電氣化鐵路

電能質(zhì)量及其綜合補償技術(shù)西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院賀建閩2006年11月1前言

電力作為商品擺脫傳統(tǒng)的計劃經(jīng)濟模式進入市場，以市場運作規(guī)則來制約供用電雙方，是我國電力市場建設(shè)與發(fā)展的必然。我國電力市場建設(shè)是一項長期復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及電力系統(tǒng)規(guī)劃、電力生產(chǎn)、電網(wǎng)運行和負荷管理等諸多方面。電能質(zhì)量是評估電力系統(tǒng)運行水平的重要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)良的電能質(zhì)量應(yīng)由供電、電器制造、電力用戶三方共同保證。自20世紀(jì)90年代起，國際上開始將電能質(zhì)量以及電磁兼容構(gòu)筑成一個技術(shù)體系加以研究。電能質(zhì)量已經(jīng)成為電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域一個新的學(xué)科分枝。電能質(zhì)量管理已經(jīng)成為電力市場管理中的一項系統(tǒng)工程。電能質(zhì)量相關(guān)知識已成本專業(yè)學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容。電能質(zhì)量的基本要求

優(yōu)質(zhì)的供、用電應(yīng)具有以下特征：(1)供電電壓具有穩(wěn)定的標(biāo)稱頻率、幅值和波形；(2)保持三相電壓和電流的平衡，保證電網(wǎng)最大傳輸效率；(3)持續(xù)穩(wěn)定和充足的電能供應(yīng)；(4)低廉的電價；(5)對環(huán)境的不良影響較小。電能質(zhì)量的特征

(1)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量始終處在動態(tài)變化之中；(2)電力系統(tǒng)是一個整體，各個局部的電能質(zhì)量可能相互影響；(3)電能質(zhì)量擾動會在系統(tǒng)中廣泛傳播，并對其他系統(tǒng)或設(shè)備產(chǎn)生潛在危害；(4)在一般情況下，用戶是保證電能質(zhì)量的主體；(5)對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合評估非常困難；(6)電能質(zhì)量管理和控制是一項系統(tǒng)工程。

保證優(yōu)質(zhì)電能的目的(1)現(xiàn)代用電設(shè)備對電能質(zhì)量的要求更高，許多帶有微處理器和功率電子器件的裝置對電磁干擾極為敏感。(2)非線性設(shè)備的諧波污染，致使供電電壓干擾水平加重,對系統(tǒng)安全運行帶來直接的或潛在的危害。(3)電力用戶提高了對諸如供電間斷、電壓凹陷、電路通斷引起的暫態(tài)現(xiàn)象的認識，提出更高供電質(zhì)量要求。(4)電網(wǎng)各部分是相互聯(lián)系的，供電部門在保證向用戶優(yōu)質(zhì)供電的同時，還需極力避免遭受用戶產(chǎn)生的電力干擾，維護電網(wǎng)安全運行。電力負荷分類(1)普通負荷(CommonLoad)，對電能質(zhì)量要求不太高,如照明設(shè)備、加熱器、通風(fēng)機、空調(diào)機、一般家用電器等。(2)敏感負荷(SensitiveLoad)，電能質(zhì)量不好可能對此類負荷造成一定的損害,如電動機控制器、UPS、變頻調(diào)速裝置等。(3)重要負荷(CriticalLoad)，對此類負荷,必須確保供電嚴(yán)格符合要求,如信息技術(shù)的芯片生產(chǎn)、微電子元件的智能化流水線、醫(yī)院、銀行和證券交易中心的計算機等。建立電能質(zhì)量管理體系的目的近年來，在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)高端產(chǎn)業(yè)快速增長的同時，非線性負荷大幅增加，電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問題日益突出。據(jù)美國電力科學(xué)院JaneClemmensen的粗略估計，認為每年因電能質(zhì)量相關(guān)問題，造成美國經(jīng)濟損失達260億美元。發(fā)達國家電能質(zhì)量問題主要是供電電壓暫降，占供電質(zhì)量投訴量的80%。因此，有必要建立電能質(zhì)量監(jiān)管體系，使其成為保證電網(wǎng)安全運行、保護電氣環(huán)境、保障電力用戶正常使用電能的基本技術(shù)規(guī)范，同時也是實施電能質(zhì)量管理、維護供用電雙方合法權(quán)益的法律依據(jù)。自20世紀(jì)60年代起，世界大多數(shù)國家制定了有關(guān)供電頻率和電壓允許變動的技術(shù)指標(biāo)，部分國家還制定了限制諧波電壓、電流畸變以及電壓波動等推薦導(dǎo)則。近十幾年來，許多工業(yè)發(fā)達國家已制定了更加完備的電能質(zhì)量系列標(biāo)準(zhǔn)，而且各國的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)正在與國際相關(guān)專業(yè)委員會推薦標(biāo)準(zhǔn)接軌，逐步實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一與完整。電氣化鐵路與電能質(zhì)量

電氣化鐵道負荷的波動性、不對穩(wěn)性、低力率（低功率因數(shù)）和非線性一直是電力專家關(guān)注的電能質(zhì)量問題。我國第一條電氣化鐵路——寶成鐵路寶雞至鳳州段于1961年8月15日建成通車。由于當(dāng)時向該段供電的電網(wǎng)容量較小，電網(wǎng)三相電壓不平衡是當(dāng)時專家們關(guān)注較多的問題。

1961年寶鳳段供電示意圖在寶（雞）－鳳（州）段開通時，考慮到寶雞電廠無法承受電氣化鐵道產(chǎn)生的負序電流，所以在供電上“舍近求遠”，從關(guān)中系統(tǒng)興平地區(qū)變電所受電。直至上世紀(jì)90年代，隨著電網(wǎng)容量擴大，該地區(qū)的電壓不平衡問題得以緩解。

1961年到1980年底，我國共建成電氣化鐵路1676km，發(fā)展十分緩慢。自1980年改革開放后，電氣化鐵路開始從山區(qū)走向平原；由低標(biāo)準(zhǔn)邊遠地區(qū)鐵路向主要長大干線、重載、高速鐵路發(fā)展。到2005年底,我國電氣化鐵路已達20132公里。電氣化率達27%，承擔(dān)的運量比重近50%。在此期間，電力、鐵路兩部門在電能質(zhì)量，尤其是在諧波、負序、無功方面的爭議一直沒有停止。

“十一五”期間,鐵路里程將新增2萬公里;其中客運專線9800公里，時速在300公里以上的有5457公里；既有線電氣化改造15000公里。

根據(jù)2004年國務(wù)院批準(zhǔn)的鐵道部《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，至2020年，我國鐵路營運總里程將達到10萬公里，其中客運專線達到1.2萬公里；包括“四縱”、“四橫”八條時速在200公里以上的客運專線。

我國200km/h客貨共線鐵路的單臺機車功率達8000~12000kW；設(shè)計列車追蹤間隔為5min；牽引變電所主變安裝容量為31.3~50MVA；部分達到63MVA。

客運專線的單臺機車功率達到23000kW；設(shè)計列車追蹤間隔為3min；牽引主變安裝容量達到73MVA以上，甚至達到120MVA。

在這些線路上，一方面，電氣化鐵路需要電力系統(tǒng)提供高質(zhì)量、高可靠性的供電電源；另一方面，電氣化鐵道產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題也會更加突出，例如

例如，電氣化鐵路進入我國經(jīng)濟較發(fā)達的東部地區(qū)，如京滬線、浙贛線、滬杭線，電氣化鐵道負荷對電網(wǎng)以及高端制造業(yè)的影響已經(jīng)引起當(dāng)?shù)仉娏Σ块T的高度重視，這些電鐵線路的供電協(xié)議談判進行得十分艱難。對于電氣化鐵道技術(shù)人員來說，對電能質(zhì)量相關(guān)知識的了解，是很有必要的。

第一節(jié)電能質(zhì)量定義

從普遍意義講，電能質(zhì)量指優(yōu)質(zhì)供電。但迄今為止，人們對電能質(zhì)量的技術(shù)含義尚未給出統(tǒng)一的定義，這是人們關(guān)注的問題不同以及看問題的角度不同所致，例如：

電力部門可能把電能質(zhì)量定義為電壓與頻率的合格率,并且用統(tǒng)計數(shù)字來說明，99.99%表明電力系統(tǒng)是安全可靠運行的;電力用戶則把電能質(zhì)量定義為是否向負荷正常供電；設(shè)備制造廠家則可能將電能質(zhì)量定義為電源質(zhì)量，要求電源特性完全滿足電氣設(shè)備的正常工作需要；另外一些事件，例如供電中斷，究竟應(yīng)當(dāng)歸屬于輸配電工程問題還是用戶用電質(zhì)量問題，供用電雙方意見往往無法一致。

正因如此，人們談到電能質(zhì)量時,使用的技術(shù)名詞也不規(guī)范，例如：電力系統(tǒng)質(zhì)量（electricpowersystemsquality）

供電質(zhì)量（qualityofpowersupply）

電壓質(zhì)量（voltagequality）

在1968年發(fā)表的一篇關(guān)于美國海軍電子設(shè)備電源規(guī)范研究的論文中,最先使用了“powerquality”（電能質(zhì)量）這一詞語。

IEEE標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)調(diào)委員會已正式采用“powerquality”(電能質(zhì)量)這一術(shù)語，并且給出了相應(yīng)的技術(shù)定義。

IEC沒有采用“powerquality”(電能質(zhì)量)這一術(shù)語，而是提出使用“EMC”(電磁兼容)術(shù)語，其強調(diào)設(shè)備之間、電源與設(shè)備之間的相互作用和影響。在IEC的電磁兼容概念中，采用以下兩個術(shù)語：

排放(emission)－表示設(shè)備產(chǎn)生的電磁污染，反映的是電流質(zhì)量問題;

抗擾(immunity)－表示設(shè)備抵抗電磁污染的能力，它與供電電壓質(zhì)量相關(guān)。

IEC以此為基礎(chǔ),制定出了一系列相關(guān)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。電磁兼容術(shù)語與電能質(zhì)量術(shù)語有很大重疊性,在它們中間有許多的同義詞。國內(nèi)外關(guān)于“電能質(zhì)量”的幾個定義定義1：IEEE標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)調(diào)委員會給出的電能質(zhì)量定義:合格電能質(zhì)量概念指的是，給敏感設(shè)備提供的電力和設(shè)置的接地系統(tǒng)均能適合于該設(shè)備正常工作。定義2：所謂電能質(zhì)量是指電壓質(zhì)量、頻率質(zhì)量及供電可靠性的總稱。定義3：電能質(zhì)量定義為導(dǎo)致用戶設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差。

除此之外,許多文獻還采用了一些并未得到公認的術(shù)語和補充定義。例如：1電壓質(zhì)量(voltagequality),

實際電壓與理想電壓的偏差反映向用戶供給的電力是否合格。2

電流質(zhì)量(currentquality),

除了對電流提出恒定頻率正弦波形要求外,還力圖使該電流波形與供電電壓同相位,以保證系統(tǒng)以高功率因數(shù)運行。3供電質(zhì)量(quality

ofsupply),它包括技術(shù)含義和非技術(shù)含義兩部分。技術(shù)含義有電壓質(zhì)量和供電可靠性;非技術(shù)含義是指服務(wù)質(zhì)量(quality

ofservice),它包括供電部門對用戶投訴與抱怨的反應(yīng)速度和電力價格的透明度等。4用電質(zhì)量(quality

ofconsumption)包括電流質(zhì)量和非技術(shù)含義,如用戶是否按時、如數(shù)繳納電費，等。

第二節(jié)電能質(zhì)量問題分類1穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題

供電電壓偏差；

公用電網(wǎng)諧波；

三相電壓不平衡度；

電力系統(tǒng)頻率偏差；

電壓波動與閃變。2暫態(tài)電能質(zhì)量問題

暫態(tài)過電壓和瞬態(tài)過電壓。電能質(zhì)量的實際測量方法和輸出結(jié)果

第三節(jié)我國已建立的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

GB12325-1990《供電電壓允許偏差》；

GB/T14549-1993《公用電網(wǎng)諧波》；

GB/T15543-1995《三相電壓允許不平衡度》；

GB/T15945-1995《電力系統(tǒng)頻率允許偏差》；

GB12326-2000《電壓波動與閃變》；

GB/T18481-2001《暫態(tài)過電壓和瞬態(tài)過電壓》。

第四節(jié)GB/T159451995《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》簡介

電力系統(tǒng)頻率偏差：系統(tǒng)頻率的實際值與額定值之差。

頻率偏差允許值：電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為0.2Hz；當(dāng)系統(tǒng)容量小于3000MW時，偏差值可以放寬到0.5Hz。

沖擊負荷引起的系統(tǒng)頻率變動一般不得超過0.2Hz，根據(jù)沖擊負荷性質(zhì)、大小以及系統(tǒng)的條件也可適當(dāng)調(diào)整限值，但應(yīng)保證電網(wǎng)發(fā)電機組和用戶的安全穩(wěn)定運行。電網(wǎng)頻率實測案例：圖為成(都)-達(州)鐵路大英牽引變電所110kV電網(wǎng)頻率實測結(jié)果，其偏差遠小于0.2Hz，表明我國主網(wǎng)有功功率比較充足。

但在弱小電網(wǎng)，負荷較小的變動都可能導(dǎo)致電網(wǎng)頻率較大波動,下圖是青藏線安多35kV配電所的頻率測試情況。當(dāng)雄－安多297km鐵路專用輸電線路退出時,那曲－安多各個35kV鐵路配電所由查龍水電站（裝機容量8000kW）供電。從安多35kV配電所頻率測試結(jié)果可以看出，在這一過程中，電網(wǎng)頻率出現(xiàn)1~2分鐘的較大波動。

第五節(jié)

GB12325—90《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》簡介

交流50Hz電力系統(tǒng)供電電壓偏差定義為實測電壓與額定電壓之差，以額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示。供電電壓允許偏差：（1）35kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%；

（2）10kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%；（3）220V單相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7%、-10%。說明：1電壓偏差按以下公式計算2標(biāo)準(zhǔn)中“供電電壓”指的是：供電部門與用戶的產(chǎn)權(quán)分界處的電壓；或由供用電協(xié)議所規(guī)定的電能計量點的電壓。對于電氣化鐵路牽引變電所，“供電電壓”指110kV或220kV母線電壓。計算到負荷端口，系統(tǒng)電壓損失表達式如下式中，x為負荷端口看出的電網(wǎng)等值相電抗，；Q為該相線路傳輸?shù)臒o功功率，kvar；UN為線路額定相電壓，kV；為負荷功率因數(shù)角，感性負荷取正值。將上式變化一下，系統(tǒng)電壓損失表達式如下式中，UN為線路額定相電壓，kV；Sk為負荷端口的系統(tǒng)三相短路容量，MVA；ST為負荷三相變壓器容量，kVA；負荷功率因數(shù)角。計算電壓偏差式中，Sk為負荷端口的系統(tǒng)三相短路容量，MVA；ST為負荷三相變壓器容量，kVA；負荷功率因數(shù)角。

上式表明，可以通過以下兩條途徑，來保證供電電壓偏差滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求：（1）電網(wǎng)中傳輸?shù)臒o功功率盡可能?。唬?）負荷端口的系統(tǒng)三相短路容量盡可能地大。由此可見，維持良好的供電電壓水平，取決于供電部門和電力用戶雙方的共同努力。

通常認為，高一級電網(wǎng)的供電能力較強，2005年對國內(nèi)南方某城市電網(wǎng)20個110kV變電站、70個220kV變電站的短路容量調(diào)查，結(jié)果如下：（1）110kV的短路容量：878.04MVA-3891.21MVA；（2）220kV的短路容量：1715.73MVA-7697.7MVA。2006年對國內(nèi)華北某電網(wǎng)4個110kV變電站、10個220kV變電站的短路容量調(diào)查，結(jié)果如下：（1）110kV的短路容量：439.6MVA、1315.8MVA、1007.5MVA、3077MVA；（2）220kV的短路容量：3726.7MVA~17422.4MVA。相對西部而言，我國東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的電網(wǎng)較為強大，例如京滬電鐵天津段牽引變電所110kV接入點的系統(tǒng)三相短路容量如下表所示又如，京滬電鐵北京、上海段牽引變電所110kV接入點的系統(tǒng)三相短路容量如下表所示相比而言，發(fā)達國家電網(wǎng)供電能力較強，韓國電鐵接入系統(tǒng)的短路容量如下表所示，國外部分客運專線對接入系統(tǒng)提出了9000MVA

短路容量的要求。國名序號鐵路名稱最高速度（km/h）供電方式供電電壓（kV）附注日本1東海道新干線300AT275個別牽引站154kV

2山陽新干線300AT275個別牽引站154kV

3北陸新干線300AT275

4東北新干線260AT275個別牽引站154kV

5上越新干線275AT275

法國1巴黎－里昂300AT2251個牽引站400kV

2巴黎－圖爾300AT2251個牽引站400kV

3巴黎－加萊300AT2251個牽引站400kV

4里昂－瓦朗斯300AT225

5瓦朗斯－馬賽350AT225

6巴黎－斯特拉斯堡350AT2251個牽引站400kV西班牙1馬德里－塞維利亞250直供2203個牽引站132kV，但短路容量不小于2000MVA

2馬德里－巴塞羅拉350AT4003個牽引站220kV德國德國高速鐵路最高速度330km/h，采用鐵路自建電網(wǎng)供電。電鐵供電制式為15kV、162/3Hz，采用獨特的同相供電方式，牽引站間距約為普通不同相供電方式的1/3，牽引變壓器容量一般為2×15MVA。牽引站外部電源采用110kV，系統(tǒng)短路容量不小于1000MVA。世界主要高速鐵路國家電鐵供電電源電壓等級一覽表我國邊遠地區(qū)電氣化鐵路目前面臨的問題是電網(wǎng)短路容量偏小，供電能力較弱。電網(wǎng)短路容量偏小意味著系統(tǒng)發(fā)電容量偏小或電源距負荷中心偏遠。國外專家通常認為，電網(wǎng)公共連接點短路容量不足用戶容量的30倍時，可以視其為小電網(wǎng)，小電網(wǎng)常見的電能質(zhì)量問題之一就是供電電壓偏差較大。在弱小電網(wǎng)中，牽引負荷可能引起電網(wǎng)電壓較大的偏差和波動。圖為內(nèi)－昆鐵路鹽津牽引變電所的測試情況，上圖為110kV母線A相電壓，下圖為A相電流。向該所供電的云南昭通電網(wǎng)較為薄弱，造成空載時變電所110kV母線電壓偏高，負荷時偏低。牽引變電所名稱田林平林系統(tǒng)最小短路容量（MVA）195.64211.8

110kV母線空載電壓Uab(kV)120.74121.87110kV母線負荷下最低電壓Uab(kV)93.6296.889正負偏差的絕對值之和(%)24.6522.7127.5kV母線空載電壓Ua(kV)29.9329.75供電臂最低電壓（標(biāo)準(zhǔn)值27.5）（kV）18.7319.46接觸網(wǎng)末端電壓(kV)16.7618.077南昆線牽引測試數(shù)據(jù)（時間：2002.6.4～6）對于更弱小的電網(wǎng)，情況更是如此，運行中，系統(tǒng)較小的變動都可能導(dǎo)致網(wǎng)壓較大波動，下圖是青藏線安多35kV配電所的電壓測試情況。在當(dāng)雄－安多鐵路專用輸電線路退出時，35kV鐵路配電所均由查龍水電站（裝機容量8000kW）供電，此時電網(wǎng)電壓出現(xiàn)較大波動。改善電壓水平的措施為保證電網(wǎng)具有良好的電壓水平，電網(wǎng)公司除進行全局無功優(yōu)化調(diào)整外，還要求大宗電力用戶對無功做到“就地補償”，使用戶月平均功率因數(shù)達到0.90以上，并對用戶實行獎懲制度。提高牽引變電所功率因數(shù)的主要方法是在27.5kV側(cè)設(shè)置并聯(lián)電容補償裝置。目前我國鐵道電氣化鐵路較多采用固定補償方式。

隨著無功計量方式的轉(zhuǎn)變，由“反送反計”或“反送不計”變?yōu)椤胺此驼嫛?，固定補償?shù)娜秉c顯現(xiàn)出來。在“反送正計”方式下，過度的無功補償使得變電所平均功率因數(shù)更低，這一現(xiàn)象在個別牽引變電所較為突出。例如大同西供電段，1993年2月該段對永嘉堡變電所b相并聯(lián)電容補償裝置進行增容改造，電容器容量由原來的6640kvar增至7600kvar，但是變電所月平均功率因數(shù)卻由改造前的0.73降至0.59~0.65，造成當(dāng)年該變電所罰款額達220萬元，直到該所完成可調(diào)無功補償改造后，這一情況才得以改變。又如，上圖為成－達鐵路金堂牽引變電所2006年10月份供電月報表。該所無功計量方式為反送不計，當(dāng)月平均功率因數(shù)為0.921;但若按無功反送正計考核，該所當(dāng)月平均功率因數(shù)僅為0.299。

隨著科技進步和新型電力設(shè)備尤其是電力電子設(shè)備制造技術(shù)的發(fā)展，使可調(diào)并聯(lián)無功補償裝置的工程應(yīng)用成為可能。在電氣化鐵道，晶閘管投切電容器組(TSC)、晶閘管控制電抗器(TCR)和真空接觸器投切電容器組的可調(diào)無功補償裝置于2000年前后在各地牽引變電所應(yīng)用，取得了良好的無功補償效果。需要強調(diào)的是，固定并聯(lián)電容補償方式有著結(jié)構(gòu)簡單、工程造價低、可靠性高、現(xiàn)場運行經(jīng)驗成熟及運行維護方便等諸多優(yōu)點。在一定的運輸條件下是能夠較好地發(fā)揮其補償效益的，對固定補償方式采取簡單否定的態(tài)度是不可取的。德國高速鐵路牽引變電所采用固定并聯(lián)電容器補償裝置法國Commuue牽引變電所采用固定并聯(lián)電容器補償裝置在我國，采用固定并聯(lián)電容補償也有許多成功案例。例如，豐－沙－大線的東城鄉(xiāng)牽引變電所，采用固定并聯(lián)電容補償方式，按無功反送正計計量，變電所日平均功率因數(shù)達到0.92，取得滿意的補償效果。

第六節(jié)GB/T155431995《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》簡介

正、負、零序電壓、電流計算如下式所示

負序電流和三相電壓不平衡的主要危害引起發(fā)電機轉(zhuǎn)子附加損耗、發(fā)熱，負序磁場產(chǎn)生制動力矩、機械振動；增加電動機定子和轉(zhuǎn)子的銅損，負序磁場產(chǎn)生制動力矩，正負序磁場產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩引起電動機振動；降低變壓器負載能力，造成局部過熱，縮短變壓器壽命；造成繼電保護和自動裝置誤動；造成輸電線路損耗的增加。

三相電壓不平衡度用電壓負序分量與正序分量的均方根百分比表示。

電力系統(tǒng)公共連接點正常電壓不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%。接于公共接點的每個用戶引起該點正常電壓不平衡度允許值一般為1.3%，根據(jù)連接點的負荷狀況、鄰近發(fā)電機繼電保護和自動裝置安全運行要求，可作適當(dāng)變動。根據(jù)GB/T155431995，電網(wǎng)公共連接點的三相電壓不平衡度按下式計算式中，I2為注入電網(wǎng)公共連接點的A相負序電流，A；Sk為公共連接點的三相短路容量，MVA；UN和UL分別為公共連接點的額定相電壓和線電壓，kV。

國外在對電氣化鐵路的實際執(zhí)行中，要求牽引變電所的負序容量占系統(tǒng)側(cè)短路容量的百分?jǐn)?shù)，長時間不大于1.5%，短時間（不超過10min）不大于2%。按變壓器允許過負荷30％計算，三相、V接和單相牽引變電所的負序容量如下表所示以上分析表明，如果三相不平衡負荷較小，即I2足夠小或系統(tǒng)較強大，即三相短路容量Sk足夠大，都可以將三相電壓不平衡度控制在國標(biāo)規(guī)定的范圍內(nèi)。在同樣牽引負荷條件下，進入高一級電網(wǎng)，例如220kV系統(tǒng)，由于電網(wǎng)供電能力的提高，三相電壓不平衡問題能夠得以緩解。同樣的牽引負荷，在不同的110kV電網(wǎng)中，三相電壓不平衡程度不同，較強電網(wǎng)的情況往往較好。測試實例：測試期間，洛陽東牽引變電所110kV電壓不平衡度最大值為2.33%，95%概率值為1.30%，符合國標(biāo)要求,說明河南電網(wǎng)比較強大。瀘沽牽引變電所110kV母線最小短路容量不足400MVA。盡管該所負荷遠遠小于洛陽東牽引變電所，但從測試結(jié)果看，該所110kV母線三相電壓不平衡度遠遠高于洛東變電所。另一案例，成－昆鐵路瀘沽牽引變電所，裝接容量為220MVA，日通過能力為22對車／天。西昌電網(wǎng)為小電網(wǎng)，西昌220kV變電所供電設(shè)備容量180MVA；110kV公共連接點最小短路容量為613MVA；第七節(jié)GB/T14549-93《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》簡介

電壓、電流波形畸變并不是一個新課題，在20世紀(jì)20年代，德國就已提出靜態(tài)整流器引起的波形畸變問題。從20世紀(jì)50年代起，由于高壓直流輸電措術(shù)的發(fā)展，技術(shù)人員在晶閘管換流器諧波問題的研究方面作了大量工作。20世紀(jì)70年代后，各種功率換流器的普遍應(yīng)用，引起了人們對電網(wǎng)諧波問題的關(guān)注，促進了諧波問題研究的發(fā)展。自那時起，各國以及相關(guān)專業(yè)委員會，如國際電工委員會（IEC），先后制定了包括配電系統(tǒng)、電力設(shè)備、用電設(shè)備包括家用電器在內(nèi)的各類諧波標(biāo)準(zhǔn)。

諧波污染對電網(wǎng)及用戶的主要影響造成電網(wǎng)功率損耗增加，線路和設(shè)備過熱；引起變電站局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，造成電力設(shè)備損壞；造成電力變壓器、電力電纜、電動機設(shè)備發(fā)熱，電容器損壞、絕緣材料老化、延長斷路器滅弧時間；造成繼電保護和自動裝置誤動作；增大磁場干擾，影響電子儀表和通信系統(tǒng)的正常工作，降低通信質(zhì)量。降低電能計量的準(zhǔn)確度。

國外電力專家對諧波標(biāo)準(zhǔn)的認識(1)諧波標(biāo)準(zhǔn)制定受經(jīng)驗影響，各國的經(jīng)驗都是在諧波問題長期研究和治理過程中逐步積累的，各國形成諧波標(biāo)準(zhǔn)時考慮的因素也是多樣化的，很少有標(biāo)準(zhǔn)是完全建立在對系統(tǒng)特性的詳細理論研究基礎(chǔ)上，所以標(biāo)準(zhǔn)在形式上大多是趨于經(jīng)驗和保守的。(2)各國在制定諧波標(biāo)準(zhǔn)時，充分考慮了本國電力系統(tǒng)的特殊性以及多種關(guān)注因素。不同國家的標(biāo)準(zhǔn)，例如英國和新西蘭標(biāo)準(zhǔn)，存在較大差異也是正常的。脫離各國背景，評論不同國家標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)劣是沒有意義的;同樣,不了解本國實際情況套用他國標(biāo)準(zhǔn)也是不妥的。(3)各國諧波標(biāo)準(zhǔn)反映的是當(dāng)前時期本國電網(wǎng)和非線性用戶之間達成的平衡或妥協(xié)，所以諧波標(biāo)準(zhǔn)不是永久不變的，諧波標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行也不是僵硬的。(4)用戶在諧波標(biāo)準(zhǔn)下的權(quán)益應(yīng)予充分關(guān)注。

我國自20世紀(jì)80年代起開展電力諧波研究，并已取得眾多基礎(chǔ)性成果。諧波國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》自1994年3月起開始實施?；贗EC61000-3-6技術(shù)文件的國家標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件GB/Z17625.4-2000《電磁兼容限值中、高壓電力系統(tǒng)中畸變負荷發(fā)射限值的評估》也于2000年12月頒布。諧波國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93規(guī)定的公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）標(biāo)準(zhǔn)如下表所示。在基準(zhǔn)短路容量下，注入各級電網(wǎng)公共連接點的諧波電流允許值如下表所示。根據(jù)GB/T14549-93，電網(wǎng)公共連接點第h次諧波電壓含有率HRUh按下式計算式中，Ih為注入電網(wǎng)公共連接點的總h次諧波電流，A；h為諧波次數(shù)；Sk為公共連接點的三相短路容量，MVA；UN和UL分別為公共連接點的額定相電壓和線電壓，kV。

上式表明，如果非線性負荷較小，即Ih足夠小或系統(tǒng)三相短路容量Sk足夠大，都可以將諧波電壓控制在國標(biāo)規(guī)定的范圍內(nèi)。在同樣牽引負荷條件下，進入高一級電網(wǎng)，例如220kV系統(tǒng)，由于電網(wǎng)供電能力的提高，有助于改善諧波狀況。同樣的牽引負荷在不同的電網(wǎng)中，諧波表現(xiàn)不同，在較強電網(wǎng)，情況往往較好。平果變A相電壓總諧波畸變率田東變A相電壓總諧波畸變率典型案例：南昆電氣化鐵道廣西境內(nèi)由南寧電網(wǎng)和百色地區(qū)電網(wǎng)供電，南寧電網(wǎng)主要由廣西主網(wǎng)供電，百色地區(qū)電網(wǎng)則由廣西電網(wǎng)一部分以及地方小水電、小火電廠聯(lián)合供電。平果和田東變電所相鄰，地理情況和鐵路運量相當(dāng)。由于百色電網(wǎng)容量較小，所以田東變電所諧波電壓情況較平果變電所嚴(yán)重得多。洛陽東牽引變電所諧波測試實例：河南電網(wǎng)較強大。該時段內(nèi)，最大電壓綜合畸變率為2.62%；95%概率大值為1.89%，符合諧波國標(biāo)要求。左圖為豐臺供電段雁翅牽引變電所電壓總諧波畸變率測試數(shù)據(jù)，其諧波狀況與江油變相當(dāng)。右圖為綿陽供電段江油牽引變電所電壓畸變率測試數(shù)據(jù)，95%概率值為2.17%，表明諧波電壓部分超標(biāo)。田林變110kV側(cè)A相電壓總諧波畸變率百色變110kV側(cè)A相電壓總諧波畸變率田東變110kV側(cè)A相電壓總諧波畸變率平林變110kV側(cè)A相電壓總諧波畸變率南－昆電氣化鐵路百色電網(wǎng)諧波電壓測試情況

在電氣化鐵道諧波評估方面，我國電力和鐵路部門長期以來存在較大爭議。諧波國標(biāo)GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對各級用戶制定了詳細的各次諧波電流測量評估標(biāo)準(zhǔn)，但對用戶端口的諧波電壓評估沒有作明確說明。

GB/Z17625.4-2000對各級用戶詳細規(guī)定了諧波電壓限值制定和考核方法，但其認為“即使其目的在于限制網(wǎng)絡(luò)中的諧波電壓，最好是對畸變設(shè)備規(guī)定諧波電流限值”。英、美、加拿大等國對電氣化鐵路側(cè)重諧波電壓考核。

綜合考慮國內(nèi)外經(jīng)驗，我國鐵路專家認為對電氣化鐵路諧波考核應(yīng)主要針對諧波電壓，采用總量控制方法，以電鐵總諧波電壓畸變率作為諧波限值，不再對各次諧波電流進行評估。鐵路專家認為牽引變電所作為電氣化鐵路諧波源頭，如果控制其110kV（或220kV）母線總諧波電壓畸變率不超標(biāo)，那么連接它的公共連接點的總諧波電壓畸變率必然不會超標(biāo)。諧波治理中值得關(guān)注的現(xiàn)象：背景諧波電壓2001年8月15日17時至16日17時,成－昆鐵路黃聯(lián)關(guān)、瀘沽牽引變電所向西昌北牽引變電所實施24小時越區(qū)供電。西昌北變電所背景諧波測試如圖所示，可想而知,如果在西昌北變電所設(shè)置濾波裝置，將無法取得令人滿意的諧波電壓治理效果。另一個值得關(guān)注的諧波現(xiàn)象應(yīng)關(guān)注大型電力變壓器產(chǎn)生的諧波電流。隨著新材料和新工藝的使用，以及變壓器設(shè)計的磁通密度取值偏高，變壓器的高次諧波特點也發(fā)生變化。目前，大型電力變壓器已成為高壓電網(wǎng)中不容忽視的主要5次諧波源。如果大型電力變壓器額定工作點接近或進入飽和區(qū)，在深夜至清晨負荷低谷時段，電網(wǎng)電壓升高，將使得變壓器磁飽和以及勵磁電流畸變程度進一步加深。國外試驗顯示，電網(wǎng)電壓升高5％，勵磁電流將增加40-100%。變壓器空載諧波電流與輸電線路分布電容、并聯(lián)電容器組及系統(tǒng)其他參數(shù)配合，可能使電網(wǎng)相關(guān)節(jié)點的5、7次諧波電壓放大，并向下一級電網(wǎng)滲透。上圖為該所220kV母線5次諧波電壓含有率，測試顯示由其決定了電壓總諧波畸變率。上圖為秦－沈鐵路綏中北牽引變電所220kV母線背景諧波電壓總諧波畸變率測試結(jié)果。電網(wǎng)負荷低谷期間5次諧波電壓放大現(xiàn)象曾在國內(nèi)外實測中被多次發(fā)現(xiàn)，英國工程推薦標(biāo)準(zhǔn)G5/4也指出：“背景諧波的測量值似乎顯示出明顯的晝夜變化，夜晚的畸變水平最高，特別是星期天”，這一現(xiàn)象值得深思。由電力變壓器勵磁電流引發(fā)的電網(wǎng)5次諧波問題應(yīng)引起足夠重視。這種諧波的治理，不論對于電網(wǎng)公司還是電力用戶，都具有很大難度。

國內(nèi)一些電力專家建議，對準(zhǔn)備接入公用電網(wǎng)的大型電力變壓器，增加飽和倍數(shù)的諧波測試項目，禁止空載諧波電流偏大的變壓器入網(wǎng)

。第八節(jié)GB12326-2000《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量電壓波動與閃變》簡介

電壓波動和閃變作為評價電能質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，直接反映出電網(wǎng)電壓質(zhì)量。1986年，國際電工委員會(IEC)根據(jù)1982年國際電熱協(xié)會(UIE)的推薦，制定了閃變儀的測試功能和設(shè)計規(guī)范。我國在2000年以前主要參照日本的△V10閃變標(biāo)準(zhǔn)進行測試和評價，以IEC標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)，新的國標(biāo)GB12326-2000《電能質(zhì)量電壓波動與閃變》已于2000年頒布。電壓波動和閃變產(chǎn)生的主要原因沖擊性負荷用電，如電弧爐、軋鋼機、電焊機等；系統(tǒng)發(fā)生短路故障；設(shè)備投切，如備用電源自動投切、自動重合閘等；系統(tǒng)遭受雷擊。電壓波動和閃變的主要影響電壓波動和閃變大多產(chǎn)生于配電系統(tǒng)，通過配電變壓器傳輸?shù)降蛪河脩?。電壓波動和閃變主要干擾計算機和控制系統(tǒng)和各種電子儀器設(shè)備的正常工作。

電壓波動是指電壓調(diào)幅波中相鄰兩個極值（電壓均方根）之差，以額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示；電力系統(tǒng)公共連接點由沖擊性負荷產(chǎn)生的電壓波動允許值見表所示。

閃變是指人眼對燈閃的主觀感覺，IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定低、中壓電網(wǎng)短時（10min）閃變兼容值Pst=1，中、高壓電網(wǎng)的閃變規(guī)劃值分別為0.9和0.8。測試案例：成－達鐵路金堂變電所110kV母線，測試期間處于空載狀態(tài)，電壓10min閃變評估值Pst為0.4,沒有超標(biāo)。第九節(jié)GB/T18481-2001《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量暫態(tài)過電壓和瞬態(tài)過電壓》簡介根據(jù)不同負荷對電壓質(zhì)量的敏感度,負荷分為三類:(1)普通負荷(CommonLoad)：普通負荷對電能質(zhì)量要求不太高。(2)敏感負荷(SensitiveLoad)：如電機控制器、UPS、變頻調(diào)速裝置等。(3)嚴(yán)格負荷(CriticalLoad)如信息技術(shù)的芯片生產(chǎn)、微電子元件的智能化流水線、醫(yī)院、銀行和證券交易中心的計算機等。人們關(guān)注的暫態(tài)電壓擾動主要有4類,即電壓下跌、斷電、尖峰脈沖、電壓上升。(1)電壓下跌(Sag)，這是電壓幅值下降持續(xù)時間小于2s的情況,通常是由電動機啟動瞬變或電力系統(tǒng)的切換操作引起的。這是用戶投訴最多的一種電壓擾動。(2)斷電(Interruption)，這是由電力系統(tǒng)故障引起的,圖中表明允許斷電時間小于10ms（50Hz系統(tǒng)),超過半個周波就會產(chǎn)生嚴(yán)重后果。(3)電壓尖峰脈沖(Spike)，這是電壓高頻突發(fā),產(chǎn)生極高的短暫電壓升高而損壞電子設(shè)備。(4)電壓上升(Swell)，這是系統(tǒng)電壓瞬時波動所常見的,關(guān)鍵是幅值和持續(xù)時間。美國CBEMA（美國信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會）提出的電壓容限曲線及典型電壓擾動(陰影部分為合格電壓)ITIC曲線(CBEMA曲線的修正),適用于所有類型設(shè)備的電壓容限幅值和持續(xù)時間測試實例：某供電點電壓的測量評估結(jié)果，結(jié)論是在暫態(tài)電壓質(zhì)量方面不存在問題。

第十節(jié)電能質(zhì)量監(jiān)測與管理

電能質(zhì)量的監(jiān)測、管理是一個巨大的系統(tǒng)工程，需要人力、物力的大量投入，例如：日本關(guān)西電力公司為了精確掌據(jù)各類用戶的諧波發(fā)生量和排放規(guī)律，曾分別在日本的工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)和住宅區(qū)進行了長達3年的連續(xù)監(jiān)測。美國也曾于1993年6月至1995年9月對4.16kV~34.5kV的277座變電站及饋線進行了全面的監(jiān)測，獲得了5691份監(jiān)測數(shù)據(jù)。加拿大電氣協(xié)會(CEA)自1991年起開始一項為期3年的電能質(zhì)量調(diào)查，共有22個電力公司參與，監(jiān)測了550個供電點，包括工業(yè)、商業(yè)和居民住宅區(qū)。

一些發(fā)達國家目前也已建立完備的電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。第十一節(jié)電氣化鐵道電能質(zhì)量綜合補償技術(shù)

我國既有普速電鐵線路，除少數(shù)從國外引進的電力機車（如日本的6K型，法國的8K型）外，絕大多數(shù)采用的是我國自行設(shè)計制造的SS（韶山）交直型電力機車。如：適用于重載貨運的SS4型，客貨兩用的SS6和SS7型，以及快速客運和準(zhǔn)高速客運的SS5、SS8和SS9型。電力機車從接觸網(wǎng)取得25kV工頻單相電壓，經(jīng)車載變壓器降壓到1500V，整流后向牽引電動機供電。牽引電動機采用直流串勵式，額定電壓為1020V，單臺功率約為700—900kW。

交直型電力機車采用半控橋式整流裝置，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來實現(xiàn)機車出力的調(diào)節(jié)。這一控制方式，使得交直型機車的功率因數(shù)較低（0.8左右），并產(chǎn)生豐富的諧波，主要是3、5、7、9等奇次諧波。交-直-交型電力機車提高了機車用電的功率因數(shù)（0.95以上）、降低了注入系統(tǒng)的諧波（諧波電流總畸變率小于5%），從而減少了電網(wǎng)的壓損、電壓波動和注入系統(tǒng)的諧波電流，綜合用電效益明顯，以其優(yōu)異的性能，成為機車傳動的主流技術(shù)和發(fā)展方向。

在近期一段時間內(nèi)，既有線仍以交-直型機車為主，未來客運專線也可能出現(xiàn)交直和交-直-交機車混跑的局面。就我國電氣化鐵路供電系統(tǒng)而言，對電網(wǎng)存在主要的電能質(zhì)量問題是：（1）不平衡，即負序問題；（2）諧波問題；（3）無功，即功率因數(shù)問題；（4）沖擊性牽引負荷引起的電網(wǎng)電壓波動與閃變。國外高速鐵路供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量指標(biāo)與措施1法國高速鐵路牽引供電系統(tǒng)根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)，法國電力公司控制電網(wǎng)負序電壓的總水平為2%，分配給電氣化鐵路的指標(biāo)為1%。電力公司在實際執(zhí)行中，要求：負序電流限制：牽引變電所負序容量與系統(tǒng)連接點三相短路容量之比不超過1.5%；負序電壓限制：三相電壓不平衡度，1小時不超過2%、短時不超過4%。法國采取的限制不平衡措施如下：（1）牽引變電所由225kV或400kV供電，以確保系統(tǒng)連接點有足夠大的短路容量。（2）所有牽引變電所在接入電力系統(tǒng)時，必須采用輪換換相，降低總負序電流水平。（3）在電力系統(tǒng)薄弱，電鐵大密度運行時，對單相運行可能導(dǎo)致負序超標(biāo)的變電站，運行時可將“單相”與“V”接線相互轉(zhuǎn)換。即正常時單相運行，在可能出現(xiàn)負序超標(biāo)時，根據(jù)電力系統(tǒng)調(diào)度的命令，將兩臺變壓器改為“V接”。（4）在牽引變壓器低壓側(cè)（25kV側(cè)）安裝濾波及無功補償裝置。2意大利高速鐵路牽引供電系統(tǒng)意大利高速鐵路系統(tǒng)，采用ETR500高速列車，25kV、50Hz交流AT供電方式。牽引供電系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則為：保證高速列車以12MW、300km/h、5min間隔雙向持續(xù)運行，并留有一定的裕度。牽引變電所平均設(shè)置距離為50km，安裝兩臺60MVA單相牽引變壓器。變電所不采用“V”接線，而是一臺變壓器運行，另一臺作熱備用，接入系統(tǒng)的電壓為132kV。

牽引變壓器能夠50%過載運行15min；100%過載運行5min。

意大利接入132kV系統(tǒng)的電力系統(tǒng)，其10min允許總諧波電壓畸變率THD為4%。由牽引供電產(chǎn)生的電壓不平衡限值為：1-1.5%（長時間允許值），2%（短時，不超過10min）。

意大利抑制高速鐵路負序的措施，主要靠牽引變壓器接入系統(tǒng)時的輪流換相來保證。在設(shè)計時要求每個電力系統(tǒng)變電站以不同的相序同時供給三個牽引變電所，以使三相負荷基本平衡。3日本高速鐵路牽引供電系統(tǒng)新干線采用AT供電方式，高速列車的牽引機車采用交-直-交傳動方式。東海道、山陽、北陸新干線采用25kV、60Hz供電；上越新干線采用25kV、50Hz供電；山形新干線采用20kV、50Hz供電。

AT供電方式變電所的容量在100～150MVA之間，變電所間隔60km左右。接入系統(tǒng)電壓主要為154kV、220kV和275kV。

日本要求66kV以上系統(tǒng)的允許總諧波電壓畸變率THD不超過3%。由牽引供電產(chǎn)生的電壓不平衡限值為1.5%(長時間允許值)，2%(短時，不超過10min)。日本新干線采取了嚴(yán)格的電能質(zhì)量控制措施，一般在25kV側(cè)設(shè)無功補償兼濾波器，容量為6000kvar，串聯(lián)12～13%的電抗器，濾除30%以上的三次諧波；在系統(tǒng)側(cè)采用靜止無功補償裝置(SVC)，達到濾除諧波、抑制電壓波動、改善三相平衡等作用；

近期采用RPC方式（鐵路靜止功率調(diào)整器），用可關(guān)斷電力電子器件構(gòu)成有源功率變換裝置。對于Scott接線牽引變壓器，可以平衡兩供電臂的有功功率、補償無功功率、并同時吸收高次諧波電流，達到綜合治理的目的，該系統(tǒng)已于2002年投入運行，效果良好。4西班牙高速鐵路牽引供電系統(tǒng)西班牙馬德里-塞維利亞高速鐵路，全長471km，1992年4月投入運營。高速鐵路線路基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計速度為300km/h，列車實際運行速度可達250～270km/h，采用德國AVE型高速列車。該線路共設(shè)12個牽引站，其中9座牽引變電所由一條220kV線路采用輪流換相方式單相供電，3座由一條132kV線路輪流換相供電。25kV側(cè)采用交流50Hz直供加回流線供電方式。除一個牽引變電所為三臺20MVA變壓器并列運行外，其他牽引變電所均設(shè)兩臺20MVA變壓器并列單相供電。牽引變電所最大供電距離27.3km，變壓器設(shè)計50%過載運行15min、100%過載運行6min，每次過載后按不高于額定容量運行6小時后才允許再次過載。西班牙規(guī)定負序容量占系統(tǒng)側(cè)短路容量的百分?jǐn)?shù)，長時間不大于1.5%，短時間不大于2%。為減少電氣化鐵路的負