城軌牽引供電系統(tǒng)3-2電能質(zhì)量

第3章電能質(zhì)量李廣軍

江蘇理工學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院城市軌道交通牽引供電第3章3.2電能質(zhì)量內(nèi)容回顧一、大地電位與電氣電位的區(qū)別二、

接地概念與分類三、常用的安全電壓等級四、接觸電壓方式五、結(jié)構(gòu)接地與牽引供電接地方式的區(qū)別第3章3.2諧波定義及其危害本節(jié)重點(diǎn)一、功率因素的定義二、諧波和功率因素的危害三、諧波的主要參數(shù)本節(jié)難點(diǎn)功率因素的定義及其計算公式第3章3.2諧波定義及其危害一、電能質(zhì)量內(nèi)容二、電能質(zhì)量控制裝置三、諧波與功率因數(shù)定義四、諧波危害五、諧波主要參數(shù)六、結(jié)論一、電能質(zhì)量內(nèi)容電壓頻率諧波間諧波電壓不平衡度電壓波動閃變電壓暫升電壓跌落（暫降）短時和長時中斷暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓電壓波形缺口（Nortch）供電連續(xù)。電壓偏差voltagedeviation<1>供電電壓對標(biāo)稱電壓的偏差電壓合理的重要性

(1)引起效率下降、經(jīng)濟(jì)性能變差，影響生活質(zhì)量：照明。(2)縮短壽命，甚至造成損壞：白熾燈、電動機(jī)(3)降低生產(chǎn)率，出廢品、次品(4)對電力系統(tǒng)，過低：使網(wǎng)絡(luò)功率損耗加大，危及穩(wěn)定運(yùn)行，過高：絕緣，增加電暈損耗。電壓偏差<2>嚴(yán)格保證電壓在標(biāo)稱電壓運(yùn)行，也沒有必要，允許的電壓偏移：

35kV及以上： ±5%10kV以下：±7%低壓照明：±7%，-10%農(nóng)村電網(wǎng)：±7.5%，-10%（+10%，-15%）頻率偏差frequencydeviation系統(tǒng)頻率的實際值和標(biāo)準(zhǔn)值之差。電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為±0.2Hz當(dāng)系統(tǒng)容量較小時，偏差值可以放寬到±0.5Hz諧波harmonic對周期性交流量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，得到頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量間諧波inter-harmonic處于供電頻率的諧波之間的那些諧波分量。電壓波動Voltagefluctuation電壓方均根值一系列的變動或連續(xù)的改變閃變flicker燈光照度不穩(wěn)定造成的視感不平衡度unbalancefactor三相電力系統(tǒng)中三相的不平衡程度，用電壓或電流負(fù)序分量與正序分量的方均根值百分比表示電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值為2%，瞬時不得超過4%電壓跌落voltagedip(sag)在電氣系統(tǒng)某一點(diǎn)的電壓突然下降，經(jīng)歷半個周期到幾秒鐘的短暫持續(xù)期后恢復(fù)正常

電壓驟升voltageswell在電力系統(tǒng)某節(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)的大于設(shè)定門檻值的一個暫時的電壓上升電壓短時中斷voltageinterruption供電電壓消失一段時間，一般不超過1min。短時中斷可以認(rèn)為是100%幅值的電壓暫降二、電能質(zhì)量控制裝置包括用于吸收電網(wǎng)諧波、改善電網(wǎng)靜態(tài)和動態(tài)特性的設(shè)備、裝置：——靜止式動態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置（SVC）；——不間斷電源系統(tǒng)和設(shè)備（已有IEC和EN標(biāo)準(zhǔn)）；——串聯(lián)和并聯(lián)電容器（已有IEC和EN標(biāo)準(zhǔn)）；——靜態(tài)轉(zhuǎn)移開關(guān)（已有EN標(biāo)準(zhǔn)）；——無源濾波兼無功補(bǔ)償裝置（PF）；——可控硅投切電容器（TCR）；——可控硅投切電抗器（TCR）；——有源濾波器（APF）；——靜止無功發(fā)生器（SVG）；——動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)。三、諧波與功率因數(shù)定義諧波功率因數(shù)諧波定義<1>其中滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級數(shù)諧波定義<2>式中諧波定義<3>基波（fundamental）——在傅里葉級數(shù)中，頻率與工頻相同的分量諧波——頻率較基波頻率大于1整數(shù)倍的分量諧波次數(shù)——諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比n次諧波電流含有率以HRIn（HarmonicRatioforIn）表示電流諧波總畸變率THDi（TotalHarmonicdistortion）定義為功率因數(shù)定義<1>（1）正弦電路中的情況電路的有功功率就是其平均功率：視在功率為電壓、電流有效值的乘積，即S=UI無功功率定義為：Q=UIsinφ功率因數(shù)λ

定義為有功功率P和視在功率S的比值：功率因數(shù)定義<2>此時無功功率Q與有功功率P、視在功率S之間有如下關(guān)系：功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差Ф

決定的：l=cosФ（2）非正弦電路中的情況功率因數(shù)定義<3>有效值和定義為一個周期內(nèi)的均方根值，即有功功率為一個周期內(nèi)瞬時功率的平均值，即有功功率為電壓和電流中的直流分量、基波和各次諧波分量分別形成的有功功率之總和，而不同頻率的電壓和電流分量之間并不形成有功功率。功率因數(shù)定義<4>無功功率定義為視在功率畸變功率D有功功率和視在功率之比稱為功率因數(shù)

由于電壓、電流中諧波分量的存在以及畸變功率的出現(xiàn)，往往使功率因數(shù)變得更低。功率因數(shù)定義<5>公用電網(wǎng)中，通常電壓的波形畸變很小，而電流波形的畸變可能很大。因此，不考慮電壓畸變，研究電壓波形為正弦波、電流波形為非正弦波的情況有很大的實際意義。有功功率設(shè)正弦波電壓有效值為U，畸變電流有效值為I，基波電流有效值及與電壓的相位差分別為I1和φ1。這時有功功率為：P=UI1

cosφ1

功率因數(shù)為：

基波因數(shù)——n=I1/I，即基波電流有效值和總電流有效值之比

位移因數(shù)（基波功率因數(shù)）——cosj1功率因數(shù)定義<6>可見：功率因數(shù)由基波電流相移和電流波形畸變這兩個因素共同決定的。

無功功率定義很多，但尚無被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威的定義一種簡單的定義是仿照式給出的：

功率因數(shù)定義<7>這樣定義的無功功率Q反映了能量的流動和交換，目前被較廣泛的接受，但該定義對無功功率的描述很粗糙。忽略電壓中的諧波時有：Qf=UI1

sinj

1

在非正弦情況下，，因此引入畸變功率D，使得：

比較式，可得：

忽略電壓諧波時功率因數(shù)定義<8>

這種情況下：Qf為由基波電流所產(chǎn)生的無功功率，D是諧波電流產(chǎn)生的無功功率。四、諧波危害電力電子裝置要消耗無功功率電力電子裝置還會產(chǎn)生諧波城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)諧波對公用電網(wǎng)的危害城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)諧波對直流牽引側(cè)的危害限制諧波的規(guī)定諧波和功率因數(shù)的危害<1>1.許多電力電子裝置要消耗無功功率，會對公用電網(wǎng)帶來不利影響。無功功率會導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，導(dǎo)致設(shè)備容量增加。無功功率增加，會使總電流增加，從而使設(shè)備和線路的損耗增加使線路電壓降增大，沖擊性無功負(fù)載還會使電壓劇烈波動諧波和功率因數(shù)的危害<2>2.電力電子裝置還會產(chǎn)生諧波，對公用電網(wǎng)產(chǎn)生危害。諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過中性線會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作諧波會引起電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振諧波會導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置的誤動作諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。諧波和功率因數(shù)的危害<3>3.城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)諧波對公用電網(wǎng)的危害(1)可能使電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)和自動裝置產(chǎn)生誤動或拒動，直接危及電網(wǎng)的安全運(yùn)行；(2)使各種電氣設(shè)備產(chǎn)生附加損耗和發(fā)熱，使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動及噪聲；(3)諧波電流在電網(wǎng)中流動，作為一種能量，最終要消耗在線路及各種電氣設(shè)備上，從而增加損耗，影響電網(wǎng)及各種電氣設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；諧波和功率因數(shù)的危害<4>3.城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)諧波對公用電網(wǎng)的危害

(4)由于電網(wǎng)中諧波電流的存在，通過電磁感應(yīng)、電容耦合以及電氣傳導(dǎo)等作用，對周圍的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，從而降低信號的傳輸質(zhì)量；(5)諧波使電網(wǎng)中廣泛使用的各種儀表，如電壓表、電流表、有功及無功功率表、功率因數(shù)表、電度表等產(chǎn)生誤差；(6)增加電網(wǎng)中發(fā)生諧波諧振的可能，從而造成過電流或過電壓引起的危險。諧波和功率因數(shù)的危害<5>4.城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)諧波對直流牽引側(cè)的危害

牽引電流中除正常的負(fù)載電流(直流)外，也包括交流諧波電流。諧波電流不僅產(chǎn)生無效的損耗，而且干擾通信、信號系統(tǒng)。在直流牽引側(cè)產(chǎn)生的主要危害有：（1）對信號的干擾在軌道電路始端，發(fā)送器向走行軌道送一個音頻電流，輸入軌道電路的電流頻率是調(diào)制的，在每一個軌道電路區(qū)段，饋入的交流電流有一個特定的載波頻率，稱為軌道電路頻率。相鄰軌道電路區(qū)段頻率不相同。當(dāng)走行軌道中牽引電流的諧波電流達(dá)到一定幅值，且頻率與軌道電路頻率相吻合時，便會對軌道電路產(chǎn)生干擾。（2）諧波含量過高會造成軌電位升高。諧波和功率因數(shù)的危害<6>5.許多國家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)，或由權(quán)威機(jī)構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14549-93）《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》從1994年3月1日起開始實施電網(wǎng)電壓正弦波相電壓波形畸變率極限用戶供電電壓(kV)0.38

6或1035或63110

電壓畸變極限(％)５４３

1.5五、諧波參數(shù)（1）畸變波形的方均根值（2）諧波含有率五、諧波參數(shù)（3）總諧波畸變率

波形畸變的程度，常以