中 ， 0nr 和 01r —— 分別為諧波和基波時(shí)單位長(zhǎng)度線路電阻值。 1 2 3 4 61 0諧波基波相對(duì)值電壓值5 6 8 7U i n輸 入 電 路 抑 制 電 路 量 程 選 擇電 路諧 波 選 擇電 路檢 波 器電 路 檢 波 器 除 法 器 顯 示 器報(bào) 警 裝 置 圖 諧波電壓表方框圖 輸電線路諧波諧振頻率分析方法 輸電線路由于存在分布的線路電感和對(duì)地電容，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)滿足一定條件時(shí)，就可能引起線路諧振現(xiàn)象的發(fā)生，使得諧波電流以及諧波電流發(fā)生放大。所以，實(shí)際上針對(duì)系統(tǒng)中的諧波，能采用的是方法 2。盡管如此，無源 型交流濾波器當(dāng)前仍是補(bǔ)償諧波的最主要手段。 ② 采用有源電力濾波器 (Active Power Filter，簡(jiǎn)稱 APF)是牽引供電系統(tǒng)諧波抑制的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。本文將討論電氣化鐵道的高次諧波問題。 (4) 高壓滲透性。它主要由牽引變電所和牽引網(wǎng)組成。另外，兩臺(tái)變壓器并列，當(dāng)一臺(tái)變壓器停電時(shí)，供電不致中斷。由于變壓器線圈電流等于饋線電流，所以后者的長(zhǎng)期容許值就等于變壓器的額定電 流，變壓器容量可以得到充分利用。 ② 單相接線：?jiǎn)谓M接線又稱簡(jiǎn)單單相接線，原理電路如圖 。單相接線的弱點(diǎn)是不能供 應(yīng)地區(qū)三相電力負(fù)載和變電所自用三相電力。 受 電 弓機(jī) 車受 電 弓機(jī) 車ci ai bABCi A i C i Ba 臂 b 臂 圖 T接線時(shí)的原理電路圖 牽引網(wǎng) 牽引網(wǎng)是由接觸網(wǎng)和軌道地回路構(gòu)成的供電網(wǎng)的總稱。 (1) 牽引網(wǎng)的供電方式 ① 一般供電方式 單線區(qū)段的牽引網(wǎng)的供電可分為單邊供電和雙邊供電兩種方式，復(fù)線區(qū)段的牽引網(wǎng)又分為單邊分開供電、單邊并聯(lián)供電和雙邊紐結(jié)供電 。目前有效的方法有兩種：一種是在牽引網(wǎng)中架設(shè)吸流變壓器一回流線，稱為 BT供電方式；另一種是在牽引網(wǎng)中采用自耦變壓器一正饋線回路，稱為 AT供電方式。但這種方式也有缺點(diǎn)，即電力機(jī)車處于吸流變壓器附近時(shí)防護(hù)效果差。正饋線沿供電分區(qū)架設(shè)，與回流線相似。一般一條供電臂長(zhǎng)度在 20千米左右，供電機(jī)車臺(tái)數(shù)為 1— 3臺(tái)。 SS3型電力機(jī)車也采用二極管整流電路，但機(jī)車變壓器調(diào)壓蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 級(jí)位減少，且級(jí)間采用了可控硅整流電路，實(shí)現(xiàn)了平滑調(diào)壓。在圖所示的牽引供電系統(tǒng)中，當(dāng) A、 B兩個(gè)供電臂同時(shí)有機(jī)車時(shí)，可以根據(jù)疊加原理先求出一臂有機(jī)車時(shí)其諧波電流在牽引變壓器低壓側(cè)繞組中的分布，然后再求出另一臂有機(jī)車時(shí)其諧波電流在牽引變壓器低壓側(cè)繞組中的分布，二者相加，就是兩個(gè)供電臂同時(shí)有機(jī)車時(shí)諧波電流在牽引變壓器低壓側(cè)繞組中的分布。例如，對(duì)于三相 6脈動(dòng)整流橋，產(chǎn)生 15次等非特征諧波；對(duì)于三相 12脈動(dòng)整流橋，產(chǎn)生 17次等非特征諧波。 1Z 、 2Z 分別為在機(jī) 車位置向牽引變電所方向和分所方向看去的牽引網(wǎng)阻抗 。 牽引供電系統(tǒng)諧波電流放大 當(dāng)電力機(jī)車向牽引網(wǎng)注入諧波電流時(shí)，某些次數(shù)的諧波電流將會(huì)激勵(lì)牽引網(wǎng)發(fā)生諧振，諧波電流放大即為諧振的一種表現(xiàn)形式，它將引起牽引網(wǎng)設(shè)備的絕緣損壞以及保護(hù)誤動(dòng)等問題。1， K=1， 2， 3，? 即三相 6脈動(dòng)整流橋產(chǎn)生 1 13等奇次諧波電流，三相 12脈動(dòng)整流橋產(chǎn)生 11 2 25等奇次諧波電流。 供電臂諧波電流合成 在實(shí)際鐵路運(yùn)輸過程中，一條供電臂上可能會(huì)同時(shí)有幾臺(tái)電力機(jī)車運(yùn)行，這時(shí)注入電力系統(tǒng)的諧波電流將是這些電力機(jī)車諧波電流的合成。所以，電氣化鐵路又是電力系統(tǒng)的不對(duì)稱負(fù)荷，運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生負(fù)序電流，是電力系統(tǒng)的負(fù)序源。 最簡(jiǎn)單。 AT牽引網(wǎng)的原理如圖 。吸流變壓器是 1:1的變壓器。按現(xiàn)行設(shè)計(jì)，兩個(gè)牽引變電所之間毗連的供電分區(qū)屬于同相。鏈形懸掛承力索用鋼絞線 GJ70。這種接線方式把對(duì)稱三相電壓變換成對(duì)稱二相電壓，用其一相供應(yīng)一邊供電分區(qū)，另一相供應(yīng)另一邊供電分區(qū)，原理電路如圖 。牽引變電所兩邊供電分區(qū)都由同一相供電。但兩臺(tái)變壓器不是并列運(yùn)行。 ① V/V接線： V/V接線是從三相接線脫胎而來的一種特殊接線方式。 (1) 三相牽引變電所 三相牽引變電所的牽引變壓器線圈采用 Y／△