電氣化鐵路車網電氣匹配問題

李 強

0 引言

國內電氣化鐵路多年來一直使用交直傳動型電力機車，國產韶山系列電力機車全部采用交直傳動系統。隨著我國鐵路第六次大提速的實施、高速鐵路建設步伐的加快和重載運輸的迅速發展，這一狀況有了極大的改觀。通過引進技術消化吸收再創新，在高速客運領域，從2007 年開始，CRH 系列4 型動車組先后投入運用；在重載貨運領域，HXD系列3 型大功率電力機車陸續投入運用。CRH 系列動車組和HXD系列大功率電力機車全部采用交直交傳動系統。

新型電力機車和動車組的運用，也帶來了一些新問題。由于交直交傳動系統目前普遍采用脈寬調制（PWM）技術，控制系統要比傳統交直傳動系統復雜，相對而言，控制策略和控制參數對外部電源條件更為敏感。由于牽引供電系統與電力機車或動車組電氣上緊密耦合，在電路上是一個整體，電能傳遞過程是連續的、密不可分的。一旦機車車輛與外部供電網的參數匹配不合適，容易引發車網匹配問題。最近幾年國內的電氣化鐵道出現的高次諧波諧振、網壓振蕩牽引封鎖等問題，在CRH 系列動車組和HXD系列大功率電力機車上均有發生。本文對這2 類車網電氣匹配問題，結合實際案例，進行分析，探討其發生機理，并給出治理對策。

1 交直交傳動系統

交直交電力機車及動車組主電路原理如圖1所示。25 kV 接觸網電壓經車載牽引變壓器降壓后，由二次側牽引繞組給四象限PWM 脈沖整流器供電，脈沖整流器把交流變換成直流，然后經輸出電壓和頻率均可控的逆變器變換成三相交流，供給牽引電機—三相異步電機，驅動車輛行駛。再生制動時則能量流動方向相反，牽引電機作為發電機運行，發出的三相交流電被逆變器整流成直流，再被脈沖整流器逆變成單相交流，反饋給接觸網。整流器、中間直流環節和逆變器構成了牽引變流器，牽引變流器、牽引電機和控制系統構成了整個交直交傳動系統。

交直交傳動電力機車及動車組在運行中，靠逆變器輸出電壓幅值和頻率均可變的三相電壓，對牽引電機進行速度和轉矩調整，同時要盡量保持中間直流環節電壓的穩定，通過控制四象限PWM 脈沖整流器，根據能量流動方向，通過脈寬調制技術和多重化技術，使電力機車或動車組從接觸網吸取的電流與網壓同相或反相，并盡量削減網側電流諧波含量。理想的交直交傳動電力機車或動車組牽引時功率因數為1，再生制動時為-1，并且電流不含諧波成分。實際的機車車輛，功率因數一般能達到0.97 以上，電流綜合畸變率在5%以下，通常僅在整流管開關頻率附近存在一些可測諧波。

圖1 交直交傳動機車（動車組）主電路示意圖

2 高次諧波諧振

2.1 高次諧波諧振案例

自交直交電力機車和動車組在國內投入運用以來，引發的牽引供電系統高次諧波諧振案例已有數起，如，2007 年7—8 月間京哈線薊縣南變電所供電區段，2008 年8 月京津城際鐵路武清變電所至永樂分區所（ATS3）區間，2009 年4 月合武客專長安集變電所至合肥西區間，2010 年3—5 月間合武客專麻武聯絡線彭崗變電所供電區段等。現對京哈線諧振案例進行分析。

2007 年4 月國內鐵路實施第六次大提速后，京哈線開始開行動車組，7—8 月間京哈線北京——秦皇島間增開CRH2重聯動車組，以滿足暑期旅游需要，薊縣南變電所供電區段開始頻繁出現CRH2動車組引發的牽引網高次諧波諧振。這是國內首例交直交動車組引發的牽引供電系統高次諧波諧振案例。

具體案情：7 月13 日燕郊至大廠間上行線路接觸網避雷器爆炸1 臺，造成D502 動車組停車；7 月15 日D502 動車組燕郊至大廠間上行線路接觸網相鄰位置避雷器又爆炸1 臺；7 月29 日燕郊分區所下行F 線供電線所外上網點管型避雷器動作，火花間隙擊穿，斷路器跳閘并重合失敗；8 月10日燕郊分區所所內上行T 線進線桿上避雷器爆炸。

現場值班員發現這些事故伴隨有母線電壓異常波動，電壓表指針與正常值偏離較大，同時主變壓器、自耦變壓器、自用電變壓器的噪音顯著增強，甚至發出刺耳嘯叫聲。進一步調查發現，在電壓異常時，變電所供電區段范圍內均有CRH2動車組運行，通常無其他類型電力機車，且電壓異常時饋線電流一般不大。

2.2 高次諧波諧振測試波形

圖2 顯示了2007 年8 月在薊縣南變電所實測到的某次動車組通過時，引起牽引供電系統高次諧波諧振，從而導致55 kV 母線電壓從正常的50 kV升高到60 kV 的情況。圖3 為諧振時實測電壓波形，圖4 為其頻譜圖。

2007 年8 月測試結果表明，薊縣南變電所2個供電臂均可能由CRH2動車組引發諧振，諧振頻率一般在17～23 次間，并不固定。

圖2 京哈線薊縣南變電所諧振母線電壓有效值升高圖

圖3 實測諧振母線電壓波形圖

圖4 諧振母線電壓頻譜圖

2.3 高次諧波諧振原因分析

電氣化鐵道牽引供電系統是一個特殊的高壓輸配電網絡。電力系統阻抗和變壓器阻抗呈現電感性質，而接觸網則具有分布電容，因此牽引網存在由電感和電容決定的一個固有諧振頻率，由于電力系統運行方式可能會調整，該諧振頻率很難預測，并且不是一個固定值。交直交動車組和電力機車，網側采用脈寬調制整流電路，網側電流諧波含量小但諧波頻譜較寬。在不恰當的電氣匹配條件下，牽引供電系統與動車組容易發生800～2 000 Hz 的高次諧波諧振。國內大量使用的韶山（SS）系列電力機車，采用二極管或晶閘管單相整流，盡管網側電流畸變嚴重，諧波含量大，但主要集中在3 次、5次、7 次、9 次等低次諧波，15 次以上諧波含量很小，反而不易引起諧振，國內電氣化鐵道近50 年的運行實際證明了這一點。

牽引網的高次諧波諧振會引起諧波電流放大和諧振過電壓，實際發生的案例表明，牽引網諧振過電壓峰值甚至可達60～70 kV，嚴重影響動車組和牽引供電設備的安全運行。

3 網壓振蕩牽引封鎖

3.1 網壓振蕩牽引封鎖案例

2007 年12 月26 日，太原鐵路局湖東機務段和湖東一場、二場出現接觸網網壓振蕩，HXD1 型機車牽引封鎖無法運行情況，特別是2008 年1 月2 日全天發生牽引封鎖13 次，機車無法正常出入庫，嚴重干擾了運輸秩序。

2010 年5—6 月間在北京西站區段，2010 年9月在青島動車所，出現CRH5動車組引起接觸網網壓振蕩牽引封鎖現象，多次導致線路上運行的動車組停車或車站停靠的動車組無法按時發車。

3.2 網壓振蕩牽引封鎖測試波形

圖5 和圖6 為2008 年1 月在湖東變電所測到的網壓振蕩時，所內T 座母線電壓和265 饋線T線電流波形及有效值。母線電壓波動范圍52.2～57.4 kV，饋線T 線電流波動范圍135～873 A。

圖5 網壓振蕩時湖東變電所T 座母線電壓波形及有效值圖

圖6 網壓振蕩時湖東變電所相關饋線電流波形及有效值圖

圖7 為2010 年9 月在青島動車所測到的7 組CRH5動車組升弓上電司機推牽引時發生牽引封鎖的動車組上測到的網壓、網流和中間直流環節電壓波形。圖8 為該時對應變電所測得的母線電壓和饋線電流波形圖。

圖7 7組動車組上電網壓振蕩牽引封鎖時車上測試波形圖

圖8 滄口變電所相關母線電壓饋線電流波形圖

3.3 網壓振蕩牽引封鎖原因分析

分析網壓振蕩時車上和車下（變電所）測試結果，從電壓電流波形可以看出，網壓升高發生在電流相位超前電壓的周波，網壓降低發生在電流相位滯后電壓的周波。由于從電源到機車負荷，存在電力系統、變壓器和牽引網的阻抗，電流的波動必然引起網壓的波動。詳細計算表明，網壓振蕩實際上是由電流波動及電流相位變化造成的，而電流的波動及相位變化，則是由動車組自身牽引傳動系統及其控制策略決定的。當電源阻抗相對較大時，不恰當的控制策略就會引起控制回路的失穩。同時升弓上電的電力機車或動車組達到一定數目時，就會導致網壓振蕩。振蕩幅度過大時，電力機車或動車組就發生牽引封鎖現象。

湖東機務段和青島動車所2 個案例的實測表明，同時升弓上電的HXD1 電力機車或CRH5動車組數達到7 臺或7 組時，就會引發網壓振蕩，進而牽引封鎖。這一臨界條件實際上與供電系統容量、等值電源阻抗大小和交直交傳動系統總功率有關。

4 車網電氣匹配技術對策

由于車網電氣匹配問題涉及車和網2 個方面，其治理技術對策一般也可從車、網兩方面著手。

4.1 高次諧波諧振

諧波的源是車，如果能改善或調整動車組或電力機車的電流頻譜特性，使其高次諧波含量減少，或使其諧波頻譜避開所運行線路牽引網的諧振頻率，則可從根源上消除諧振現象。

在牽引供電系統治理諧振，就要設法改變牽引網諧振頻率，通常可在供電臂末端分區所安裝二階阻尼濾波裝置。京哈線薊縣南供電區段諧振治理時，在兩供電臂末端（燕郊分區所和韓家林分區所）分別安裝了阻尼濾波裝置，2008 年7 月投運后，該區段沒有發生過諧振事故。

4.2 網壓振蕩

根據外部電源條件，通過調整交直交傳動系統的控制策略，避免中間直流環節電壓的波動，改善其空載下的取流特性，從而可從根源上避免網壓振蕩牽引封鎖事故的發生。2008 年1 月在湖東機務段所進行的HXD1 電力機車控制調整，證明該解決思路十分有效，不需增加硬件投資。

理論上講，增大牽引供電容量，減小等值電源阻抗，可以緩解網壓振蕩現象。如果在變電所增設穩壓裝置，提供一個電流波動的能量緩沖環節，使波動的網流不至引起網壓波動，也可以有效抑制這一現象。但這種地面解決方案，或者投資太大，或者技術難度高，并不適宜在實際線路中采用。

5 結論

交直交電力機車及動車組投運以來出現的牽引供電系統高次諧波諧振以及網壓振蕩牽引封鎖現象，都屬車網電氣匹配問題。高次諧波諧振是由于電力機車或動車組的網流諧波頻譜與牽引網固有諧振頻率重疊造成的。網壓振蕩牽引封鎖是因為電力機車或動車組牽引傳動控制策略與外部供電系統電源條件不匹配引起的。解決這類車網電氣匹配問題，理論上可從車、網兩方面著手，調整某一方的電氣特性，破壞引發匹配問題的觸發條件即可。選擇最佳解決方案，以整體最小的投入，確保電氣化鐵路牽引供電系統和電力機車、動車組的運行安全。

[1] 連級三.電力牽引控制系統[M].北京：中國鐵道出版社，1994.

[2] 北京鐵路局，北京交通大學，中鐵電氣化勘測設計研究院，中國鐵道科學研究院.京哈線薊縣南牽引變電所供電區段電壓異常測試分析與治理方案研究（研究報告），2007.

[3] 北京交通大學.彭崗變電所主變牽引側過電壓跳閘測試分析（研究報告），2010.

[4] 中國鐵道科學研究院，太原鐵路局，北京交通大學，株洲電力機車研究所.大秦線HXD1 型機車車網匹配關系測試報告（研究報告），2008.

[5] 北京交通大學.CRH5 動車組網壓振蕩牽引丟失測試分析報告（研究報告），2010.