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雷火电竞体彩app下载平台:郑西高速铁路牵引负荷对电力系统的影响

发布时间: 2022-07-23 11:29:52 来源:雷火电竞体彩app下载平台 作者:雷火电竞竞猜

  湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 目 录 摘要 1 绪论 2 第一章 电气化铁路牵引供电系统概述3 1.1 电铁牵引供电系统3 1.2 牵引变电所及牵引变压器类别3 1.3 牵引变电所接线 受电电压等级的选择及采用单相牵引变压器的分析7 第二章 电气化铁路对电力系统的危害9 2.1 电铁牵引负荷对电力系统的危害9 2.1.1 牵引负荷的性质9 2.1.2低压三相负载不对称对电网及设备的影响9 2.1.3谐波电流对电力系统的危害10 2.1.4 电力系统抑制谐波的措施11 2.2 危害实例12 2.2.1 电力系统大面积停电事故发生原因分析12 2.2.2 影响电网运行方式13 2.2.3在工厂供电中受到的危害13 第三章 郑西高速铁路牵引负荷对系统影响的定量分析15 3.1 计算用负序阻抗和负序网络16 3.2 电力系统各元件的谐波参数和模型16 3.3 谐波电流的研究意义17 第四章 改善郑西高速铁路牵引负荷影响的措施18 4.1 我国电力牵引负荷现状18 4.2 郑西铁路牵引电能质量改善措施中存在的问题19 4.3 解决郑西铁路电气化铁道电能质量问题的方案20 第五章 总结与建议22 5.1 电铁牵引站受电电压等级选定22 5.2 采取电能质量综合治理措施的必要性23 5.3 对继电保护的影响24 5.4 建议24 结 论25 致 谢26 参考文献27 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 摘要 本文就郑西高速电气化铁路对电力系统的影响进行了较详细的分析研究。主 要分为三部分:深入了解电气化铁路对电力系统有哪些影响;对牵引变电所的受 电电压等级和牵引变压器的类型做比较分析;结合目前实际情况对电力部门提出 合理的建议 。电力牵引负荷是移动的,其产生的谐波及负序分量会对电力系统 造成相当的危害,对采取电能质量综合治理必要性和相应治理措施充分的探讨。 关键词:电气化铁路;不对称负荷;谐波;限制;电力系统 1 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 绪论 本文研究题目为郑西铁路牵引负荷对电力系统的影响,总共有五章,首先要 了解牵引负荷对电力系统的影响,就要明白电力系统的相关知识,铁路是国民经 济的大动脉,铁路电气化是建设中国特色的社会主义的重要环节之一。电气化铁 路的牵引动力是电力机车,机车本身不带能源,所需能源由电力牵引供电系统提 供。牵引供电系统主要是指牵引变电所和接触网两大部分。变电所设在铁道附近, 它将从发电厂经高压输电线送来的电流,送到铁路上空的接触网上。接触网是向 电力机车直接输送电能的设备。沿着铁路线的两旁,架设着一排支柱,上面悬挂 着金属线,即为接触网,它也可以被看作是电气化铁路的动脉。电力机车利用车 顶的受电弓从接触网获得电能,牵引列车运行。 其次,本文详细的描述了电气化铁路对电力系统的危害,并对牵引负荷的影 响做了定量分析,电铁牵引负荷是移动的,幅值变化大而频繁的特殊负荷。负荷 指的是导线、电缆和电气设备(变压器,断路器等)中通过的功率和电流。该负荷 不是恒定值,是随时间而变化的变动值。因为用电设备并不同时运行,即使同时 运行,也并不是都能同时达到额定容量。 最后,本文对改善电力系统提出了总结和相关建议。为了适应电铁负荷频率 切换的特性,一般针对常规的线路保护进行一定的改进即能满足运行要求,提高 了保护装置的抗干扰能力。但这不能从根本上解决电铁对电网发和供用各方面的 影响。只有采取综合治理措施,才能从根源上解决谐波,负序,电压波动等质量 问题,维护系统安全和平稳运行。 2 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 第一章 电气化铁路牵引供电系统概述 电气化铁路的牵引动力是电力机车,电力机车是指从外界撷取电力作为能 源驱动的铁路机车,电源包括架空电缆、第三轨、电池等。 因为电力机车所需电能由电气化铁路供电系统的接触网或第三轨供给,所 以是一种非自带能源的机车。电力机车具有功率大、过载能力强、牵引力大、 速度快、整备作业时间短、维修量少、运营费用低、便于实现多机牵引、能采 用再生制动以及节约能量等优点。使用电力机车牵引车列,可以提高列车运行 速度和承载重量,从而大幅度地提高铁路的运输能力和通过能力。 1.1 电铁牵引供电系统 牵引变电所把区域电力系统送来的电能,根据电力牵引对电流和电压的不 同要求,转变为适用于电力牵引的电能,然后分别送到沿铁路线上空架设的接 触网,为电力机车供电,或者送到地下铁道等城市交通所需的供电系统,为地 铁电动车辆或电车供电。 直流制动,向定子的三相绕组输入直流电,在定子铁芯内建立起恒定磁场, 使转子在运动过程中都能产生感应电压,由于转子的电阻非常低,即使很小的 感应电压也能产生很高的转子电流。这种电流可对导条以及转子产生很强的制 动效果。 交流制动,在制动过程中增加磁场强度,从而增加电动机的热损耗。我国 电气化铁路牵引供电制采用单项工频(50赫)25千伏交流制。 电力机车牵引负荷对电网来说是三相不对称负荷,三相对称负荷:每相 荷相同。单相负荷与等效三相负荷的换算:单相功率=三相总功率。对电力系 统来说。只要经过三个牵引变电所的换相,即完成轮换一周的循环。 电铁产生的谐波不仅取决于电力机车,也取决于牵引变电所的类型,接入 方式和接入电网的电压等。 1.2 牵引变电所及牵引变压器类别 一,按照变压器结构种类和接线.单相结线.单相(三相)V,v结线 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 3.三相YN,d11双绕组变压器 4.斯科特结线.YN, 结线.YN, 结线.非阻抗匹配YN, 结线平衡变压器 二,变压器各自优缺点: 1.单相结线变压器优点:容量利用率可达100%;主接线简单,设备少, 占地面积小,投资少。缺点:不能供应地区和牵引变电所三相负荷用电,在电 力系统中,单相牵引负荷产生的负序电流较大,对接触网的供电不能实现双边 供电。 适用于:电力系统容量较大,电力网比较发达,三相负荷用电能够可靠的 由地方电网得到供应的场合。 2.单相V,v结线变压器(三相)单相优点:主结线较简单,设备较少, 投资较省。对电力系统的负序影响比单相结线少。对接触网的供电可实现双 边供电。 缺点:当一台牵引变压器故 障时,另一台必须跨相供电,即兼供左右两 边供电臂的牵引网。这就需要一个倒闸过程,即把故障变压器原来承担的供 电任务转移到正常运行的变压器。在这一倒闸 过程完成前,故障变压器原来 供电的供电臂牵引网中断供电,这种情况甚至会影响行车。即使这一倒闸过 程完成后,地区三相电力供应也要中断。牵引变电所三相自 用电必须改用劈 相机或单相-三相自用变压器供电。实质上变成了单相结线牵引变电所,对 电力系统的负序影响也随之增大。 三相优点:保持了单相V,v结线变压器的主要优点,完全克服了单相V,v 结线变压器缺点。最可取的是解决了单相V,v结线变压器不便于采用固定备 用及其自动投入的问题,有利于实现分相有载或无载调压。 3.三相YN,d11双绕组变压器 优点:牵引变压器低压侧保持三相,有利于供应牵引变电所自用电和地 区三相电力。在两台牵引变压器并联运行情况下,当一台停电时,供电不会 中断,运行可靠方 便。三相YN,d11双绕组变压器在我国采用的时间长,有 比较多的经验,制造相对简单,价格便宜。对接触网的供电可实现两边供电。 缺点:牵引变压器容量不能得到充分利用,只能达到额定容量的75.6%, 4 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 引入温度系数也只能达到84%,与采用单相结线牵引变压器的牵引变电所相 比,主接线要复杂一些,用的设备,工程投资也较多,维护检修工作量及相 应的费用也有所增加。 适用于:山区单线电气化铁路牵引负载不平衡的场所。 4.斯科特结线变压器 优点:当M座和T座两供电臂负荷电流大小相等,功率因素也相等时, 斯科特结线变压器原边三相电流对称。变压器容量可全部利用。(用逆斯科特 结线变压器把对称两相电压变换成对称三相电压)。对接触网的供电可实现两 边供电。 缺点:斯科特结线牵引变压器制造难度较大,造价较高。牵引变电所主 结线复杂,设备较多,工程投资也较多。维护检修工作量及相应的费用有所 增加。而且斯科特结 线牵引变压器原边T接地 (O点)电位随负载变化而产 生漂移。严重时有零序电流流经电力网,可能引起电力系统零序电流继电保 护误动作,对邻近的平行通信线可 能产生干扰,同时引起牵引变压器各相绕 组电压不平衡,而加重绕组的绝缘负担。为此,该结线牵引变压器的绝缘水 平要采用全绝缘。 5.YN, 结线阻抗匹配牵引变压器 优点:当阻抗匹配系数 时,无论副边 或 ,原边三相电流平衡,即无零 序电流。当副边 , 时,原边三相电流对称,没有负序电流对电力系统的影 响。原边三相制的视在功率完全转化为副边二相制的视在功率,变压器容量 可全部利用。原边仍为YN结线, 中性点引出,与高压中性点接地电力系统 匹配方便。副边仍有△结线绕组,三次谐波电流可以流通,使主磁通和电势 波形有较好的正旋度。利用斯科特结线变压器把 对称两相电压变换成对称三 相电压。对接触网的供电可实现两边供电。 缺点:设计计算及制造工艺复杂,造价较高。两供电臂之间的分相绝缘 器两端承受的电压为 ,因此,分相绝缘器的绝缘应注意加强。 适用于:牵引变电所自用电和站区三相电力。 6.YN, 结线平衡变压器 优点:其阻抗匹配系数在一定范围内任意选取,因而使变压器的设计和 制造更加方便。阻抗匹配系数取值的灵活性对绕组布置具有重要意义。 缺点:需要考虑减小电磁力,环流等问题。 5 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 7.非阻抗匹配YN, 结线平衡变压器 优缺点与YN, 结线阻抗匹配牵引变压器基本相同,但还存在若干不同 点: 非阻抗匹配YN,结线平衡变压器与YN,结线阻抗匹配牵引变压器分别 是YN,结线阻抗匹配牵引变压器取 与 的特例。在YN,结线平衡变压器中, 前者不需要专门进行阻抗匹配,绕组布置最容易,设计制造最方便;后者绕 组设计条件最苛刻,设计制造最困难;取其他值的情况则介于二者之间。 1.3 牵引变电所接线方式对负序电流的影响 以下分析均设牵引变压器高压侧为110KV 一,YNd11接线牵引变电所,该接线牵引负荷电流流入电网的情况如图: 图1-1 二,单相V-V接线牵引变电所 牵引负荷经单相V-V接线变压器流入电网的情况如图: 6 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 图1-2 实际上V-V接线的两台变压器分别为单相接线度死角, 只需将两台单相变压器的分析结果加起来即可。 三 单相接线牵引变电所 牵引负荷经单相接线变压器流入电网的情况如图: 图1-3 1.4 受电电压等级的选择及采用单相牵引变压器的分析 受电电压等级的选择,目前我国常用的电压等级:220V、380V、6kV、10kV、 35kV、110kV、220kV、330kV、500kV。电力系统一般是由发电厂、输电线路、 变电所、配电线路及用电设备构成。通常将35kV及35kV 以上的电压线kV及其以下的电压线路称为配电线kV以上电压称 为 “高电压”,额定电压在1kV以下电压称为“低电压”。 我国规定安全电压为36V、24V、12V三种。随着电力电子技术的广泛应用 与发展,供电系统中增加了大量的非线性负载,特别是静止变流器,从低压小 容量家用电器到高压大容量用的工业交直流变换装置,由于静止变流器是以开 7 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 关方式工作的,会引起电网电流、电压波形发生畸变,引起电网的谐波“污染”。 另外,冲击性、波动性负荷,如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等运行中不仅 会产生大量的高次谐波,而且使得电压波动、闪变、三相不平衡日趋严重,这 些对电网的不利影响不仅会导致供用电设备本身的安全性降低,而且会严重削 弱和干扰电网的经济运行,造成对电网的 “公害”,为此,国家技术监督局相 继颁布了涉及电能质量五个方面的国家标准。 8 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 第二章 电气化铁路对电力系统的危害 2.1 电铁牵引负荷对电力系统的危害 电铁牵引负荷是移动的,幅值变化大而频繁的特殊负荷。负荷指的是导线、 电缆和电气设备(变压器,断路器等)中通过的功率和电流。该负荷不是恒定值, 是随时间而变化的变动值。因为用电设备并不同时运行,即使同时运行,也并 不是都能同时达到额定容量。另外,各用电设备的工作制也各有不同,有长期、 短时、重复短时之分。在设计时,如果简单地把各用电设备的容量加起来作为 选择导线、电缆截面和电气设备容量的依据,结果并不科学。要么过大,使设 备欠载,不经济;要么过小,出现过载运行,导致过热绝缘损坏、线损增加, 影响导线、电缆或电气设备的安全运行,严重时,会造成火灾事故。为避免这 种情况的发生,设计时采用一个假定负荷即计算负荷来表征系统的总负荷应。 用计算负荷来选择导线、电缆截面和电气设备比较接近实际,因为计算负荷的 热效应与变动负荷的热效应是相等的。 2.1.1 牵引负荷的性质 计算负荷也称需要负荷或最大负荷。计算负荷是一个假想的持续负荷,其 热效应与某一段时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。在配电设计 中,通常采用30分钟的最大平均作为按民热条件选择电器工导体的依据。 求得计算负荷的手段称为负荷计算。我国目前普遍采用的确定计算负荷的 方法有需要系数法和二项式法。需要系数法的优点是简便,适用于全厂和车间 变电所负荷的计算,二项式法适用于机加工车间,有较大容量设备影响的干线 和分支干线的负荷计算。但在确定设备台数较少而设备容量差别悬殊的分支干 线的计算负荷时,采用二项式法较之采用需要系数法合理,且计算也较简便。 电铁牵引负荷具有多变性,随机性,移动性,对电网的干扰程度在不同时 段具有不确定性,这构成对电网干扰的复杂性,同时也增加了分析研究的难度。 2.1.2 低压三相负载不对称对电网及设备的影响 三相负载不对称会使配电变压器损耗增大,降低变压器的出力。由于变压 器绕组结构是按对称运行情况设计的,三相绕组结构性能一致,其最大允许出 力受每相额定容量的限制。当不对称运行时,负载轻的相就有富裕容量,降低 9 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 了变压器的出力,变压器的备用容量亦相应减少,使变压器的过载能力大大降 低,运行中如果变压器短时产生过载就可能引起过热以致烧坏。 三相负载不对称会使配电变压器损耗增大,降低变压器的出力。由于配电 变压器是按三相负载对称运行设计的,其每相绕组的电阻、漏抗和励磁阻抗基 本一致,三相负载对称时,三相电流相等,变压器的内部压降相同,其输出的 电压是对称的。当三相负载不对称时,各相电流不一致,每相在变压器内部的 压降就不相等,造成三相输出电压不对称。当变压器三相负载很不平衡时,中 性线电流较大,使中性线具有较大的阻抗压降,中性点发生位移,各相电压发 生变化,当A相负载为感性时,A相电压变化最严重,B相次之,C相最小; 当 A相负载为阻性负载时,B相电压变化最为严重; 当中性线%时,在感性负载的情况下,负载相的电压变化率为8%,当中性线%时,负载相的电压变化率达12%,而非负载相则不超过5%,这种 电压变化,使某相的电压过高或过低,对电气设备的运行和安全极为不利。 三相负载不对称使零序电流增大。三相负载不对称运行时产生零序电流, 这个零序电流随不对称度的大小而变化,不对称度越大零序电流越大。由于零 序电流的存在,在变压器铁芯中产生零序磁通,而高压侧没有零序电流,这就 迫使零序磁通只能从变压器的油箱壁及钢结构件中通过,这些钢构件在设计时 并没考虑导磁,所以磁滞和涡流损耗造成钢构件局部温度升高,产生功率损耗。 三相负载不平衡会降低电动机的效率。由于变压器三相负载不平衡引起的 不平衡电压,存在着正序、负序和零序三个电压分量,当输入电动机以后, 序电动势就产生与正序电动势相反的旋转磁场,起到制动作用。由于正序磁场 比负序磁场大,电动机仍与正序磁场旋转方向一致,但由于负序磁场的制动作 用,使电动机的输出功率减少,如果电动机的中性线接零,还将有零序电流通 过,这个零序电流在绕组电阻上消耗电能,增加电动机的发热量,同时这个零 序电流还产生一个脉振磁场,消耗较大的无功功率。 三相负载不平衡,将使低压线 谐波电流对电力系统的危害 谐波对电力系统的污染日益严重,谐波源的注入使电网谐波电流、谐波 电压增加,其危害波及全网,对各种电气设备都有不同程度的影响和危害。 现将对具体设备的危害分析如下: 10 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) (1)交流发电机。同步电动机及感应电动机在定子绕组和转子绕组产生 附加热损耗,热损耗除谐波电流铜损I2nR以外,还由于电流的集肤效应,产 生附加损耗,对转子引起热损耗增大。对大型汽轮发电机来说,若发生多次 谐波振荡,谐波电流超过额定电流的25%时,由于上述原因可能会导致转子 局部过热而损坏。对变压器来说,铁芯产生热损耗,尤其是涡流损耗大,在 变压器绕组中有谐波电流,在铁芯中感应磁通,产生铁损。 (2)架空线路谐波电流产生热损,较大的高次谐波电流分量能显著地延 缓潜供电流的熄灭,导致单相重合闸失败。电缆中的谐波电流会产生热损, 使电缆介损、温升增大。 (3)电力电容器由于谐波电流会引起附加绝缘介质损耗,加快电力电容 器绝缘老化。系统谐波电压或电流发生谐振则引起过电压和过电流,对电气 设备绝缘损坏,引起噪音与振动。 (4)电子计算机会由于谐波干扰发生失真;工业电子设备功能会因其被 破坏。 (5)对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作,造成 电能计量的误差。 (6)谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外,还将对相邻通讯 线 电力系统抑制谐波的措施 电力系统抑制谐波的主要措施有: (1)在补偿电容器回路中串联一组电抗器 在未加Xc前,略去电阻,谐波源In母线处的谐波电压为:Un=XsnIn; 并联了补偿电容器后,则谐波源的输入谐波电抗为:此时谐波电压,注入系 统的谐波电流Un,Isn

  In.即并联电容器使系统的谐波被放大了。如果对应某 次谐波有Xsn-Xcn=0 即发生谐波,则其谐波电流、电压都趋于无穷大。为了 摆脱这一谐振点,通常在电容器支路串接电抗器,其感抗值的选择应使在可 能产生的任何谐波下,均使电容器回路的总电抗为感抗而不是容抗,从根本 上消除了产生谐波的可能性。 (2)装设由电容、电感及电阻组成的单调谐滤波器和高通滤波器 单调谐滤波器是针对某个特定次数的谐波而设计的滤波器,高通滤波器 11 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 是为了吸收若干较高次谐波的滤波器。应装设的滤波器类型、组数及其调谐 频率(滤波次数)可由具体计算决定。 电力机车是大功率单相整流装置,它有谐波问题,根据实测资料,机车 电流的谐波含有率大致如表1,影响电力机车注入电力系统谐波电流的因素 很多,接触网是影响因素之一,图中Zsn为电力系统的谐波阻抗,供电臂全 长为L,臂上只有一辆电力机车,位于离变电所l处。 设接触网单位长度的n次谐波阻抗、导纳分别为Zn、Yn,则其n次谐波特征 阻抗Zcn和传播常数γn,可见一般接触网对机车谐波电流起到放大作用, 当机车处于供电臂末端。 2.2 危害实例 在我国西北和中原电气化铁路较发达地区,由于电铁谐波及负序分量 的影响,当地的电力系统已实实在在受到了影响和危害。 2.2.1电力系统大面积停电事故发生原因分析 从大量实际案例分析可知,导致电力系统发生大面积停电事故的主要 因素包括不可抗拒自然外力破坏、电力设备故障、电力需求侧供需失衡、 人为 蓄意破坏以及管理存在不足等5个大的因素。 (1)不可抗拒的自然外力破坏。从大量实际工作经验可知,造成电力 系统中电力设备发生损坏的主要原因还是自然外力的破坏作用。如:严重 覆冰导致线路断线、舞动发生短路故障;凝露、冻雾、雷电等引起线路绝 缘子发生闪络故障;架空线路对树发生闪络等。我国2008年发生南方雪灾 引起大面积的停电事故,就是遭遇极端灾害性天气所引起的。 (2)电力设备故障。电力设备是电能输送、分配调度最为重要的设备。 电力设备故障是引发电力系统发生大面积停电事故的最常见形式,除了由 于上述气候和自然环境外力破坏引起设备故障外,设备自身电气性能和机 械性能异常等均可能引起设备发生 “拒动”、“误动”等故障,甚至整个设 备功能失效。 (3)电力需求侧供需失衡供需平衡破坏。需求侧电力负荷或发电容量 由于某些原因出现较大突变波动,导致电力系统中功率供需出现严重不平 12 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 衡,也是引起电力系统发生大面积停电的另一主要原因。气候条件引起需 求侧负荷发生突增或锐减、受电端电能输送通道终端、系统中重要负荷发 生解列等,均可能引起需求侧供需失衡,进而引起大面积停电事故发生。 (4)人为蓄意破坏。在电能生产、输送、分配、消耗等环节中,人为 失误均可能引起大面积停电事故发生。另外,和心怀不满的极端 分子等制造的蓄意破坏也会造成大面积停电事故发生。 (5)管理存在不足。完善的管理制度、确实的管理落实等是电力系统 安全稳定运行的重要保证。电力系统中电能生产、输送、分配、消耗等各 环节均离不开完善可靠的管理,如果存在管理制度不完善、管理力度不强、 管理不到位等情况,就可能导致实际管理模式不能有效适应复杂大电网中 存在的各种影响因素,从而导致电力系统发生大面积停电事故。 2.2.2 影响电网运行方式 电铁负荷负序分量的影响,信阳220kv变电所的 110kv母线曾不能并 列运行,降低了电网运行可靠性。 河南济源220kv变电所设计时为减少负序对地方工厂的影响,避免 110kv母线负序超标,不得不同时建设两台120MVA变压器,其中一台专供 电铁负荷,110kv母线在工厂供电中受到的危害 在工厂供电中,短路故障的主要原因: 电气设备载流部分的绝缘损坏,造成绝缘损坏的原因有很多,主要有 以下几点: (1).由于设备长期运行,绝缘自然老化,被正常电压击穿 (2).设备质量低劣,绝缘强度不够,被正常电压击穿 (3).设备绝缘满足要求,但被过电压击穿 (4).设备绝缘受外力损伤,造成短路,像被老鼠咬坏绝缘这类 人为原因:比如工作人员发生误操作或者将低电压设备接入高电压的 电路中,就可能造成短路鸟兽等,像蛇,鼠之类的跨越在裸露的相线或者相 线与接地物体之间也会造成短路 至于对电力系统的危害有以下几点: 13 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) (1).短路时产生很大的电动力和很高的问题,会使短路电路中的元件受 到损坏,很可能引发火灾事故 (2).短路时电路的电压骤降,严重影响电气设备的正常运行 (3).短路时保护装置动作,如熔断器的保险丝熔断,将短路电路切除,这 会造成停电, 而且短路点越靠近电源,停电范围越大,造成生活的不便和经济上的损失 (4).严重的短路会影响电力系统运行的稳定性,可使并列运行的发电机 组失去同步,造成系统解列 (5).不对称短路,像单相短路和两相短路,短路电流会产生较强的不平衡 交变电磁场,对附近的通信线路、电子设备等产生电磁干扰,影响其正常 运行。 14 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 第三章 郑西高速铁路牵引负荷对系统影响的定量分析 定性分析与定量分析应该是统一的,相互补充的;定性分析是定量分析的 基本前提,没有定性的定量是一种盲目的、毫无价值的定量;定量分析使之定 性更加科学、准确,它可以促使定量分析得出广泛而深入的结论。 定量分析是依据统计数据,建立数学模型,并用数学模型计算出分析对象 的各项指标及其数值的一种方法。定性分析则是主要凭分析者的直觉、经验, 凭分析对象过去和现在的延续状况及最新的信息资料,对分析对象的性质、特 点、发展变化规律作出判断的一种方法。相比而言,前一种方法更加科学,但 需要较高深的数学知识,而后一种方法虽然较为粗糙,但在数据资料不够充分 或分析者数学基础较为薄弱时比较适用,更适合于一般的投资者与经济工作 者。但是必须指出,两种分析方法对数学知识的要求虽然有高有低,但并不能 就此把定性分析与定量分析截然划分开来。事实上,现代定性分析方法同样要 采用数学工具进行计算,而定量分析则必须建立在定性预测基础上,二者相辅 相成,定性是定量的依据,定量是定性的具体化,二者结合起来灵活运用才能 取得最佳效果。 不同的分析方法各有其不同的特点与性能,但是都具有一个共同之处,即 它们一般都是通过比较对照来分析问题和说明问题的。正是通过对各种指标的 比较或不同时期同一指标的对照才反映出数量的多少、质量的优劣、效率的高 低、消耗的大小、发展速度的快慢等等,才能为作鉴别、下判断提供确凿有据 的信息。 本章重点讲了郑西高速铁路牵引负荷对系统影响的定量分析,例举了电力 系统各元件的谐波参数和模型,研究了谐波电流的意义。 15 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 3.1计算用负序阻抗和负序网络 表3-1 3.2 电力系统各元件的谐波参数和模型 六脉波电流型变频电路电源侧间谐波分析及应用模型构建对电流型变频 电路电源侧的谐波分析,通常只考虑直流侧对电源侧的作用,而忽略逆变器输 出交流侧通过 直流连接环节对电源侧的影响。一般认为,在整流电路 输出直 流电流时,开关器件的换相使得在电源侧产生谐波电流。但是,在变频器启动 过程中,逆变电路输出可变频率的交流电流到电机侧,同时,六脉波桥式逆变 电路在直流侧产生了6倍输出频率的脉动分量,在直流电流中表现为纹波电 流。对于电源侧来说,这些纹波电流通过工频相控整流电路开关操作的耦合, 被工频分量调制产生间谐波。所以,对间谐波的分析,其重点就是对直流侧直 流电流中的纹波分量的计算。 计算纹波分量的难点在于建立系统直流侧等效电路,关键的问题是如何 将变频电路两侧的交流参数等价折算到直流侧。提出直流端口等效阻抗概念, 使用开关函数的调制过程来变换交流侧的阻抗,可解决上述问题。 进行变频 调速系统高次谐波分析时,通常可使用感应电动势源串联等效电感的模型来替 代电机。这样保持了高频分量在电机系统中的电磁作用过程和对电源产生的影 响,不必过多的关注电机的机械特性。 16 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 3.3 谐波电流的研究意义 电力系统的谐波分析问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的 注意。当时在德国,由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。 1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论 文。 到了50年代和60年代,由于高压直流输电技术的发展,发表了有关变 流器引起电力系统谐波问题的大量论文。70年代以来,由于电力电子技术的 飞速发展,各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广 泛,谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分的关注。 国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议,不少国家和国际学术组织都制定 了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。 谐波的研究的意义:这主要是因为谐波的危害十分严重——谐波使电能的 生产、传输和利用的效率降低,使电气设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘 老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐 振或串联谐振,使谐波含量放大,造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电 保护和自动装置误动作,使电能计量出现混乱。对于电力系统外部,谐波对通 信设备和电子设备会产生严重干扰。非正弦波里含有大量的谐波,不同的波形 里含有不同的谐波成份。在倍频器、变频器里,就必须要进行谐波分析,分柝 各次谐波的分布;在乐器、音响、放大器……也要分析谐波成份。 分析作用: (1)谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗,降低了发电、输电 及用电设备的效率,大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。 (2)谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损 耗外,还会产生机械振动、噪声和过电压,使变压器局部严重过热。谐波使电 容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短,以至损坏。 (3)谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振,从而使谐波放大。 (4)谐波导致继电保护和自动装置的误动作,使电气测量仪表计量不准确。 (5)谐波会对邻近的通信系统产生干扰,轻者产生噪声,降低通信质量; 重者导致住处丢失,使通信系统无法正常工作。 17 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 第四章 改善电铁牵引负荷影响的措施 本章重点对国内外治理电铁谐波和负序的措施,提高电能质量的方法及存在 问题做综合分析,对牵引变电的无功补偿的技术方案做对比分析,针对性提出一 些防范或限制措施以保障电网安全运行。 4.1 我国电力牵引负荷现状 截至到目前,我国电力牵引绝大部分采用交-直电力机车,电力牵引按照向 电力机车、动车组供电的电流性质不同,分为工业标准频率(50 Hz或60 Hz) 单相 交流制,简称工频单相交流制,是20kV,25 kV,低于工业标准频率的低 频 (一般为162/3Hz)单相交流制,电压为110kV,15kV和直流制,电压为 600, 750,1500,3000V 等4 种类型 (该分类不适用于磁浮铁路)。按照应用领域, 则区分为干线线路电 力牵引、工矿运输电力牵引、城市轨道交通电力牵引 (地 下铁道与轻轨交通)和城市有轨电车等。各种电流制的电力牵引供电系统和电 力机车、动车的设备有较大差别。 电力牵引相对于内燃机为动力的内燃牵引(内燃机车、城市公交汽车)和 蒸汽机为动力的蒸汽机车牵引,具有下述一系列优点: 一,电力牵引为非自给式牵引动力。机车本身不带燃料和原动机。由大容 量电力系统供电,机车或动车总功率大且自身重量相对较轻,具有起动和加速 快、过载能力强、牵引力特特点,能满足铁路和城市现代交通运输对高速、快 速、重载和大运输能力的需要。 二,电力牵引的总功效 (作功效率)最高,可显著节省能源降低运营成本。 由于电能在发电厂(站)集中生产,采用高温、高压、大功率机组的火力发电 厂构成的电力系统供电,电力牵引的总功效为27%~28%;由水力发电站构成的 电力系统供电时,电力牵引的总功效可达57%~58%。而内燃牵引和蒸汽机车牵 引的总功效,分别为22% 和6%,公交汽车运输的总功效与内燃牵引相当或稍低, 且都要使用优质燃料 (柴、汽油和优质煤)。据统计,铁路电力牵引的平均单位 消耗 (标准燃料 ·公斤/万吨·公里),比内燃牵引和蒸汽机车牵引分别低13.0% 和67%,因而,电力牵引的运营成本较低。 三,电力牵引列车和车辆噪声小,不排出废气和有害气体,有利于环境保 护。城市轨道交通电力牵引采用地下建筑或高架结构,运输快捷、灵活、安全。 18 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 可消除城市交通阻塞状况、改善生活空间。 四,电力牵引各主要组成环节均为独立电气系统,且又连成整体,它们与 电子技术和计算机控制手段相结合,易于实现全面自动化和信息化,为铁路和 城市交通的技术进步、劳动生产率的极大提高,提供了广阔的发展前景。 4.2 郑西铁路牵引电能质量改善措施中存在的问题 郑西铁路电力牵引电能质量改善措施中存在的问题可概括为: 现行电力机车与牵引变电所的补偿装置都没有达到预期效果。牵引变电所 设有补偿装置的供电区间,应当运行什么机车没有明确的界限,在这些区间既 运行有无补偿装置的机车,也运行没有无功补偿装置的机车,这使变电所的补 偿措施变电所得补偿装置措施变得相当复杂。在电力机车和牵引变电所同时进 行无功补偿,对铁路部门来说设备重复和投资增加。牵引变电所会出现过补和 牵引母线严重过压现象。 不能有效消除负序电流对电力系统的影响。不能有效消除谐波电流对电力 系统的影响。 直流电力牵引制DC electric traction system :用直流电向电力机车或 电动车组供电的电力牵引制。电力牵引远动系统 electric traction telemechanical system:由主近代和被控站的远动装置及连接两者之间的通道 设备组成的调度牵引供电设备远距离监控系统。牵引网tractionnetwork:由接 触网和回流回路构成的供电网络。 直接供电方式(TR供电方式)direct feeding system:由牵引变电所直接 向牵引网供电,牵引电流只由钢轨和大地流回牵引变电所的供电方式。 带回流线的直接供电方式(TRNF供电方式)direct feeding sysytemwith returncable:增设与钢轨并联的架空回流线的直接供电方式。 吸流变压器供电方式 B(T供电方式)boostertransformerfeedingsysytem: 牵引网中设置吸流变压器一回流线,使牵引电流沿回流线流回变电所的供电方 式。 自耦变压器供电方式(AT供电方式)autotransformer feeding sysytem: 牵引网中设置自耦变压器和自耦变压供电线(AF线)等,自耦变压器并接于接 触线与AF线之间,由AF线回流的供电方式。 同轴电力电缆供电方式 (CC供电方式)coaxialpowercablefeedingsystem: 19 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 在牵引网中沿铁路埋设同轴电力电缆,其内部导体作为馈电线与接触网并联, 外部导体作为回流线与钢轨并联的供电方式。 4.3 解决郑西铁路电气化铁道电能质量问题的方案 解决郑西铁路电气化铁道电能质量问题的方案的思路:无功补偿谐波的治 理分为负载改型和装设补偿装置,其中装设补偿装置分为静态无功补偿,动态 无功补偿以及有源滤波器。静态无功补偿又细分为无功补偿电容器和LC无源滤 波器。动态无功补偿细分为静止无功补偿装置 (SVC)和静止无功发生器 (SVG)。 有源滤波器细分为单独使用APE和混合APE。电能质量(PowerQuality),从严 格意思上讲,衡量电能质量的主要指标有电压、频率和波形。从普遍意义上讲 是指优质供电,包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。其可以定义 为:导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差,其内容包 括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、 波形畸变(谐波)、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。 电能质量的影响因数有:在现代电力系统中,电压暂降,暂升和短时中断, 谐波产生的电压波形畸变;已成为最重要的电能质量问题。 改善措施: (1) 改善用电功率因数,使无功就地平衡。 (2) 合理选择供电半径. (3) 合理选择供电系统线) 合理配置变、配电设备,防止其过负荷运行。 (5) 适当选用调压措施,如串联补偿、变压器加装有载调压装置、安装 同期调相机或静电电容器等。 供电电压超过允许偏差的原因有哪些? (1) 供电距离超过合理的供电半径。 (2) 供电导线截面选择不当,电压损失过大。 (3) 线) 用电功率因数过低,无功电流大,加大了电压损失。 (5) 冲击性负荷、非对称性负荷的影响。 (6) 调压措施缺乏或使用不当,如变压器分头摆放位置不当等。 (7) 用电单位装用的静电电容器补偿功率因数没采用自动补偿。 20 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 总之,无功电能的余、缺状况是影响供电电压偏差的重要因素。传统的电 能质量测试手段存在着局限性。海亿达能源科技研发EPDS™智能配电系统即电 能质量监测改善系统,建立了遍及全网的电能质量在线监测网,以及一套统一 开放的监控和管理 平台,动态监测电网电能质量水平,进而针对严重影响电网 电能质量的干扰性负荷进行改造,有效地提高了电能质量管理水平。也是利用 现代测量控制技术和数据处理与通讯技术,在经济合理的成本下实现对用户端 包括电源进线到终端用电设备在内的全部配电用电系统设施的管理控制,大幅 提高配电用电系统与设施的运行与管理效率,降低运营成本。 电能质量监测改善的要求从用户的角度来说,对电能质量监测改善有如下 要求: (1)、满意的效果,用户能够看到电能质量的显著改善; (2)、提升整个供配用电系统的安全可靠性,确保人员和其他设备的安全。 (3)、用户使用方便,易操作。用户简单的要求,实质上是在考验设备厂 商的两大能力:技术能力电能质量的改善不是一件简单的事情,特别是谐波 治理过程,有源滤波器本身就是一个谐波产生器,技术不成熟,则有可能起 到适得其反的目的。这种事情在国内也是经常遇到的,有的有源滤波器装上 去以后,谐波没有减小,反而增大了。 服务能力电能质量问题的治理是一件持续进行的事情,特别是有的用户的 电能质量为因负载而变化。仅仅是将设备安装上,没有调试和后期服务肯定是 不行的。不少知名品牌由于在国内代理混乱,导致很多产品安装了最后没有运 行就是服务能力跟不上的体现。 21 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 第五章 总结与建议 5.1电铁牵引站受电电压等级选定 根据国家电压标准,结合电力系统的输电电压以及所在供电地区的负荷 分布、负荷密度、地区生产和建设的发展等条件,选定的各级配电网的电压。 配电网电压等级的确定,关系到在安全经济运行的条件下向各级用户提供充 足、合格、不间断的电力。还决定了供电设备所需的绝缘水平、建设的投资、 运行的费用等。电压等级选择的原则要根据技术经济和建设发展综合论证选 择确定,以达到满足供电需要,技术先进可行,运行灵活可靠,投资经济合 理。 具体考虑以下几个方面: 一,满足供电区域内对电力供应的需求,并能适应一定时期内负荷密度 的增长。 二,与配电网的改造工作相结合,便于整个配电网的发展,保证运行灵 活、安全可靠、质量合格、经济合理。 三,设备供应与制造技术上的可能性、可靠性和经济性。 四,尽量简化同一配电网内的电压等级,减少变压层次。 五,建设与改造的投资最经济合理。 配电网电压等级中国配电网应用的配电电压等级分为高压配电电 压:35kv、110kv;中压配电电压:10(20)kv;低压配电电压:380/220V。在有的 特大城市的电网中,220 kV 电压兼有高压配电功能. 一个地区或一个城市的 配电电压一般只选三级, 中国的很多城市根据各自特点采用110kv、35kv、 10 kv、380/22oV 四级配电电压。对于一些特殊的城市,如中国苏州的新加 坡工业园区根据规划的高负荷密度,采用220kv、20kv、380/220V三级配电 电压。法国的城市采用225kV、20kV、400V配电电压.德国的城市采用110kv、 10 kv、400V配电电压。但对国内外一些特大城市,和中国将220 kV输电线 路深人市中心兼起配电的作用一样,法国也有380kv输电线kv输电线路深人市中心兼起配电的作用。 电压等级的标准化在正确选择供电电压等级的基础上,世界上大多数国 家都已制定了适合本国国情的国家供电电压标准,作为逐步统一本国供电电 22 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 压的依据。对于历史上已经存在的与标称电压等级不符的电压等级,作为需 要过渡的电压等级,大多数国家都采用向高一级电压等级过渡的原则。 发 展趋势在实施配电电压标准化的过程中,为进一步满足负荷密度增长、降低 电能损耗、促进电力设备的标准化和规格化、减少备品数t 以及便于运行枪 修管理,将进一步简化电压等级、减少变压层次,在同一类配电电压中有逐 步采用高一级电压的趋势,但也受到安全性和经济性的限制.如低压配电电 压因受到电气用具使用人员的安全限制而不会超过250V,中压配电电压要考 虑供电设备绝缘设计的经济性和合理性,如全面将10kv网升压为20kv,则 投资和工作是庞大的,因此短期内不会全面向20 kv 以上发展。 5.2 采取电能质量综合治理措施的必要性 电能质量综合治理概念: 电网用户需要处理的电能质量问题,主要是功率因数问题、谐波问题 以 及电压瞬变问题。针对这些问题的治理手段有好几种,比如电容补偿、调谐补 偿、动态投切补偿、 无源滤波、有源滤波等等。每种手段主要针对某个方面 的问题治理,但同时会影响到其他方面,或者会产生不利影响,或者会有顺带 的帮助作用。所以,治理电能质量问题,应该把几个方面一起考虑,免得分别 治理的时候彼此产生干扰冲突,或者重复浪费。 另外,高压、中压、低压母线上的电能质量问题是彼此有影响的,比如在 中压段设置了无源滤波来治理谐波,因为无源滤波技术同时具有补偿效果,所 以低压母线上的无功补偿容量就应该降低一些,免得浪费投资。 所以,一个 工程项目的高压、中压和低压部分存在的电能质量问题也应该综合设计免得重 复浪费。 对功率因数、谐波、电压瞬变问题同时考虑,综合设计统一的治理措施, 对高压、中压、低压母线上的电能质量问题同时考虑,形成整个项目的综合治 理措施,这就是电能质量综合治理的概念。 电能质量综合治理的目的就是防止不同治理手段之间产生冲突,避免重复 作用造成浪费,避免用高投资手段解决低投资手段可以解决的问题,以尽量少 的投资,达到尽可能好的治理效果。 23 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 5.3对继电保护的影响 目前,为了适应电铁负荷频率切换的特性,一般针对常规的线路保护进行 一定的改进即能满足运行要求,提高了保护装置的抗干扰能力。但这不能从根 本上解决电铁对电网发和供用各方面的影响。只有采取综合治理措施,才能从 根源上解决谐波,负序,电压波动等质量问题,维护系统安全和平稳运行。 5.4建议 一,预先做电能质量评估,电能质量国家标准体系: (1)GB/T 12325-2008 电能质量供电电压偏差 (2)GB/T 15945-2008 电能质量电力系统频率偏差 (3)GB/T 15543-2008 电能质量 三相电压不平衡度 (4)GB/T 12326-2008 电能质量 电压波动和闪变 (5)GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波 (6)GB/T 24337-2009 电能质量 公用电网间谐波 (7)GB/T 19862-2005 电能质量电能质量监测设备通用要求 二,建立电铁电能质量监测网 车站/变电所内由一通信控制器/子站前置机完成本站所有仪表数据的 采集,通过数据传输到中心服务器,中心系统有2台系统服务器做热备,2 台前置服务器,1台报表服务器,1台Web服务器,1台维护工作站,1台 操作员工作站,系统交换机,工作站交换机,接换机、打印机等组成。 2台前置服务器,主要负责采集各变电所通信控制器/子站前置机采集到的 电能质量相关仪表的数据,2台前服务器采用均衡负载兼主备工作模式, 正常时2台都采集和处理数据,这将充分发挥服务器的功能。如果有一台 前置服务器出现故障,则正常一台立即接管所有的采集和处理工作,这样 在任何一台前置服务器出现故障情况下都将不影响系统的数据采集及正常 运行。同时也提高了系统的采集和数据处理速度,极大地提高了系统的实 时性。 24 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 结 论 毕业论文在校学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会,我摆 脱了单纯的理论知识学习状态,和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学 的专业基础知识,解决实际问题的能力,同时也提高我查阅文献资料和专业 能力水平,而且通过对整体的掌控,对局部的取舍,以及对细节的斟酌处理, 都使我的能力得到了锻炼,经验得到了丰富,通过本次毕业论文,我了解了 电气化铁路对电力系统的影响。 虽然毕业设计内容繁多,过程繁琐但我的收获却更加丰富。和老师的沟 通交流更使我设计有了新的认识也对自己提出了新的要求,通过这次毕业设 计让我学习了许多新的知识,这是很珍贵的。 在设计过程中一些问题让我很头痛,查阅了许多资料,我意识到:我的 知识水平还远远不够,与其他专业人才的交流沟通是很有必要的。提高是有 限的但提高也是全面的,正是这一次设计让我积累了无数实际经验,使我的 头脑更好的被知识武装了起来,也必然会让我在未来的工作学习中表现出更 高的应变能力,更强的沟通力和理解力。 从不知道毕业论文怎么写,到顺利如期的完成本次毕业设计,这给了我 很大的信心,让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心,这 些我在毕业论文结束语中都提起过。事实上,我还有很多的不足,这新不足 在一定程度上限制了我们的创造力。这些不足也正是我们去更好的研究更好 的创造的最大动力,只有发现问题面对问题才有可能解决问题,不足和遗憾 不会给我打击只会更好的鞭策我前行,今后我更会关注新技术新设备新工艺 的出现,并争取尽快的掌握这些先进的知识,更好的为祖国服务。 25 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 致 谢 经过几个月的时间终于将这篇论文写完,在论文的写作过程中遇到了许多 困难,但是我都努力的克服了,也得到了同学和老师的帮助。尤其要强烈感谢 我的论文指导老师,给了我无私的指导和帮助,不厌其烦的帮助进行论文的修 改和改进。另外,在校图书馆查找资料的时候,图书馆老师也给我讲解了许多 的专业知识,提供了许多论文构思。 本文引用了数位学者的研究文献,如果没有各位学者的研究成果的帮助和 启发,我将很难完成本篇论文的写作。 由于我的学术水平有限,所写论文难免有不足之处,恳请各位老师和学友 批评和指正! 26 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计(论文) 参考文献 [1] 王向东.高速铁路接触网新技术,2011年版 [2] 李树元 孟玉茹,电气设备控制与检修,2009.1,中国电力出版社 [3] 王作祥.铁路电力牵引供电工程施工质量验收标准,2004年版 [4] 郭宏民.铁路电力牵引供电工程施工工艺标准,2000年版 [5] 马功民.电力牵引供电工程,2009年版 [6] 王勋.电气化铁道概论.2011年版,中国铁道出版社 [7] 杨建国.铁路电力牵引供电工程施工质量检验评定标准,2000年版 [8] 马玲.牵引供电规程与规则.2013年,中国铁道出版社 [9] 刘杰.铁路电力远动系统工程设计规范,2009年版 27

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