鐵路牽引供電系統諧波諧振和抑制對策分析

晏健欣

(河北省肅寧縣朔黃鐵路發展有限責任公司,河北 肅寧 062350)

鐵路牽引供電系統諧波諧振和抑制對策分析

晏健欣

(河北省肅寧縣朔黃鐵路發展有限責任公司,河北 肅寧 062350)

經濟的發展使高速運輸的需求也隨之增大.為了緩解電氣化鐵路運輸壓力以及提高鐵路的運輸能力,我國近年來加大了對高速鐵路的建設,從而使其得到了快速的發展.但是如果鐵路供電系統不能正常安全穩定的運行,其勢必會影響到鐵路運輸的質量和效率,所以要重視起鐵路上供電系統運行問題.本文介紹鐵路牽引供電系統的特性以及供電方式,分析了鐵路牽引供電系統諧波與諧振所對鐵路運輸帶來的危害,探討了鐵路牽引供電系統諧波諧振的抑制對策.

鐵路牽引供電系統;諧波諧振;抑制對策

目前,交直電力傳動機車和交直交電力傳動機車是在我國電氣鐵路上應用最為廣泛的兩種機車.因為這兩種機車在工作原理和方式上的不同,所以在機車的牽引供電系統中注入了大量的諧波,并且分布很是廣泛,這在一定程度上影響著牽引供電系統運行的安全和穩定性.因此對鐵路牽引供電系統諧波諧振的相關問題進行分析和研究,對鐵路運輸的安全有著重要的作用和意義.

1 鐵路牽引供電系統

1.1 鐵路牽引供電系統特性

鐵路牽引供電系統是諧波危害的對象,牽引網是諧波傳輸的路徑.牽引供電系統的高含量的諧波,將會降低電能質量,損傷牽引網系統內的原件和設備,給空間通信造成了一定的干擾.當在牽引供電系統中分布廣泛的諧波參數達到一定的條件時,就會使得相應的次數諧波產生諧波諧振,成倍地增大了諧波的電流,從而會出現像跳閘、避雷器爆炸以及變壓器被過電流和電壓給擊穿等嚴重影響和危害供電系統安全穩定運行的一些故障.在已有的牽引網傳輸線模型上,再結合數學知識來間接得到牽引網單位長度等效阻抗和導納,并將牽引供電系統簡化為等值電路模型,最后再利用模型詳細地研究諧波在倩影網的傳輸特性,為后續諧波抑制方法提供理論基礎.

1.2 牽引供電系統主要結構

一次供電系統與牽引供電系統是鐵路供電的兩大系統,必須使兩者共同配合才能實現電氣化鐵道供電.一次供電系統和牽引供電系統分別是指向電氣化鐵道供電和電力機車供電,其中牽引供電系統是由鐵路部門進行管轄.一次供電系統主要包括兩方面:一是地方變電站或發電廠,二是交流高壓輸電線.在一般情況下,電壓使用的是110kV或220kV兩個等級.牽引供電體系則主要由交流電力機車、牽引變電所以及牽引網等部分組成.其中牽引變電所是由AT所、分區所以及開閉所等構成;牽引網主要包括地理線、饋電線、鋼鐵、接觸線以及保護線等.

1.3 鐵路牽引供電方式

電力牽引供電系統主要有兩種:一是直流制;二是交流制,有工頻和低頻兩種單相交流制.單相工頻交流制,一般被我國鐵路牽引供電采用.它主要是一種采用單相雙繞組主變壓器的方式,其主要有簡單單相和v/v兩種接線方式.其中簡單單相接線的設備簡單經濟,并且主變壓器容量利用率高.目前我國電力牽引供電主要分為同軸電力電纜、自耦變壓器(AT)、直接供電以及吸流變壓器(BT)這四種.其中自耦變壓器(AT)供電方式又包括了單線自耦變壓器(AT)牽引網、復線自耦變壓器(AT)牽引網和全網聯自耦變壓器(AT)牽引網這種三種模式.

2 鐵路牽引供電系統諧波與諧振危害

2.1 諧波危害

諧波對電力系統的危害主要分為直接和間接兩種影響,其中直接影響則主要是對系統元件、測控裝置以及其他電子設備造成損傷.系統元件則主要包括補償裝置、旋轉電機、輸電線路以及變壓器四種;測控裝置則主要包括電氣計量儀表、繼電保護以及自動裝置三種,而電子設備則主要指的是微電子裝置.如果諧波干擾了附近的通信系統傳播的信號,屬于間接影響.其危害表現在以下幾點.(1)損耗變壓器中諧波電流,甚至會造成變壓器繞組以及鐵芯發熱等現象,從而使得變壓器的絕緣保護材料加速老化,降低變壓器的工作效率.(2)諧波電壓或電流會加大發電機定子以及轉子的鐵芯損害程度,使發電機整體或局部的溫度偏高,從而影響電機的穩定運行.(3)在輸電線路上,諧波電流會增加熱度以及交流電阻,加快其損耗的速度,如果采用的是電纜輸電,那么諧波電壓將會使周圍介質的電場強度變大,從而縮短了電纜的使用生命周期,增加安全事故發生的次數、維修費用.(4)當諧波的頻率到達諧振的頻率時,就會突然增大諧波的電流造成電容器以及串聯電抗損壞,甚至是擊穿電纜.(5)在繼電保護和自動裝置的整定值小、靈敏度高,因此其很容易受到諧波的影響,從而發出錯誤的保護模式,影響電力系統的運行.(6)諧波產生的電流會干擾周圍附近的通訊系統,從而阻斷信號的傳送.

2.2 諧振危害

諧振是由于諧波在電力系統中的躥動而引起的,通常分為并聯和串聯兩種諧振.諧波電流會在發生諧振時成倍的增大,從而增大了諧波的電壓,并使其疊加在基波電壓上,對設備的安全性造成了影響.諧波諧振所帶來的危害表現在以下幾點上.(1)電氣的絕緣保護裝置會因為諧振引起的過電壓而被擊穿,從而致使設備發生損毀.(2)諧波諧振產生的電壓將是電源電壓的三倍左右,這些過高的電壓會使得絕緣子、電流互感器、避雷器以及電壓互感器的瓷裙表面出現閃光而發生爆炸,甚至是造成短路.(3)諧振會使變壓器、電壓互感器以及電流互感器等這樣帶有鐵芯的電氣設備中的鐵芯發生改變,從而影響使用;(4)當產生諧波諧振時,會使值班人員對電網中存在的不正常情況無法做出正確的判斷,從而致使安全事故的發生.(5)諧振會使諧波的范圍擴大,已有的諧波和附加的諧波將會加大公用電網中的元件損害程度,降低了電力系統的運行效率.(6)被放大的諧波電流會使電機、電容器以及電纜等電氣設備的局部或整體過熱,老化了絕緣保護材料、減少了其使用的生命周期,從而使其無法正常工作.

3 鐵路牽引供電系統諧波諧振抑制方法

3.1 地面處加裝濾波裝置

在地面上加裝濾波裝置一般有兩種:無源電力濾波器和有源濾波器.前者是由電容、電阻以及電感所組成的,后者則是由大功率電力電子器件而構成的.

3.1.1 無源電力過濾器

這種濾波器又被稱為LC濾波器,其英文學名是:Passive Power Filter.它具有裝置結構比較簡單、運行速度和方式也比較穩定以及裝置設備造價也較低等優點,所以其被廣泛地使用在電力系統中諧波的處理上.LC濾波器是由電阻(R)、電感(L)以及電容(C)按照相應的參數配置和一定的拓撲結構連接而成.LC濾波器的工作原理是:先將其與諧波進行并聯,然后再利用電阻、電感和電阻在電路中串聯而產生出的諧振特性形成帶有低電阻的性質的支路,阻斷特定次諧波電流的串流并完成吸收的功能,從而起到抑制諧波造成電網損毀的作用.

3.1.2 有源電力濾波器

這種濾波器的英文學名是:Active Power Filter,其英文簡稱是APF.APF是一種電力電子裝置,主要是由于動態抑制諧波和補償無功.它不僅能對大小和頻率都發生變化的諧波進行抑制,而且還能對變化的無功進行補償.它的優點就是能夠多次且快速的濾除諧波,同時不引起系統發生諧振現象.

3.2 機車上加裝濾波裝置

在機車內加裝濾波裝置,也能起到得對諧波起到抑制的作用,而且與需要花費更高成本的有源濾波器所產生的效果是一樣的,并且這種濾波的裝置還更容易實現.在機車上加裝濾波裝置,對于有源濾波器來說,困難較大不容易實現,但是如果加裝無源濾波裝置的話,其相對于有源濾波器來說,濾波器的電感,則可以使用變壓器的漏感,從而使得裝置所花費的成本較低,也更容易實現.

4 結語

由以上所述可知,目前交直電力傳動機車和交直交電力傳動機車在我國電氣化鐵路運輸上已被廣泛的使用起來,諧波的危害率也從以前的低頻率而轉變為現在的高頻率,從而危害到電氣化鐵路運輸中電力系統的安全穩定運行,同時也危害到鐵路行業的發展,因此,對鐵路牽引供電系統諧波諧振進行詳細的研究是一項重要的工作,只有在此基礎上才能提出相應的抑制措施,才能保證電氣化鐵路的實現.

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1671-0711(2017)11(上)-0073-02