朔黃線牽引供電諧波對通信、信號設備的干擾及治理方法探討

于國旺

（神華朔黃鐵路發展有限責任公司，河北省肅寧縣，062350）

朔黃線作為國家繼大秦鐵路之后的第二條西煤東運的大通道，使用電力牽引是滿足重載鐵路運輸任務和環境保護要求的首選，但不論哪種型號的電力機車，都會使用大功率的換流裝置，諧波的產生是一個不可回避的問題。朔黃線的貫通、自閉10 kV 電源，一路從牽引27.5kV 母線降壓至10kV獲得，另一路取自地方10kV 電源，肅北地區的兩路10kV 電源均通過110kV 電源降壓后直接獲得，但110kV 進線電源與牽引進線電源并接。與牽引網電源有關聯的10kV 電力電源均受到了牽引網諧波的干擾。隨著運量的不斷提升，電力機車上線運行的數量不斷增加，諧波含量也不斷加大，電能質量下降問題越來越突出，對通信、信號設備產生了不小的干擾，比如，肅北通信樓機房開關電源頻繁上報 “交流輸入電壓超限報警”；信號樓區間電源屏多次出現 “穩壓模塊保險熔斷”；鐵路沿線使用的自閉線路因電源電壓的大幅波動 （超過25%，電源電壓瞬間低于165V）、閃變造成信號電源自動倒路等，都不同程度地對運輸產生了一定的影響。本文通過分析通信、信號設備故障現象與牽引網諧波之間的聯系，找出特征諧波對電氣參數的影響并制定相應的對策加以制止，以滿足運輸生產的需要。

1 通信、信號設備的故障現象及電能質量監測結果

1.1 肅北站通信電源屏故障報警

1.1.1 故障現象

2013年7月26日，通信電源AC 相高壓瞬間報警，作業組用數字萬用表測試，電壓值正常。

2013年7月27日，供電部門使用數字萬用表測試，結果顯示電壓值正常。通信工程師與供電工程師測試結果相同，遂通知電源屏生產廠家共同判斷，初步定性為通信電源屏的電能質量監測部件出現故障。

2013年7月30日，通信電源柜廠家對監測板進行了更換，在觀察新板運行狀況過程中，高壓報警又頻繁發出，經過分析懷疑電能質量有問題。

1.1.2 電源質量測試

2013年7月30日，通過對肅寧北站通信電源電壓質量進行測試，發現通信主用電源波形嚴重失真，諧波含量較高。通過與洛陽電源屏廠家對神池南站信號引入電源測試波形分析的比對看，肅寧北站的電源失真度更為嚴重，神池南站信號引入的電源失真度在14%～17% （標準是不大于5%），波形如圖1～圖4所示。

通過監測發現，肅寧北站AC相出現的高壓是由于外電網造成，捕捉到的高壓值瞬間達到709V，如圖5所示。

1.1.3 處理措施

2013年7月31日，通信電源屏供電電源倒接至備用2路試驗，通過觀察試驗未發生高壓報警。與供電部門聯系，2013年8月13日，利用天窗點再次對主用1路電源質量進行測試，如圖5所示。波形相對正常，在合格范圍內，天窗點測試的波形如圖6所示。

圖1 肅寧北站通信主用三相電源波形圖

圖2 肅寧北站通信主用三相電源諧波圖

圖3 洛陽電源屏廠家測試的神池南站的單相電源波形圖

1.2 肅北站信號樓區間電源屏故障

1.2.1 故障現象

2013年8月18日，肅寧北站舊信號樓區間電源屏報警，穩壓模塊保險熔斷。查看設備記錄，在7月29號也發生過穩壓模塊保險熔斷。

圖4 洛陽電源屏廠家測試的神池南站的諧波圖

圖5 肅寧北站通信電源屏電壓質量監視圖

圖6 肅寧北站通信電源屏主用1路電源天窗點波形圖

1.2.2 電源電壓質量測試

經過測試，電壓波形及諧波同通信樓一樣。

1.2.3 初步判斷

通過調查發現，通信的主用1路電源由肅北變電所334開關供電，舊信號樓1路、由肅北變電所338供電，三處設備電源雖然供電開關編號不一致，但334、338 開關由同一臺動力變壓器供電，電壓波形一致也就順理成章。

切換至不與牽引變壓器并聯使用110kV 電源的備用2路電源，情況明顯好轉，且電源電壓波形圖與天窗點 （圖6）基本一致。

1.3 肅寧北更新改造的區間電源屏故障

2013年10 月20 號，肅寧北對更新改造區間電源屏借用空調電源進行上電調試，通電后多個軌道模塊出現保護狀態，電源無輸出。

通過用示波器監測空調電源，發現空調電源瞬間B相電壓較低，峰值160V 左右，有效值120V左右，A、C相電壓較高，相電壓峰值達到430V，有效值310V 左右，諧波含量較高，如圖7所示。

圖7 肅寧北站信號樓空調電源電壓波形圖

通過對信號1、2路電源的比對測試，1 路電源與空調電源波形一致，如圖8所示。

圖8 肅寧北站信號1路電源電壓波形圖

肅寧北站信號樓2路電源波形如圖9所示。

通過與廠家共同分析，出現模塊保護的主要因是外電網引入的電源的質量問題導致。

圖9 肅寧北站信號2路電源電壓波形圖

出現波形異常的原因，經過與供電詢問，空調電源使用的是站饋4，信號1 路使用的是站饋8，信號2路使用的是站饋3 （由肅寧北變電所1號動力變供電），當時肅寧北變電所內牽引變壓器是2號變向牽引網供電，與供給站饋4、站饋8的2號動力變共用110kV 進線電源。確定出現波形異常的電源主要來自與2號動力變供電的系統。

1.4 其他車站信號電源屏故障

為了驗證諧波的影響，對沿線車站自閉電源使用情況進行調查發現。

2013年6月6日，滄州西站微機監測報警窗口頻繁出現 “三相電源錯序Ⅰ路錯序”報警提示，如圖10所示。

圖10 滄州西站信號電源監測提示窗

“三相電源錯序Ⅰ路錯序”發生無規律性，發生周期不定，每次從發生到恢復的時間有長有短，長則超過3min，短則10s左右。且區間電源屏由Ⅰ路電源主供時，多次出現自動由Ⅰ路電源倒至Ⅱ路電源供電的現象。經查看Ⅰ、Ⅱ路電源質量監測曲線，無論是相電壓、線電壓還是相位角，Ⅰ路電源波動都較大，特別是相位角的波動已超出了微機監測設置的上下限，造成微機監測頻繁出現報警提示。同時區間電源屏由Ⅰ路電源供電時會自動切換到Ⅱ路電源供電，也極有可能是因為區間電源屏相序盒監測到輸入電源波動較大造成的。相反，Ⅱ路電源的各種參數曲線均較平滑，無劇烈波動，供電質量遠高于Ⅰ路電源。如圖11、圖12、圖13、圖14所示。

圖11 1路電源相電壓波形

圖12 2路電源相電壓波形

圖13 1路電源相位波形

2013年10月19日07：01分，蠡縣車站信號電源報警，經檢查確認區間、站內電源屏1、2路電源正常，站內電源屏故障燈亮紅燈，DHXDSD1-2模塊 （直流轉轍機電源2）、DHXD-SH1-1模塊 （穩壓備用電源的備用模塊）和DHXDSH1-3 （聯鎖電源備用模塊）的面板保護指示燈均亮黃燈，模塊保護無輸出，由于都是備用，未發生設備影響，以上現象持續幾分鐘后恢復，7：01至8：00期間出現三次。通過與供電詢問，出現問題的信號1路是由肅北311供電，311是由2號動力變供電，牽引變壓器是2號變向牽引網供電，通過分析導致智能屏3個模塊出現過壓保護的主要原因是由于肅北電網質量問題導致，10月19日利用天窗時間對區間電源屏和智能電源屏進行I路轉換至II路使用，進行觀察，未發現問題。天窗結束后，問題重復出現，原因是II路由安國變電所貫通線供電，貫通電源來自安國變電所27.5kV 母線降壓至10kV 獲得，同樣受到干擾。改用安國自閉線向蠡縣車站信號供電，故障消除，蠡縣自閉電源直接取自地方10kV 電源線。

圖14 2路電源相位波形

2 諧波干擾來源分析

2.1 諧波與非諧波

在電力系統諧波問題中，要特別強調諧波的次數n為正整數。實際上在電力系統中有時也存在一些頻率不是基波頻率整倍數的正弦分量。為區別起見，稱這些正弦分量為非諧波或稱為分數諧波。

2.2 諧波產生原因

在供電系統中波形畸變問題主要由兩大因素所造成。

（1）大功率換流設備和調壓裝置等的廣泛應用。大量家用電器如：電視機、電磁爐、變頻空調和調光燈等普遍采用晶閘管以及各種非線性負荷的增加導致波形畸變。

（2）設備設計思想的改變。過去傾向于采用在額定情況以下工作或余量較大的設計。現在為了競爭，對電工設備傾向于采用在臨界情況下的設計。例如有些設計者為節省材料使磁性材料工作在磁化曲線的深飽和區段，在此區段內運行會導致激磁電流波形嚴重畸變。

由此可見，非線性負荷接至供電系統，以及供電系統本身存在非線性元件，是造成電力網電壓波形畸變的根本原因。

2.3 諧波源分析

2.3.1 發電源質量不高產生諧波

發電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致，造成發電源多少也會產生一些諧波，但一般來說相對很少。

2.3.2 輸配電系統產生諧波

輸配電系統中主要是電力變壓器產生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設計變壓器時考慮經濟性，其工作磁密度選擇在磁化曲線的近飽和區段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結構形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達額定電流0.5%。

2.3.3 用電設備產生的諧波

晶閘管整流設備。由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了越來越廣泛的應用，給電網造成了大量的諧波。我們知道，晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網吸收的是缺角的正弦波，從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波，從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負載時則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達基波的30%；接容性負載時則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5 次及以上奇次諧波電流；如果是12脈沖整流器，也還有11 次及以上奇次諧波電流。經統計表明：由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。

3 諧波治理對策

3.1 諧波治理基本思路

3.1.1 優先采用諧波含量符合標準的電源

按照 “TB／10008-2006 鐵路電力設計規范”電源及供電系統規定： “鐵路供配電系統的電源，應優先采用公共電網可靠電源。在電氣化區段，技術經濟合理時可與牽引變電站共用電源或接觸網供電作為備用電源”的原則。

作為用戶，如果有條件，貫通、自閉電源應直接從電能質量較高的地方10kV 電源引入兩路獨立電源，或者通過更高等級的電源降壓獲得。鑒于27.5kV 母線降壓至10kV 電源存在的諧波含量高、網壓波動大的問題，盡量避免使用。

3.1.2 僅對重要敏感的設備進行諧波治理

受電源條件限制，根據朔黃線AT 改造設計的主接線方式，即使采用110kV 降壓獲得自閉、貫通的10kV 電源，也不可避免的要和牽引電源共用一條進線，諧波的存在不可避免。所以，為了避免諧波對通信、信號設備的干擾，諧波治理應遵守效益最大化的原則。并非所有用電設備都對諧波特別敏感，如果供電部門進行綜合治理，勢必投入設備的容量會很大。如果只對通信、信號乃至特殊用戶的設備進行前端諧波治理，則需要的容量就會很小，經濟效益明顯，所以，誰敏感、誰加治理設備的方式更好。

3.2 諧波治理的方法

3.2.1 采用無源濾波裝置

無源濾波器主要由濾波電容器，濾波電抗器等適當組合成LC 濾波裝置，濾波器除起濾波作用外，還兼作無功補償作用。這種濾波器最早出現，具有結構簡單，投資少，運行可靠性高，應用較為廣泛。但也存在一些問題，如當系統結構或參數發生變化或濾波器本身參數變化時，濾波器可能產生諧波放大，而且這種濾波器對電壓波動負序等不能綜合治理。

3.2.2 采用有源濾波裝置

隨著大功率電力電子器件技術的突破與發展，ABB公司推出了采用脈沖寬度調制 （PWM）技術構成的有源諧波濾波器，如：“有源動態濾波器PQFM，可以實現濾除2～50次諧波和無功功率補償的目的”。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等極性相反的補償電流，從而使電網電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行很好的補償，且補償特性不會改變，阻抗特性不會受到影響。當電網結構發生變化時，裝置本身不存在諧振問題，其補償諧波的性能不變，同時還能抑制串、并聯諧振，因而受到了廣泛的重視，并且已獲得應用。

3.2.3 采用交直交電源供電

為了解決信號供電因諧波含量較高，影響信號供電的問題，將380V 電源側改為交-直-交的供電方式，這種供電方式在西歐一些國家已經有了十年的運行時間，其效果較好。

4 針對朔黃線的改進措施

通過對以上3種常見的諧波治理方法的分析可以看出，這3種方法各有優缺點。根據朔黃線負荷特性要想從根本上治理牽引供電的諧波污染，在對諧波較敏感的設備處采用有源濾波器相對效果較好。當有源濾波器從電網中檢測到諧波電流時，補償裝置會產生一個與電網諧波電流大小相等但極性相反的電流，以此抵消諧波污染目的。其優勢顯而易見：能補償各次諧波；濾波特性不受系統阻抗等的影響，不會與系統發生諧振；具有良好的自適應功能，能跟蹤補償變化著的諧波，具有可控性和快速響應性，該特點對于朔黃鐵路牽引負荷不斷變化來說顯得尤為適合。

但是有源濾波器本身價格較高，加之牽引電網容量很大，使得補償裝置造價更高。筆者認為采用有源濾波與無源濾波結合組成混合補償器的方案比較合理。可以利用無源濾波器來消除電流中含量較高的諧波，同時采用有源濾波器來消除無源濾波器沒有過濾掉的電流諧波。這樣既充分發揮無源濾波器結構簡單、易實現、成本低的優勢，又利用了有源濾波器補償性能好的優點，克服了單純采用大容量有源濾波器成本高的缺點。混合補償使得在工程總造價較低的基礎上使整個裝置獲得優良的性能，技術經濟指標合理。

5 結論

諧波在目前的電力能源供給方式中是不可避免的。隨著經濟社會發展，各行業對電力能源依賴度的提高，諧波不僅僅單純來自工業用電，為了節能和電氣運行平穩性的要求，家用電氣設備也越來越多的使用整流和變頻技術，如節能燈、電磁爐、變頻洗衣機、空調、電視及微波爐等，干擾源來自用戶，用戶與用戶之間互相干擾，在供電方集中治理已不太可能。除非將傳統的輸電方式改為直流輸電方式，用戶可根據自己使用的頻率來逆變，也就是“交直交”模式，否則諧波將在用戶間互相干擾。諧波的治理要本著區別對待，減少用戶的投入，使用戶獲得最大收益為原則。對于諧波的治理不能遵循一成不變的原則，而一定要濾波。如何把諧波的污染降到最低程度，又不要花太多的錢，是值得同行們一起探討和研究的問題。

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