王崗牽引變電所諧波缺陷整治淺析

邵激楊

摘 要：通過對王崗牽引變電所因諧波引起故障情況的分析，集中力量開展基礎研究、測試、分析，進行了模擬試驗和整治攻關活動，依托現場情況和相關標準規程的要求，從技術和管理兩方面對王崗牽引變電所諧波進行整治。

關鍵詞：高次諧波 在線監測 低頻諧振電壓

中圖分類號：TM922.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（b）-0061-01

隨著牽引供電系統內交流電力機車的廣泛應用，非線性負荷不斷增加，牽引供電系統中的諧波含量不斷上升，諧波污染對供電系統安全、穩定、經濟運行構成潛在威脅，給電氣環境造成較大影響，因此，在保證牽引供電系統安全可靠運行的前提下，優化機車運行數量、配置有效的技術手段及防范措施，以改善牽引供電系統供電質量。

1 故障概況

2011年10月22日16：20哈爾濱南站至五家站間接觸網臨時停電。原因為王崗牽引變電所電容1補償報警，王崗牽引變電所221、212、215、101、201、211、214、222斷路器相繼跳閘。根據變電所保護動作情況及電容器出現的鼓包現象初步分析，引起變電所總保護動作致使全所跳閘的原因可能是牽引負荷產生的高次諧波影響造成。

2011年11月30日19：40至20：15分，王崗變電所牽引供電范圍內運用的8臺SS9型電力機車RC支路共計18個電阻燒損，導致多次旅客列車晚點。

2 并聯電容補償裝置故障情況檢查

牽引變電所內采用并聯電容補償裝置，采用并聯電容無功補償裝置是對變電所技術指標和經濟性能起到一個綜合的作用，補償系統無功，提高系統功率因數，構成有效的濾波通路，同時有效的降低牽引變壓器功率損失和網損，提高牽引變壓器的容量利用率。組合后額定總電容量：8.89 uF，單只電容額定總電容量：17.78 uF、額定電壓：27.5 kV、額定電流：87.3 A。

故障電容器測試電容量為0.0015 uF，通過對故障電容器進行拆解，采集介質絕緣油樣，顏色呈黑灰色，含有雜質，絕緣油放出過程中間位置采取樣品進行電氣試驗，耐壓試驗電壓升10～12 kV電壓等級絕緣介質擊穿，電氣指標不合格，僅能滿足額定電壓耐壓（9928 V）水平。

將電容器解體，檢查整組電容器外觀，電容板由上至下第42～44塊單獨的電容板兩側出現擊穿現象，主要擊穿電容板為第43塊，擊穿造成極板兩側絕緣介質破裂，兩側破裂寬度分別為15 cm和10 cm，外殼內部相對應位置金屬外殼有3點電弧灼燒痕跡。

3 引發故障原因分析

3.1 運行電壓原因

正常運行情況下，此種電容器在所有氣候條件下都使用，電容器的外殼溫度不得超過60 ℃，運行電壓不應該高出額定電壓的10%，運行電壓過高，將減少電容器的使用壽命，電容器內介質的損耗與電壓的平方成正比，運行電壓升高，電容器的介質損耗將增大，電容器溫度上升，造成絕緣下降，導致擊穿損壞。

3.2 高次諧波及過流原因

牽引網中的HXD3B、HXD3C型號交流傳動電力機車（包括CRH5型動組車）在運用給流運行中均會產生高次諧波，同一時段內在線交流傳動電力機車運用數量較多，而直流電力機車運用臺數較少，導致高次諧波電流逐漸上升，諧波次數能夠達到基波頻率的100倍，并且在500 Hz至數KHz有多個波段諧波存在。

牽引網中的諧波源（機車），如果投入并聯電容補償裝置，會造成系統中的諧波更大，產生涌流現象，如果條件具備可以對電容器網電處的諧波分量進行測試，確定安裝的串聯電抗器的容量。王崗所的并聯電容補償裝置采用的串接電抗器，以此抑制高次諧波，在設計中應該考慮到抑制三次諧波電抗器的容量與電容器組的容量應滿足下列關系，QDK≥QDR /n2 ×100%，哈大既有線牽引變電設備不具備諧波在線監測功能。

3.3 諧波共振

由接觸網、系統電源、牽引變壓器、電容補償器組成的牽引供電網絡具有一定的諧振頻率，當外部電流頻率與諧振頻率一致時，可引發諧波共振，交直交車的諧波電流頻譜分布廣泛，易激發牽引網，形成諧波電流放大或電壓畸變、電壓升高。

4 諧波產生的原因及危害

（1）諧波的產生影響電子設備的工作精度，將使得繼電保護和自動裝置出現誤動作，并使儀表和電能計量出現較大誤差。

（2）諧波產生的諧波共振引起諧波電流放大，流經補償電容器組，引起電容器組熔絲熔斷及電容器過流損壞。

（3）諧波諧振會產生過電壓，施加在回路中的電容器、互感器以及斷路器等設備上，引起高壓電氣設備絕緣損壞。

（4）諧振引起的過電壓，導致避雷器在過電壓的作用下連續動作，最終會發生熱崩潰而損壞。

（5）諧波污染電能質量引起直流機車元件損壞，如DC600V列供電源中RC支路電阻燒損。

5 諧波源測試

（1）裝設電能質量在線監測裝置對王崗牽引變電所饋線電壓、電流指標情況進行在線監測，結合電力機車運行圖找出相關機車的諧波特性。

通過實際測量HXD3B、HXD3C和CRH5諧波主要包含23、25、27和29諧波，不含偶次諧波，單機在空載和負載運行時諧波量變化不大，但是諧波含有率差別很大；SS9型電力機車諧波以3、5、7、11和13等低次諧波為主；HXD3B型電力機車單機諧波含有量小于20 A，哈南上行區段內輸出高次諧波最大30 A以內，出口為哈站方向運行機車和牽引變壓器高壓側，哈南下行諧波更小些，持續時間更短。

（2）通過實時測試王崗牽引變電所饋線電壓波形畸變和電流高次諧波含量，找出低頻諧振頻率和諧波含量變化規律；諧波含有量高的時段發生在早晨客運列車集中到達時段，27次附近諧波最大可達到80 A以上，諧波含有率高達400%以上，原因是HXD3B、HXD3C和CRH5型車再生制動諧波疊加造成的，諧波出口為相鄰饋線上的運行電力機車和變電所的牽引變壓器高壓側。

6 采取技術措施

在王崗牽引變電所電流高次諧波在線監測系統，對27.5 kV側饋線電流高次諧波實現在線監測，通過設置與供電調度的在線遠程監控系統對監測的數據內諧波含量和頻譜進行分析，通過設置的報警整定值實現實時告警。

監測王崗所27.5 kV側母線低頻諧振電壓是否存在越線，整定值設定為28750 V， 214供電臂25次諧波含量越限告警設置為30、214供電臂27次諧波含量越限告警設置為35、212供電臂25次諧波含量越限告警設置為40、212供電臂27次諧波含量越限告警設置為45。

7 結語

在今后的工作中我們應該在深入調研、現場實測、試驗研究的基礎上，運用新的技術手段及防控措施對牽引供電系統中存在的諧波污染進行綜合整治。

參考文獻

[1] 西安鐵路工程（集團）有限責任公司電氣化技術研究所.德國牽引供電技術變電系統培訓教材[Z].

[2] 蘇曉渤，楊君，王躍.電氣化鐵道的諧波現狀及其治理方法[Z].

[3] 哈鐵機網電（2011）第2220號《關于下發“解決HXD3B、HXD3C型交流電力機車產生高次諧波造成直流電力機車過壓電阻燒損問題”會議紀要的通知[Z].

[4] 哈鐵供網電（2012）第608號《關于公布“哈局電力機車高次諧波防控措施”的通知》[Z].endprint