【導讀】生變化，除了含有低頻帶的3、5、7次等諧波外，在高頻帶還出現(xiàn)了大量的高次諧波。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。緣設(shè)備，影響系統(tǒng)安全運行。本文對電力系統(tǒng)的諧波特性做了詳細的理論研究和分析，穩(wěn)定性和可靠性。供電系統(tǒng)的諧波特點及其分布，進一步加深理解。

　　

【正文】 BC相；變壓器 2T 一端接 A相，另一端接到 1T 原邊的中點。 原邊的匝數(shù)要求 2T 為 1T 的 32 ， 1T 、 2T 副邊匝數(shù)相同。 這種三相一兩相接線式變壓器的突出優(yōu)點是當兩個供電臂上的饋線電流 相等時，一次側(cè)的三相電流對稱，從而大為降低了三相系統(tǒng)的不對稱狀態(tài)。 受 電 弓機 車受 電 弓機 車ci ai bABCi A i C i Ba 臂 b 臂 圖 T接線時的原理電路圖 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。牽引電流經(jīng)由接觸網(wǎng)供給電力機車，然后沿軌道和大地流回牽引變電所。 電氣化鐵道的接觸網(wǎng)常采用架空式單鏈形懸掛或采用簡單懸掛。接觸導線大都用鋼蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 鋁合金導 GLCA 100215 。鏈形懸掛承力索用鋼絞線 GJ70。 鋼軌重量一般采用 50kg／ m，某 些支線和運量較小的區(qū)段采用 43kg／ m，大運量的干線區(qū)段逐步采用 60kg／ m。型號有 P50、 P43等。每根鋼軌標準長 ，長鋼軌每根長 25m。 (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 。 我國電氣化單線區(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 。每個接觸網(wǎng)供電分區(qū)常稱為一個供電臂。 兩牽引變電所之間相鄰的兩個接觸網(wǎng)供電臂相互絕緣，電力機車 只從一個牽引變電所取用電流。按現(xiàn)行設(shè)計，兩個牽引變電所之間毗連的供電分區(qū)屬于同相。這樣，在必要時，也可在分界點設(shè)置分區(qū)亭，將供電分區(qū)連通，由一個牽引變電所越區(qū)供電，或?qū)嵭袃蛇吂╇姟? 變 電 所 變 電 所A BC C 圖 線區(qū)段牽引網(wǎng)的單邊供電原理圖 ② 兩種改進的供電方式 交流牽引網(wǎng)的高壓電場和交變磁場會對沿線通信線產(chǎn)生靜電感應和電磁感應，從而對周邊的通信線路造成干擾，降低通信質(zhì)量。對通信線的防護，可以采用將通信線遷移或改用屏蔽電纜的方法，但在通信線甚多的地區(qū)，由于通信改 造投資過大，適宜采用治本的方法，從牽引網(wǎng)本身中采取措施。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。 BT供電方式 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 牽引網(wǎng)中架設(shè)吸流變壓器一回流線，可使牽引電流沿回流線流回牽引變電所而不經(jīng)由軌道和大地，其原理可示于圖。圖 ，吸流變壓器設(shè)在分段的中央，其原邊串入接觸網(wǎng) l，副邊串入沿鐵路架設(shè)的回流線 3?；亓骶€通常就懸掛在鐵路沿線的接觸網(wǎng)支柱外側(cè)的橫擔上。吸流變壓器是 1:1的變壓器。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，但這個電流數(shù)量很小 [9]。 這種裝置的防護作用在于：它把本來是尺寸很大的接觸網(wǎng)一軌道大地回路 (返回電流經(jīng)軌道和大地流回的回路 )，改變成尺寸相對很小的接觸網(wǎng)一回流線回路 (返回電流經(jīng)回流線流回的回路 )。這樣就極大地減弱了周圍的磁場，從而使牽引電流在鄰近的通信線中的影響大大減弱。但這種方式也有缺點，即電力機車處于吸流變壓器附近時防護效果差。 變 電 所 圖 牽引網(wǎng) BT供電方式的原理圖 AT供電方式 在實行交流電氣化的前 期，在牽引網(wǎng)中普遍應用了 BT供電方式。為了克服高速．大功率機車在這種電路中通過吸流變壓器分段時，在受電弓上產(chǎn)生強烈電弧的缺點，后來發(fā)展了一種新的牽引網(wǎng)供電方式 —— AT供電方式。 采用 AT供電方式的牽引網(wǎng)，簡稱為 AT牽引網(wǎng)；采用 AT供電方式的電牽引供電系統(tǒng)，簡稱為 AT電牽引供電系統(tǒng)。 AT牽引網(wǎng)的原理如圖 。 圖 ， l代表接觸網(wǎng)， 2代表鋼軌， 3代表正饋線。 AT表示自耦變壓器，變比為 2：l，其 一 端接入接觸網(wǎng) 1，中點接入鋼軌 2，另一端接入正饋線 3，將 50KV交流電變換為 25KV交流電。電力機車負荷接 在接觸線和鋼軌之間，由 25kV電壓供電。正饋線沿供電分區(qū)架設(shè)，與回流線相似。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，相應渦流損耗、結(jié)構(gòu)損耗低，空載電流小，無功損耗低，體積小，重量輕，節(jié)省材料等特點。 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 1235 0 K V2 5 K V2 5 K VA T 1 A T 2 A T 3機車 圖 AT牽引網(wǎng)的原理圖 AT牽引網(wǎng)不僅能防止接觸網(wǎng)上的諧波對電氣化鐵路沿線的通信系統(tǒng)造成干擾，還大大降低了牽引網(wǎng)中的電壓損失，從而擴大了牽引變電所間隔，減少了牽引變電所的數(shù)目 。 (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。 最簡單。 由接觸懸掛、鋼軌、回流線和吸流變壓器組成 由接觸懸掛、鋼軌、自耦變壓器、正饋線和保護組成。最復雜。 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 維護管理 最少 較多 最多 牽引 網(wǎng)造價 最少 較大 最大 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 4 鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波分析 我國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 ，來自電力系統(tǒng)的電源一般是 100KV或 220KV輸電線路。一般一條供電臂長度在 20千米左右，供電機車臺數(shù)為 1— 3臺。電力機車為了調(diào)速方便，一般采用直流電動機，但向機車供電的供電臂提供的是交流電，因此電力機車上需要整流裝置，把交流電轉(zhuǎn)換為直流電。所以，電力機車實際上是整流負荷，運行時將產(chǎn)生大量的諧波電流，是電力系統(tǒng)的諧波源。另外，由圖 ，當只有 一個供電臂有機車時，牽引變壓器帶的是單相負荷，當兩個供電臂有機車時，牽引變壓器帶的是兩相負荷。所以，電氣化鐵路又是電力系統(tǒng)的不對稱負荷，運行時將產(chǎn)生負序電流，是電力系統(tǒng)的負序源。 受 電 弓機 車受 電 弓機 車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 電力機車諧波分析 電氣化鐵路牽引負荷主體是電力機車，因此，分析電氣化鐵路牽引負荷諧波情況，就必須首先分析電力機車的諧波特性。目前，我國電氣化鐵路上運行的主要是國產(chǎn)韶山系列電力機車，包括 SS1型、 SS3型、 SS4型、 SS7型、 SS8型等。 SS1型電力機車采用二極管整流電路，通過調(diào)整機車變壓器的分接頭進行電壓調(diào)整，以改變機車行駛速度。 SS3型電力機車也采用二極管整流電路，但機車變壓器調(diào)壓蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 級位減少，且級間采用了可控硅整流電路，實現(xiàn)了平滑調(diào)壓。 SS4型以后的電力機車一般采用多段橋式可控整流電流，完全實現(xiàn)了平滑調(diào)壓。 根據(jù)電力機車的整流特性可知， SS3型電力機車的諧波特性介于 SS1型電力機車和SS4型、 SS7型、 SS8型電力機車之間，其諧波特性具有一定的代表性。因此，在對電氣化鐵路牽引負荷進行諧波分析時，認為 牽引負荷全部為 SS3型電力機車。 供電臂諧波電流合成 在實際鐵路運輸過程中，一條供電臂上可能會同時有幾臺電力機車運行，這時注入電力系統(tǒng)的諧波電流將是這些電力機車諧波電流的合成。由于供電臂的距離一般比較短，對于次數(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。這樣，同一供電臂不同位置上的電力機車產(chǎn)生的諧波電流可以直接進行合成。 對于每一次諧波而言，它們均為正弦量，都可以用相量的形式表示出來，例如 ： A供電臂上第 i臺機車的第 n次諧波電流可以表示為 ainII?? ?? () 在圖中，設(shè) A供電臂上有 N臺電力機車，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?? ?? () 牽引負荷注入系統(tǒng)的諧波電流 牽引負荷是單相負荷，它注入系統(tǒng)的諧波電流在三相的分布是不對稱的，因此，必須分別計算每一相的諧波電流。在圖所示的牽引供電系統(tǒng)中，當 A、 B兩個供電臂同時有機車時，可以根據(jù)疊加原理先求出一臂有機車時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車時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，就是兩個供電臂同時有機車時諧波電流在牽引變壓器低壓側(cè)繞組中的分布。忽略 變壓器勵磁支路的分流，則根據(jù)牽引變壓器的變比，可計算出注入電力系統(tǒng)的諧波電流，即 A n a n b n3 2 1()33I I Ik? ? ?? ? ? () 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計（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? ? ??? () 整流負荷諧波源模型 工礦企業(yè)的大中容量整流負荷廣泛采用三相 6脈動和三相 12脈動整流橋，由于整流器的非線性而產(chǎn)生諧波。通過整流過程分析可知，三相 6脈動和三相 12脈動整流橋產(chǎn)生的特征諧波電流次數(shù)分別為 ： 6脈動 n=6K177。1， K=1， 2， 3，? 12脈動 n=12K177。1， K=1， 2， 3，? 即三相 6脈動整流橋產(chǎn)生 1 13等奇次諧波電流，三相 12脈動整流橋產(chǎn)生 11 2 25等奇次諧波電流。 整流負荷在實際運行過程中，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。 1(對于三相 6脈動整流橋 )或 12K177。 1(對于三相 12脈動整流橋 )次的諧波電流。例如，對于三相 6脈動整流橋，產(chǎn)生 15次等非特征諧波；對于三相 12脈動整流橋，產(chǎn)生 17次等非特征諧波。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)三相阻抗不對稱、負荷波動等因素引起的，其諧波次數(shù)不能像特征諧波那樣由脈動數(shù)決定。非特征諧波電流的精確計算一般是不可能的，而且許多因素和參數(shù)難以確定， 所以非特征諧波一般采用估計的方法。例如 12脈動換流設(shè)備的非特征諧波 ( 1 19次 )取為相應 6脈動換流設(shè)備水平的 15%~25%(本文中統(tǒng)一取 20%)；而脈動換流設(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。 牽引供電系統(tǒng)諧波電流放大 當電力機車向牽引網(wǎng)注入諧波電流時，某些次數(shù)的諧波電流將會激勵牽引網(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誤動等問題。如圖 (a)為牽引供電系統(tǒng)原理圖，對其進行等效，等值電路如圖 (b)所示，牽引網(wǎng)總長為 L。 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 受 電 弓機 車牽 引 變 電 所牽 引 網(wǎng)分 區(qū) 所S SS P （ a） 牽引供電系統(tǒng)原理圖 I tXI 1I 2Z 1 Z 2I X電 力 機 車S SS P （ b） 等值電路圖 圖 牽引供電系統(tǒng)原理圖及其等值電路 從圖 t 1 2I =I+I () 21t12ZI =I Z +Z? （ ） 12t12ZI =I Z +Z? （ ） 其中 :tI 為機車電流 。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 。 1Z 、 2Z 分別為在機 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 。 影響牽引供電系統(tǒng)諧波諧振點的主要因素有牽引網(wǎng)的單位長阻抗和導納、牽引網(wǎng)長度、機車位置、牽引變電所等值阻抗，當機車向牽引網(wǎng)注入的諧波頻率等于或接近于牽蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 引網(wǎng)的諧振點時就可能引起系統(tǒng)發(fā)生諧振。 諧波仿真 我國目前運行的主