电气化列车电磁兼容.doc

铁路电气化牵引以其高速、重载、节约一次能源和减轻环境污染等优点被越来越广泛地应用在现代铁路运输中。1. 高速铁路牵引系统存在的电磁兼容方面的问题1.1. 电气化线路与相邻的信号系统之间耦合电磁干扰第一种是回流对轨道电路的干扰。机车的回流或者信号系统的回流, 都是把轨道作为导体使用, 从而引起两者之间的电导性耦合。采用轨道电路的线路空闲显示系统, 就属于这种情况。采用这种技术, 一个主要的要求是一条轨道的两根钢轨相互要有足够的绝缘。此外, 在接触网所在的区域内, 所有不带电的结构部件都必须与轨道一道接地。如果这些部件具有很小的接地传送电阻, 可能使两条钢轨之间的回路负载不均匀, 导致轨道电路错误地转入占用状态, 而在这个区域段中其实并没有列车存在。不仅牵引电流的基波可能引起干扰, 而且现代机车车辆传动控制产生的高达几千赫兹的谐波中, 如果有一种谐波的频率与轨道电路的工作频率相同, 且其电平超过规定的数值, 那么它对轨道电路的干扰是可以想象得到的。但是这只在技术上(如幅值、相位) 和运行上的特定状态同时出现时, 才是可能的。第二种情况是电抗性耦合引起的干扰。由于交流电气化线路的对地不对称的供电系统结构对与铁路线平行的信号和通信电缆有干扰, 因而必须考虑以下几种可能的情况:在强电设备(包括机车) 正常运行时, 接触网中的电流产生的长时间的干扰;由于接触网短路产生的短时间的干扰;机车正常运行时工作电流谐波产生的干扰。电抗性干扰的影响可分为: 危及人身和设备(损坏信号和通信设备) 的干扰、对功能的扰乱以及主要由机车工作电流的高次谐波引起的电话线路中的干扰噪声。电气化线路引起的电抗性干扰通过干扰源(接触网)、受扰体(通信线路) 和公共地建立两个相互具有电抗性耦合的回路。回路1: 牵引变电所接触网机车地;回路2: 通信线路地(相对于谐波分量)。钢轨本身象其他任何金属导体一样, 可形成自己的电路, 并与其他所有的电路产生电抗性耦合。就通信电路来说, 电流流过接触网和地组成的回路将在通信电缆、钢轨和管道中感应出纵向电压, 且此电压与接触网电流的大小以及耦合途径的阻抗有关; 其次, 当钢轨、电缆和管道构成的闭合电路中流过电流时, 同样会在通信电缆中感应出纵向电压。1.2 电力牵引交流传动系统的干扰电磁环境对铁路信号系统的安全、利用率和可靠性有着重大影响。在这种环境中, 轨道电路不受牵引回路电流的干扰, 是十分重要的。为了避免任何轨道系统的误动作, 必须保证牵引系统产生的与信号设备工作频率相同的那部分谐波的能量比规定的允许值小。实际上, 这部分能量可能是来自机车或列车上逆变器、斩波器产生的高次谐波, 也可能是来自直流牵引供电的多相整流桥的谐波。对于固定频率的斩波控制系统来说, 只要规定工作频率使之避开牵引产生的谐波分量就足够了; 但对于交流传动, 必须确定一种消除谐波的控制策略, 才能达到相同的效果。为了估计电力牵引、特别是交流传动系统对周围环境的电磁干扰程度, 必须利用状态空间模型或频域分析方法计算逆变器输入, 特别是PWM 波形的谐波分量以及向机车供电的接触网的电流。众所周知, 自然采样和规则采样的PWM 波形受功率开关器件需要的最小换流宽度的限制。当必须考虑与信号系统的电磁兼容要求时, 这一点是很重要的。显然, 不采取消除谐波的PWM 技术, 可能存在某些引起干扰的谐波分量。随着微处理器的功能的提高, 目前已经开发出了易于在微处理器上执行的接近于最佳开关角的算法。对于由脉冲整流器向逆变器供电的交直交系统,如果取消由L、C 谐振电路构成的二次谐波滤波器, 那么在输入电流中将出现低频分量。增大中间回路的支撑电容器, 可以使这些低频谐波分量减少。还有一个评价牵引传动系统和信号设备之间的电磁兼容性能很重要的因素, 是传动系统的不稳定性。这种不稳定性可能反映到接触网电流的频谱中。对于逆变器来说, 某些开关模式可能造成不稳定的结果, 但在其余的大多数模式中都是稳定的。鉴于电气化线路供电接触网中可能存在谐波, 以及整流器回路的非线性特点, 不论在直流供电电压中,还是在交直交变流器中间环节回路的电压中, 都有基波和谐波电压, 并都会在轨道电路中引起相应的谐波电流。为了计算这些谐波电流, 必须知道机车的输入阻抗。在考虑与信号系统的电磁兼容时, 机车的输入阻抗有着特殊的意义。对于逆变器传动系统和信号系统之间的电磁兼容, 除了上述已经讨论的方面之外, 以下一些影响因素也是值得考虑的:(1) 逆变器的不对称工作状态, 使电机绕组出现直流偏移, 从而使输入电流产生具有逆变器基波频率的谐波分量。(2) 电机相阻抗的不平衡, 引起两倍基波频率的谐波分量。(3) 轮径偏差导致不同的逆变器输出频率, 使得在其输入电流中出现具有差频率的谐波分量。1.3.瞬变电磁场干扰。牵引网由于移动负荷和工作环境差致使故障率高,牵引变电所内用于正常或短路时接通或断开主电路的断路器、隔离开关等开关电器操作频繁。它们是二次系统的主要干扰源。断路器开断，短路电流迅速减少至零。此瞬变电流(di/dt值很大在触头间感应出幅值很高的尖峰脉冲电压（尖峰持续时间几秒），使触头间产生电弧而使电压下降，当电压下降到不能维持电弧时，电弧熄灭;触头再次感应出电压脉冲，再次起弧。从熄弧到再次起弧的间隔时间为微秒级。开关动作伴随着多次电弧重燃，每次熄灭、重燃都产生尖峰脉冲电压和高频振荡电流，其中还包含有工频及低频振荡电流。一次线路中的这种振荡和短脉冲电压，恰好与微机监控系统经常要处理大量的开关量和脉冲量同频段，使监测和保护等二次系统特别容易受到影响，尤其对高速运行和传递数字逻辑信号的微机、计算机干扰更为严重。这种干扰侵人电源网线，通过电源影响微机、计算机的正常工作或带来毁坏性的破坏。同时，通过地网电流和电感藕合对二次系引起共模干扰电压。因此，开关电器操作是牵引变电所内微机综合自动化系统最主要和危害最大的干扰源。此外还有突发干扰，电力机车主断路器等机械触头快速通断会产生干扰脉冲：开关上的感性负载和馈电线上的电感使触头上的电压陡峭升高，导致电火花，然后熄灭。这一过程可能在几毫秒时间内重复出现成百上千次，一直持续到触头完全断开或闭合，不出现闪烙电压为止。这种干扰脉冲可通过容性耦合到相邻的平行导线上去，机械触头和平行导线的电压分别可达到4kV和1kV。这些脉冲的前沿上升时间约为5ns，所以脉冲群的频谱最高达100MHz。如果这样的脉冲侵入数字电路，装置内部将不可避免地受到干扰。1.4. 其他的干扰1.4.1 浪涌式的干扰其主要表现是大电流回路中电气部件迅速断开而产生的高能量的电压和电流脉冲。若迅速断开极大的电流（例如熔断器烧断），引入线上的电感会产生一个蓄能量较大的电压或电流脉冲（电压和电流可达4kV 和2kV），导致损坏电器部件。脉冲上升时间为12s，脉冲持续时间为2050s，而频谱最高约达100kHz。这种浪涌式的干扰脉冲主要是电耦合传播给馈电线的。1.4.2 静电放电在一定的环境和天气条件下，人体静电充电可高达8kV。这时，一旦人体与导电部分接触，在极短时间内放电，在不到1ns 时间内电流可增加到15A。这些脉冲包含达几百兆赫兹的高频分量，但蓄能量小。牵引侧的高压(27.5kV)在其周围空间形成电场，通过高电压部位与二次系统之间的互电容搁合对其产生静电感应电压或流过静电感应电流。当这种感应电压或电流达到某一数值时，会造成二次设备的误动作或毁坏。牵引变电所中所有高电压部位均是静电感应干扰源。1.4.2 辐射干扰辐射干扰主要是由无线电广播、电视发射台、手机和移动通信设备产生的强电磁场，其频率范围为100 kHz-l.8 GHz，磁场强度与距发射台的距离有关。在公众可达到的范围内以及距可移动设备大于20cm时，应考虑的最大电磁场强度为20V/m。同样，电子和电气部件产生的电磁场也会干扰无线电广播、移动电话和小型便携式无线电台(如机车运转调度无线电和行政及安全部门用的无线电)的接收，或影响其接收质量。这不仅涉及到路外设各，也涉及到铁路本身的设备。目前频率范围是100 kHz-2 GHz,估计今后这个颜率范围会向上扩展。1.4.3 对电网的反作用干扰电流由于牵引驱动装置中静止变流器的功率器件频繁开关，会在供电电网中产生干扰电流。这些干扰电流大多经钢轨和接触导线流回变电站，其频率从几赫兹到几十赫兹。它们会干扰铁路范围内的信号装置和通信设各，尤其是干扰轨道直流电路、连续式列车自动控制和列车运行自动控制系统(ATO)。1.4.4 电感性传导干扰机车上的大电流变流器和电动机或制动电阻产生的脉冲电流以及由变流器电容性祸合到接地系统的杂散电流，都会在钢轨中和机车底架中产生磁场。原则上这种磁场会干扰所有电感性工作的通信和信号系统。1.4.5 电气化铁道牵引电流在漏泄同轴电缆上产生的感应纵电动势我国电气化铁道采用工频单相交流供电，供电回路采用接触网一钢轨(回流线)方式。接触网供电回路在其周围空间产生的电场和磁场，对附近的通信、信号线路都会产生电磁影响。铁路无线列车调度通信系统中，为解决长大隧道内的场强覆盖问题，一般采用在隧道内架设漏泄同轴电缆并且安装隧道中继器的方式。漏泄同轴电缆沿隧道内壁铺设，与接触网基本平行，漏泄同轴电缆到接触网输电线的垂直离仅为0.61.5m，因此电气化铁道的牵引电流将会在漏缆的内导体上产生感应纵电动势。按照相关标准规定，接触网正常工作时，在所有通信导线中产生的感应纵电动势，不得超过60V，否则将会影响通信设备的正常工作，甚至发生危险。1.4.6 机车电缆的电磁干扰机车用电缆的种类大致可以分为3类:一般电缆线、普通屏蔽线和双绞屏蔽线。很多时候，电缆的选择和端接往往不受重视，从而导致电磁环境的恶化及控制装置的失效。同一设备内各电路之间的相互干扰常用近场藕合的方式处理，近场条件是离骚扰源的距离r/(2)，如果频率为300 MHz,则波长为1 m,电路之间的距离小于十几厘米就可看作近场。近场有电场和磁场，骚扰源通过电场的藕合常被看作为电容藕合。通过磁场的拙合为互感藕合。1.4.7 谐波负序电气化铁路上运行的电力机车是牵引供电系统中的一大非线性负载，在运行时会产生大量的高次谐波，就谐波源类型来分，电力机车可认为奇次谐波电流源。而且电力机车对于电网还是不对称负荷，在运行时还会产生负序分量，这些谐波电流和负序分量通过牵引变电所牵引变压器的合成和变换注入电力网，从而大大影响了电能质量。这些高次谐波对于运行牵引电机，将引起附加损耗，使电动机转矩减小；对测量仪表，将产生虚假的谐波功率，出现随机误差；对于补偿电容，将使其运行电流增大，温升增高；对于继电保护装置，将影响其整定值，引起误动；对于周边通讯网络，将影响其电磁效应和正常的载波通信。1.4.8 牵引变电所内一次系统与二次系统的电磁干扰 载流导体电磁感应干扰。牵引网上带有负荷时, 牵引变电所内载流导体(如母线、电缆等) 流过交流大电流, 通过电感耦合,一次大电流在二次线路上感应出干扰电压。由于在一个供电区内运行的列车数目常常变化,而且各列车在运行中受到不断变化的阻力影响,其运行状态也在不断变化, 使牵引负荷变化随机性大。由此产生的磁场及其产生的感应电压也随之变化。所以载流导体是不可忽视的电磁干扰源。地网电流对二次系数的干扰。电力机车通过受电弓从接触网上取得牵引电流驱动机车。接触网和钢轨构成回路, 牵引电流经钢轨、回流线、变压器回到接触网。但是由于钢轨与地之间并不绝缘,这就使牵引电流还有一部分经钢与大地之间的过度电阻流向大地, 经接地网返回变电所,从而形成地网电流及相应的地电流场。对二次线路有影响的地网电流有二种:一种是短路时流过地网的工频电流; 另一种是侵入接地网的雷电流。牵引供电系统比一般电力系统短路故障率高、短路电流比正常工作电流大得多;雷电流是幅值很大,作用时间极短的冲击电流。当雷电击中变电所后，大电流经由接地点进人电网，使接地点电位急剧升高。若二次回路接地点靠近大电流入地点，则将在二次回路中产生共模干扰，形成过电压，严重时会造成二次设备绝缘击穿。对于二次电缆来说，由于电缆外皮两端与接地网相连，当有雷电流流过地网时:会在电缆两端产生电位差，使电流流过二次电缆的外皮，在芯线上感应出感应电势，叠加在信号上造成干扰。牵引变电所内的杆塔、控制室等接地构架，当有数值较大的雷电流通过时，也相当于电磁场的高大发射装置，成为干扰二次回路的强大的外部噪声源。因此接地网电流是牵引变电所内一个重要干扰源。谐波电流的干扰。由于电力机车采用了整流电路、受电弓运行中跳弓拉弧等原因, 使接触网电流除基波电流I1 外,还有丰富的谐波电流In 。谐波电流的谐波次数、幅值大小与整流电路的形式、负荷大小、机车工况、牵引网参数等多种因素有关。谐波电流对二次系统的干扰, 主要有以下几种方式: 基波电流和谐波电流都会产生相应频率的交变磁场,通过电感耦合对二次系统产生感应电压；由于变压器铁芯的非线性, 高次谐波电流使电源电压波形畸变, 电源的高次谐波电压通过电容耦合到高压部位周围空间的二次设备或线路上,产生高次谐波静电感应电压。1.5. 电源相序错乱运行对“提速”的危害相序决定三相交流转辙机的转向,三相交流转辙机的转向决定道岔移向,道岔移向决定列车的运行方向。所以,相序错乱运行,则会造成列车错误运行,后果不堪设想。另外,相序错乱运行还有一个潜伏期。只有当两路信号供电电源发生转换时,问题才暴露出来(电务已装有相序错乱运行报警装置) ,如不发生转换,则长期潜伏。其实,相序错乱的问题,电务部门早就考虑得十分周到了,在PJZ 1 型10 kVA三相交流转辙机电源屏上加装了相序错乱运行切换装置,当输入电源相序错乱运行时,就会发出声光报警,并切换电源。现在的问题是:(1) 当1 路电源停电后,电务部门电源屏将其切换到2 路电源供电。由于2 路电源是备用电源,一旦维修质量欠佳,会导致相序错乱运行,即便有声光报警,列车也无法正常运行,造成不应有的损失。(2) 当电务部门相序错乱,切换装置发生故障时,水电部门输送的三相交流电相序正常,大家也相安无事;一旦水电部门输送的三相交流电相序错乱运行,后果不堪设想。2. 现有的部分电气兼容抑制技术2.1牵引供电系统中常用的电磁干扰抑制技术。任何电磁干扰的形成都要具备三个基本要素:干扰源、敏感源和辆合途径，称为电磁干扰形成三要素，缺一不可。 电磁干扰抑制技术的研究由此出发，即设法破坏或削弱其中一个或两个要家的影响。具体实施时要从原理的可行性、元器件的选择、加工生产工艺、安装运行环境等几个方面考虑.针对不同类型电磁千扰的本质，采取隔离、滤波、屏蔽、接地等不同的措施1）隔离 隔离是一种切断电磁干扰祸合途径的措施，就是将干扰源与敏感舔隔离开来，以切断或削弱它们之间的电磁稠合。隔离的原则和方法是:1)干扰线路和其它线路尽可能不要平行排列，如必须平行，导线间距与导线直径之比应不小于40。在可能情况下导线间距应尽徽大些，并且平行部分的长度越小越好。(2)敏感线路与一般线路若平行排列，其间距应大于50 mm。(3)电源线与信号线间应隔离，若必须平行排列时，其间距应大于50mm在牵引供电系统中，通常将微机保护装置中与外界相连的导线、电源线等经过光电隔离后再连人装置内部。2）滤波滤波主要用来抑制传导干扰的，利用滤波器实现。滤波器的种类很多，就其工作方式而言可以分为两种:一种是不让无用信号通过，并把它们反射回信号源;另一种是把无用信号在滤波器里消耗掉.在进行滤波器的选择或设计时，应根据干扰特性和系统要求，调查干扰的频率范围、估计干扰的大致量级、了解滤波器的使用环境条件(包括使用电压、负载电流、环境温度、湿度、振动和冲击强度等)。另外还需考虑滤波器在设备上的安装位置和允许的外形尺寸等因素。3）屏蔽屏蔽主要是用来阻隔来自空间电磁场的辐射干扰。用导电或导磁材料制成盒、壳、屏、板等，将敏感源的电磁能限制在一定空间范围内，使场的能量从屏蔽体的一面传到另一面时，受到很大衰减从而防止电磁干扰。屏蔽有电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽3种方法。4）接地 接地是指在系统的某个选定点与某个接地面之间建立导电的低电阻通路，把系统中电子元件的零电位互相连接起来，再把它们同时与某个等价于“地”的参考点连接起来。接地的主要目的是消除公共电路阻抗的祸合，也是为了保障人身和设备的安全。根据其具体目的分为:(1)信号接地，即通过把装置中的两点或多点接地点用低阻抗的导体连在一起，为内部微机电路提供一个电位基准;(2)功率接地，即将电源回路串入的以及低通模拟滤波回路藕合进的各种干扰信号滤除;(3)屏蔽接地，即将装置外壳以及电流、电压变换器的屏蔽层接地，以防止外部电磁场于扰以及输入回路串入的干扰;(4)安全接地，即将装置的外壳接地以保证人身安全。5）软硬件结合措施上述隔离、滤波、屏蔽、接地等电磁干扰抑制技术属于硬件措施，但不是所有的干扰都可以通过硬件措施得到完全解决。有时采用一些软硬件结合的措施不但可以弥补硬件抗千扰措施的不足，而且可使装置结构简化、成本降低。通常采用3种方式:软硬件结合的程序异常复位措施、关键输出口编码校核以及软硬件冗余技术。2.2 电气化铁道谐波抑制与无功补偿当前电铁谐波抑制的主要措施是在谐波源头加装LC 调谐滤波器、静止无功补偿器(SVC) 或是有源电力滤波装置(APF 或SVG) 。(1) 无源滤波器装置,即由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置。由于其结构简单、运行可靠、维护方便以及价格上的优势,得到了广泛的应用,但也有不少缺点: 有效材料消耗大,体积大; 滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调; 滤波效果不够理想,对系统运行状态较敏感; 系统频率特性变化时,在某些条件下可能和系统发生谐振或产生谐波放大,引发事故。(2) 静止无功补偿器虽然可以根据无功功率需求量自动进行补偿,适合抑制快速变化的畸变负荷(如电力机车) 所产生的电压波动和闪变,但是也必需注意它们自身所产生的谐波影响。(3) 有源滤波器虽然在滤波效果、无功补偿效果、抑制电压波动及设备体积等方面都有较大优势,但是其投入实用的最大障碍是设备的高价格。在电铁牵引变电所加装无源滤波器,不仅可以吸收谐波电流,而且也能提高功率因数和电压质量。采用无源滤波器+ 并联电抗器分组投切可改善牵引变电所平均功率因数,满足考核要求,减少容性无功倒送量。采用两牵引臂各一个真空开关控制并联电抗器投切、滤波器组始终保持接入的方式,控制简单,且不影响开关切换前后的谐波抑制问题。需要注意的是真空开关应在电流过零相位断开,以减少反电势对开关的影响2.3新型牵引变电所无功动态补偿装置郑州铁路局、武汉长江变压器厂及武汉水利电力大学共同研究开发的采用磁阀式可控电抗器MVCR（Magnitic Valve Controlled Reactor）的牵引变电所无功动态初偿装置，成功地解决了无功电量“反供正计”的苛酷条件下，采用固定电容器组补偿无法满足牵引变电所功率因数达标的问题。它不仅为牵引变电所的无功补偿开辟一条新路，而且给牵引变电运行带来了较好的经济效益。2.4 10kV电力系统谐振过电压的原因及抑制措施采用自动调谐接地补偿装置或可控硅多功能消谐装置，在电压互感器的中性点接消弧线圈，或接消谐器等。近年，部分10 kV配电所安装了自动调谐式接地补偿装置，装置自投入后运行稳定，对电网的自动跟踪补偿、报警和信号动作准确，取得了满意的效果。在线路故障发生时，有效避免了母线爬弧、避雷器爆炸、电压互感器保险熔断等异常现象。从实际应用情况看，自动调谐式接地补偿装置很好地跟踪补偿了系统的接地电流，有效防止了系统内过电压的危害，提高了系统的连续供电能力和运行可靠性，为保证铁路供电畅通和安全生产起到了重要作用。2.5 FBD 法在牵引供电系统中的应用FBD法是时域法中的一种，由德国学者SFryze提出，经过F. Buchholz和M. Dpenbrock等人的进一步研究，逐渐形成体系，所以被称为FBD法。该方法实时陕好，而且不局限于三相电路，但目前的研究大多仅限于理论分析，没有得到广泛应用。三相电路瞬时无功功率理论可以看作FBD 法的特例。提出了一种基于FBD 法的检测方法, 并将该方法应用于牵引变电所新型电能质量调节器。FBD 法可以检测出两相电路中谐波、无功与负序电流。2.6 IGBT逆变器在8K机车上的应用1针对8K电力机车的特点，从电磁于扰的传播途径和接受体两个方面采取措施，如控制电路滤波器，系统接地，屏蔽，驱动电路引线和主电路汇流排减少电感，还有逆变器的吸收电路等方面的电磁兼容性角度考虑，研制了50 kVA的IGBT逆变器，用于取代故障频繁的原机车上的GTO逆变器。所研制的IGBT逆变器自1996年10月开始装车运用，至今己装车100余台，运行状况良好。根据运用试验表明，50 kVA等级的IGBT逆变器的吸收电路只需进行部分器件的调试即可实现既定的工作目标。2.7 电力机车用110V大功率高频开关电源电磁兼容性经过电磁兼容性设计的电力机车用110 V高频开关电源，于2004年1月，在株洲国家变流技术工程研究中心电磁兼容性实验室，通过了TBIT1395-2003所规定的7项试验。这是国内首次对铁路电力机车大功率的开关电源进行系统性的电磁兼容性试验。结果表明，所进行的设计是有效的。装置进行系统性的电磁兼容性设计是关键所在，尤其是传导干扰预测性模型的建立，不但解决了令人困惑的电磁干扰问题，同时也减小了设计中的盲目性和局限性。通过对电力机车用110 V开关电源电磁兼容性试验，为今后电力机车电力电子设备的电磁兼容设计积累了经验，也为其他电子设备的电磁兼容性设什提供可以借鉴的依据。2.8 高速电气化铁路钢轨屏蔽高速电气化铁路由于列车速度快、牵引电流大,将使铁路沿线的通信设施受到较大的电磁影响。但由于高速电气化铁路采用重轨和长钢轨,将使钢轨的截面增大,钢轨的纵向阻抗减少。通过对日本高速电气化铁路的钢轨技术参数研究发现,新干线钢轨对地漏导,晴天时仅为0101001020 S/ km,而我国一般电气化铁路区段的钢轨对地漏导为0150011000 S/ km,如果我国高速电气化铁路在重轨、长钢轨的条件下,采用整体道床,在钢轨和轨枕间加装减振绝缘垫的话,那么钢轨对地漏导就会降低,这样钢轨的传播常数和屏蔽系数都会发生相应的变化。2.9 具有高对称效应的牵引变电所变压器。 要使国家国民经济的电力和电气化得到不断发展，就必须重视提高电能质量和保证公用和专用多相系统的电磁兼容性问题。标准文件规定了用电部门和供电部门对电能质量不好应负的物质贵任。对电能质量指标低劣采用罚款制裁的理由是，在这样的指标下，不仅220k V和110kV电力网的电能损失会达到全部传送的总电能的9.6%，而且会降低电力设备的使用寿命和破坏国民经济各部门的生产作业过程。因此，改善电能质量是交流电气化铁路供电的重要任务，因为在这些铁路上电能质量指标大大低于苏联国家标准13109一87的规定.这样，在牵引供电系统中，由于电能质量低.电能损失达到总用电量的5%一7%。降低电压和电流的不对称，是提高电能质量的重要方向之一。为此，莫斯科铁路运输工程学院与全苏铁路运输科学研究院共同研制成具有高对称效应的牵引变压器的全新接线图(图甲.a和)。第一种牵引变压器接线图(参见图甲.a)只用于25kV牵引网供电系统，第二种牵引变压器接线图(参见图2, )是通用的.它能根据绕组的接线图，使牵引变压器既能用于25kV（图乙. a)供电系统，也可用于2x25kV（图乙.)供电系统。图甲 (a)无分裂的高对称效应牵引变压器接线图()有分裂的高对称效应牵引变压器接线图图乙 采用带分裂绕组的高对称效应牵引变压器的25kV(a)和2 X25kV()牵引网供电图2.10 牵引变电所综合补偿实时检测控制方法。牵引负荷的谐波、负序和剧烈的随机波动性影响了实时检测的准确性。该方法在瞬时无功功率理论的基础上，利用小波变换所具有的时频分析的特性，较好地解决了牵引负荷瞬时信号提取的问题。针对牵引负荷谐波、负序和剧烈的随机波动性，结合牵引变电所运行数据，利用瞬时无功功率理论和小波变换方法实现了对牵引负荷电流信号的实时检测，并给出牵引变电所采用SVG实现综合补偿的实时检测控制模型。3.电磁兼容标准及其比较3.1. 电力机车对外电磁辐射测试标准与方法从1997年下半年到1998年底，国家环保总局在广播电视、通信、交通、电力、公安等部门的大力配合下，在全国进行了首次电磁辐射环境污染源调查，其中铁路被列为电磁污染的五大来源之一。调查表明，在一些电气化铁路沿线，居民收石电视受到了不同程度的影响，一些工业设施，甚至军事设施也曾受到干扰。尤其是近年来，随着铁路现代化技术的不断提高，电力机车上的电力电子设备所占比重越来越大，牵引功率也不断增大，由此产生的电磁污染已经成为电力机车设计、制造及运用中不可忽视的问题。目前，我国铁道牵引技术也正在从直流传动向交流传动转换，在交流传动电力机车上装有大功率的牵引变流装置，这些装置中的大功率半导体器件以较高的频率进行高电压、大电流的开关转换，电压和电流的变化率一般都比较大，由此势必会在牵引电流中产生谐波，如果电力机车的屏蔽、接地或滤波能力较差，就会对外产生电磁辐射污染。电力机车对环境的电磁污染引起了国内外环保界和机车车辆制造业的高度重视，为此制定了一系列的相关标准，并将电磁兼容性检验列为判定电力机车是否可以投入运用的重要项目之一。3.1.1 国内外相关标准 1）IEC 51133IEC 51133电力机车车辆和电传动热力机车车辆制成后投入使用前的试验方法第5.7节是有关机车的电磁干扰试验的，对于机车车辆对外部产生的电磁辐射测试问题，文章指出:机车有可能产生传导干扰，比如功率电路的谐波电流对轨道电路信号的影响;机车还有可能产生感应干扰，比如机车车辆上的感应回路对轨道旁通信或信号控制会产生一定的影响;测试应能够确认以上干扰是否符合购车合同中的规定;测试应在不同工况下进行，比如牵引、制动或不同的速度级下都应进行测试;如果购车合同中没有有关该电磁辐射的规定，那么该测试需与用户和制造商商议进行，或与类似车Tj进行比较评估。IEC 61133为该项试验提供了指导性意见及理论依据。日本动车组的整车检验规范中原本不动的将这些内容列在了他们整车投入运营前的试验项目中，我国也将按照这些条款对机车车辆进行电磁辐射试验。2）GB/T 15708 国标GB/T 15708交流电气化铁道电力机车行产生的无线电辐射干扰的测量方法的主要内容包括: 1测量仪器与天线 仪器和天线的技术指标符合GB 6113的有关规定。 2测试环境 天线距离轨道20 m，双线电气化铁路，天线距临近股道20 m。测量位置选择在正常营区间的地势平坦地段。远离建筑物、10 kV以下配电线路(接触网除外)，周围环境电磁噪声至少比被测对象的辐射场强最大值低12 dB。3测试数据 包括对记录设备的要求，对记录时间的要求和测量次数的要求。 4评估方法在图I规定的取样区间内，取80%时间的辐射场强作为这一次记录的样本值Ei。 判定公式： ， ， L是干扰场强的允许值其中K是取决于n的常数。K与n的关系见下表:n89101112131415K1.31.271.241.211.201.191.181.173 ）EN 547121EN 50121铁路设施电磁兼容性源自英国标准，该标准分以下6个具体部分:EN 50121-1 总则EN 50121整个铁路系统对外界的辐射EN 50121一3一1 铁道机车车辆整车及列车EN 50121一3一2铁道机车车辆部件、设备EN 50121一4信号设备和电信设备的辐射和抗干扰EN 50121一5地面供电设备的辐射和抗干扰其中，EN 50121一3一1的第6.3条款较为详细地阐述了对机车产生的对外辐射干扰的试验与评估方法，对测试地点、环境、评估容限都有明确的规定。1 测试地点测量地点附近应没有树、墙、桥、隧道或车辆等，测试仪器距铁路主干线的最小离30 m。 由于无法避开接触网架线杆，测试点应位于两架线杆之间、轨道的对面(若为双线，则应位于正在便用的轨道侧)。在测试点两侧，不能有接触网或第三轨中断，不能有变电站、变压器、分段绝缘器等;应避开包括地下电缆、变电站等供电线路;对于铁路主干线，在测试点20 km范围内不应有其他车辆作业，对于城铁或地铁，在2 km范围内不应有其他车辆作业。 如果以上条件得不到满足，则每一次测试前后都应记录环境噪声情况。2测试条件：测试应覆盖所有可能产生辐射干扰的车载系统;拖车应进行充电模式下的静态测试，辅助系统、充电器等处于工作状态;机车则应进行静态和慢速行驶两种工况下的测试，静态工况下辅助系统全功率工作，牵引变流器供电但不运行;慢速工况下应避免弓网拉弧或跳弓，干线机车推荐(5010)km/h,通过测量点时至少以最大牵引力的1乃施加牵引或制动。测试天线距离轨道中心距离为10 m，以峰值测量为结果时的评估方法如下：图中A,B,C三条线分别代表机车采用不同供电制式时的容限A=25kV a.c , B=15kV a.c.,3kV d.c. and 1.5kV a.c.C=750V a.c.and 600V a.c在不同带宽下侧试仪器的分辨率应满足下列要求:9 kHz一150 kHz:测量分辨率至少在200 Hz。150 kHz一30 MHz:测量分辨率至少在10 kHz。30 MHz一1 GHZ:测量分辨率至少在120 kHz。3.1.2 IEC 51133与EN 50121和国标15708的比较经过对上述标准的分析可以着出，IEC 51133的描述比较综合，只是概括性地提出了机车车辆在电磁辐射方面应达到的基本要求，但并没有提出具体的试验方法和评估指标，注重客户与制造商的意见以及购车合同中的相关规定。而EN 50121和国标15708则注重于测试的可操作性，并都提出了具体的评估方法。3.1.3 国标15708与EN 50121的比较1）在测试仪器上，国标有要求，因为它的评估方法需要相应的仪器配合。而EN 50121没有要求，显得灵活。2）在测试环境的描述上EN50121比较详细，并规定机车通过测试点时需要的试验工况，而国标没有这些详细的规定。3）在评估方法上，国标采用统计评价，需要一定的数学运算;而50121则根据不同的牵引供电制式提出了相应的容限评估图表，简单直观。另外，我国标准中没有给出评判指标L的具体值，寻找L值是个问题。随着科技的进步和人们对电磁危害认识的加深.国家在修建铁路的时候，应该根据铁路沿线环境、居民生活以及军事、工业设施的要求，建立电磁环境档案，对各线路区段所允许的最大电磁辐射容限值应做出详尽规定，从而保证机车车辆的运行不对其他领域的设施造成干扰或给人们生活带来不便。4）在测试和评估的可操作性上，EN 50121比GB/T 15708更详细和直观。3.2. GB/ Z17625. 4 2000国家质量技术监督局于2000年4月3日发布了国家标准化指导性技术文件GB/ Z17625. 4 2000电磁兼容限值中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估(idt IEC 10002326 :1996 ,以下简称电磁兼容技术文件) ,其中对多谐波源叠加情况进行了规定:配电系统任何点上实际的谐波电压(或电流) 是每个谐波源矢量相加的结果,并提出了2 种叠加法则。电磁兼容技术文件在相对于实际网络特性的发射限值计算过程中提出了同时系数概念。牵引变电所原边一般接入110 kV 或220 kV 电网,属于高压(HV) 负荷,牵引负荷之间同时系数属于高压系统畸变负荷之间的同时系数。4.2.1 电磁兼容技术文件相关内容简介1）叠加法则电磁兼容技术文件提出2 种叠加法则, 第1 种叠加法则是利用差异因数的简单线性法则, 第2 种叠加法则比第1 种更加通用。第一种叠加法则第一种叠加法则是一种使用差异系数khj的简单线性法则。 式中, Uh0为电网中h 次背景谐波电压; Uhj为第j 个负荷产生的h 次谐波电压。差异系数khj由以下条件决定:相关设备类型、谐波次数和相关设备额定容量与公共连接点短路容量之比。该叠加法则的特点是简便易用, 而第二种叠加法则更为通用。对于第2 种叠加法则，h次谐波合成电压幅值可用下式表示 (1)式中,Uh为所有谐波源发出的h 次谐波合成电压幅值。Uhi为要合成的用户i 发送的h 次谐波的电压幅值。为叠加法则指数,主要由以下2 个因素决定:实际值不超过计算值的概率选择值;每个谐波电压在量值和相角上随机变化的程度。电磁兼容技术文件规定, 对中压系统中负荷的发射限值进行第二级评估时要根据实际网络特性进行计算,对每一用户根据其设备在所连接的供电网络的总容量中所占的份额分配合适的规划水平, 并给出了评估方法。2）规划水平分配方法电气化铁道牵引负荷主要接入110 kV 电力系统,可以看作高压系统负荷。提出高压负荷的同时系数是考虑到不是所有高压系统中的畸变负荷都会同时使用,尤其对多个随机波动的高压系统畸变负荷需要考虑同时性问题。通常一个公共连接点上有25 个牵引负荷。由于牵引负荷具有随机波动性, 产生谐波最大值的时刻也是随机的, 那么多个牵引负荷之间的同时系数,关系到谐波发射限值的分配及牵引负荷是否满足谐波发射限值,因此,各个牵引负荷之间的同时系数是一个非常值得关注的问题。令为高压系统中第h 次谐波的规划水平,为高压系统中第i 个非线性设备第h 次谐波的发送限值。根据式( 1 ) 有 (2)由于用户协议容量通常与其承担的电力系统投资份额相一致,所以根据用户协议容量S i和用户接入系统的公共连接点处修正的网络总可用功率S t之比分配发送限值是合理的。假如每个用户的发送限值与它的协议容量S i成比例,则用户i 发送谐波电压的允许值为 (3)考虑高压系统负荷之间的同时系数FHV的影响,得到用户i 发送谐波电压的允许值为 (4)高压系统负荷同时系数FHV的典型值通常在0. 41. 0 之间。3）FHV估算方法电磁兼容技术文件中对于FHV并未给出详细的估算方法,但给出了中压系统负荷与低压系统负荷的同时系数FML的估算方法。FML值可以从负荷曲线中得到,它对应于MV 负荷峰值期的LV 负荷的总功率,用以LV 峰值负荷为基准的p. u 值表示。这个系数考虑在MV 和LV 畸变负荷产生的最大谐波之间不存在重叠。这是由于在MV 和LV 负荷之间的负荷曲线和负荷特性的差异所致。估算方法见下图20 ：00 时LV 峰值负荷为0. 6 p. u , 8 :00 时MV峰值负荷时LV 负荷取得的总功率为0. 3 p. u ,由此得到 （5）因此FHV的估算方法可以参照FML的估算方法进行。 （6）式中, S HVp为高压负荷Si以外的高压负荷所取得的总功率峰值; S HVi为高压负荷Si峰值时除高压负荷Si以外的高压负荷所取得的总功率。将式( 6 ) 应用于电气化铁道牵引变电所时, S HVp表示除第i 个牵引变电所以外同一公共连接点上其他所有牵引变电所取得的总功率峰值, S HVi表示第i 个牵引变电所取得峰值功率时同一公共连接点上其他所有牵引变电所取得的总功率。3.3. 对谐波国标的理解其目的是将电网各公共连接点（PCC）的电压总谐波畸变率THDU 和各次谐波电压含有率HRUh控制在规划范围内，以确保对电力用户的供电质量及电力系统的运行安全3.3.1 谐波限值制定谐波国标制定了各级公用电网谐波电压（相电压）限值，110 kV 电网限制标准下表所示。为限制非线性负荷对电网的谐波影响，谐波国标制定了各级公用电网公共连接点（PCC）谐波电流限值及用户谐波电流限值，它们由各次谐波电压限值导出，其制定原则是：（1）将PCC 的h 次谐波电压限值扣除上级电网传递下来的h 次谐波电压，得到本级电网谐波源产生的h 次谐波电压限值。计算时假设上级电网传递下来的谐波电压与本级电网谐波源产生的谐波电压的相角差为120。（2）根据PCC 的短路容量求得相应的电网等值基波阻抗，进一步求得h 次谐波阻抗，计算中假设谐波阻抗与基波阻抗成线性关系。（3）根据以上计算值，求得相应PCC 的各次谐波电流。考虑到3 次以及3 的奇倍数次谐波对电网及用户具有更大的危害性，对这些谐波电流值乘以0.6，由此构成相应PCC 的各次谐波电流限值。（4）按照PCC所有电力用户平等对待的原则，根据该点的供电设备容量以及各用户协议容量，分配各用户的谐波电流限值。以110 kV 电网为例，PCC 的谐波电压限值由上表给出，220 kV 向110 kV 电网传递的电压总谐波畸变率为0.8%，奇次谐波电压为0.6%，偶次谐波电压为0.3%。由此求得110 kV 电网谐波源产生的谐波电压限值如下表所示 （1）由式（1）可以求得110 kV 电网各公共连接点的各次谐波电流值Ih， （2） 对3 次以及3 的奇倍数次谐波电流乘以系数0.6，在基准短路容量750 MVA 下，由上表 和式（2）计算得到的110 kV 电网公共连接点213 次谐波电流限值如下表所示上表数值与谐波国标所给谐波电流限值吻合。如果PCC短路容量Sk1不等于750 MVA，则按式（3）修正谐波电流限值 Ih=Sk1Ihp/750 （3）式中，Sk1 为公共连接点最小短路容量，MVA；750为基准短路容量，MVA；Ihp 为谐波国标规定的谐波电流限值。由上可知，谐波电流标准不是独立的，它由谐波电压限值除以谐波阻抗得到，因此谐波电流与谐波电压在理论上存在对应关系。但由于对3次和3的奇倍数次谐波电流乘以系数0.6，加之系统谐波阻抗事实上的非线性，所以在实测中，谐波电流与谐波电压可能不完全对应。即谐波电流未超标可能不等同于该次谐波电压不超标，反之也是，这一点在谐波实际测量和评价时应予以足够的注意。公共连接点的第i 个用户的第h 次谐波电流允许值Ihi 为 （4）式中，Si 为第i 个用户的供电协议容量，MVA；St为公共连接点的供电设备容量，MVA；为相位迭加系数，由谐波国标给出。3.3.2 公共连接点谐波评价对电网公共连接点谐波评价的目的在于：（1）评价电网的供电电压质量。电网对用户的谐波影响以谐波电压源的形式出现，对于新的电力用户，在正式挂网运行之前，供用电双方必须进行电网供电电压质量的测试与评价，并作为重要的技术资料存档。（2）考核用户的用电质量。非线性负荷对电网的谐波影响多以谐波电流源的形式出现，必须确保谐波源向电网排放的谐波电流不致于造成公共连接点谐波电压超标。基于以上认识,考核供电电压质量,以110 kV电网为例，公共连接点的谐波电压应满足：a.电压总谐波畸变率THDU 测量值的95%概率大值不得超过2.0%；b.奇次和偶次谐波电压含有率HRUh 测量值的95%概率大值分别不得超过1.6%和0.8%。以上2 条标准相互独立，必须都得到满足。仅满足第1 条标准可能失去对某次谐波电压的监管；仅满足第2 条标准不足以保证电压总谐波畸变率达标。例如不计偶次谐波，当各奇次谐波电压含有率达到1.6%时，仅取3，5 次谐波，就可以使电压总谐波畸变率达到2.26%，取到11 次谐波，电压总谐波畸变率达到3.57%。同样，以110 kV 电网为例，在公共连接点考核用电质量，谐波限制标准：a.注入公共连接点的各次谐波电流不得超过谐波国标所给限值；b.公共连接点电压总谐波畸变率THDU测量值的95%概率大值不得超过2.0%。以上2 条标准也必须都得到满足，其理由与谐波电压标准是一致的。PCC 各次谐波电流未超标只能在理论上保证各次谐波电压不超标，并不能保证电压总谐波畸变率不超标。34 电气化铁道电磁蝠射国标与IEC标准比较IEC标准即指IEC62236一2。该标准规定的电气化铁道无线电于扰测量方法如下:以每次过车峰值检波最大值为该次过车的代表值(30 MHz天线垂直极化)。每个频点进行多次侧量(未规定测量次数)。由该频点多次测量的均值和方差求出其置信度为80%的80%过车不超过值。将这些80%过车不超过值连接起来，即可求出实测曲线。考虑到实际线路和运营中各种复杂条件会使电磁辐射产生偏差，在实测曲线的基础上加上一定裕量即得出于扰限值曲线。该限值与我国实测数据相差多少呢?由于我国标准(GB/T15708一1995交流电气化铁道机车运行产生的无线电干扰侧量方法)规定的测量方法是采用准峰值检波，以每次过车取样区间80%不超过值为该次测试代表值(30 MHz天线水平极化)，由多个频点每频点多次过车代表值回归出实测曲线。因此，不能直接比较两者的大小。要比较IEC标准中限值和我国实测数据的大小，必须得出两种测量方法的转换关系。有人通过对我国电气化铁路无线电干扰测量方法和测量结果与IEC标准测量方法和测量结果之间关系的研究4，得出以下结论: 通过同步测量和数理统计分析，我国测量方法和IEC标准测量方法转换系数(欧洲标准测量方法结果一我国测量方法结果)最终统计结果的均值为31.3dB (30-1000MHz)、-27.3dB(0.15-30MHz)和-23.5dB(9-15OKHz)。 同步试验中有37次过车数据直接采用IEC标准规定的方法进行测量，并采用IEC标准规定方法进行了数据处理。数据处理后的结果没有超过IEC标准限值，与限值分别相差16-21dB (30-1000MHz)、15-26dB(0.15-30MHz)和23-24dB(9-150KHz)。这是我国第一次完整采用IEC标准通过现场测徽和处理得出的全频段电气化铁路无线电千扰数据，具有重要意义。 同步试验结果和我国以往普速、准高速多次电气化铁路无线电干扰测量结果转换后值均未超过IEC标准限值，说明我国电气化铁路作为一种工业产品，其对外部的电磁辐射完全满足IEC权威电磁兼容(EMC)标准的要求。 无论同步试验中直接采用IEC标准规定的测量方法和数据处理方法得出的数据，还是我国以往试验结果转换后的数据，与IEC标准限值相比，裕量是充足的。这说明IEC标准限值是较宽松的，我国电气化铁路无线电千扰采用IEC标准限值是可行的。