高次諧波對牽引供電系統的影響和應對策略

王旭

【摘 要】近年以來，牽引供電系統發生的高次諧波諧振，導致電力機車高壓跳主斷，牽引變電所主變低壓側過電壓跳閘，甚至燒損機車、接觸網電氣設備，嚴重干擾正常運輸秩序，需引起牽引供電從業人員高度關注，深入分析牽引網諧振機理，研究諧振抑制對策，采取被動和主動的防御手段，確保牽引供電安全。

【關鍵詞】高次諧波；牽引網諧振；供電安全；防御策略

0 引言

我國電氣化鐵路發展初期，電力機車大量使用國產韶山系列直流傳動機車，其主流技術采用多段式半控橋整流，通過調節晶閘管導通角來實現機車出力的調節，其諧波成分主要集中在3、5、7、9等低次諧波，15次以上含量很小，盡管網側電流畸變嚴重，諧波含量大，但波形整體平穩，電力機車不易引發牽引網系統諧振。

伴隨我國鐵路事業的高速發展，大功率和諧交流傳動機車大量上線運行，由于交流傳動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，容易引發牽引供電系統高次諧波諧振，威脅供電安全。因此，我們將交流傳動機車引發的高次諧波諧振和防御策略作為重點研究探討的方向。

1 諧波的產生

受電力機車整流裝置、網側變流器等非線性負載的影響，反映到機車主變壓器原邊的牽引電流波形發生畸變，為周期性的非正弦波，利用傅立葉級數可將其分解為基波（50HZ）電流分量和若干頻率為基波頻率整數倍的諧波電流分量的疊加。

2 諧波對電氣化鐵路牽引供電系統的影響

2.1 網壓升高機車跳主斷

2.1.1 焦柳線郜營站機車跳主斷

2016年3月5日22時30分，焦柳線T10次，機車號HXD3C-0210，運行至郜營站-耿坡站間上行線K476+093處，司機報告接觸網網壓高跳主斷，停車位置距供電臂末端分區所2.207公里。該區段供電方式為直供加回流方式，變電所值班員巡視檢查110KV進線電壓及27.5KV饋線電壓均正常，故障時間段未出現太大波動，符合《鐵路技術管理規程》（普速鐵路部分）第197條中“接觸網最高工作電壓為27.5KV，短時（5min）最高工作電壓為29KV，最低工作電壓為19KV”的規定，但分區所電壓在22時20分作業出現33KV以上峰值。

綠色為變電所饋出母線電壓，黃色為分區所母線電壓

2.1.2 2016年2月11日，武九線K1586次，機車號HXD3C-0524，陽新站開車時，司機報告接觸網網壓過高，發生過電壓保護跳主斷路器，停車位置距離供電臂末端分區所1.694公里。該區段為直供加回流供電方式，故障時段該變電所饋線電壓峰值為29.15KV。

2.2 牽引變電所主變二次側過電壓跳閘

2010年2月22日至3月29日，合武線彭崗變電所接連發生30起主變二次側過電壓保護跳閘。3月27日至29日，在彭崗牽引變電所、K71AT所（麻武線）和新橫店分區所同時組織了實時錄波測試，共記錄4次彭崗變電所發生主變二次側過電壓跳閘時的故障錄波數據，以下對3月28日18：13：19第1次跳閘的測試數據進行分析。

T母線電壓有效值29.25kV，基波28.73kV，19次諧波含量18.44%，5.30kV F母線電壓有效值29.97kV

武漢方向T母線電壓頻譜（18時13分）

T線電流有效值48.09A，基波12.01A，19次諧波含量368.7%，44.28A

武漢方向主變二次T線電流頻譜（18時13分）

跳閘時段內合武線無動車組運行，麻武聯絡線上有51010次單機運行，HXD3機車。從測試結果來看，跳閘時段18時13分彭崗變電所武漢方向供電臂發生了19次諧波諧振，諧振發生時變電所內T母線電壓有效值29.25kV，19次諧波含量18.44%，5.30kV；主變二次T線電流測有效值T線電流有效值48.09A，基波12.01A，19次諧波含量368.7%，44.28A。

測試結果表明，19次高次諧波放大彭崗變電所T母線供電臂諧振，主變二次側母線電壓升高，達到過電壓保護啟動定值，觸發過電壓保護出口跳閘。

根據對彭崗變電所發生的30起主變二次側過壓保護跳閘分析，跳閘時段T母線供電臂范圍內多有麻武線HXD3單機運行，說明 HXD3交流機車單機運行工況下，網側電流高次諧波含量較高，與T母線供電臂發生不恰當電氣匹配關系的概率較大，須引起我們高度關注。

2.3 燒損直流機車RC回路電阻

自2011年武漢北樞紐電化開通投入運行以來，由于交流電力機車產生高次諧波，引發供電系統諧振，網壓升高導致抗沖擊能力弱且功率相對較小的SS6B型直流電力機車的“RC”回路電阻多次燒損，嚴重干擾影響正常運輸秩序。

2.4 高次諧報諧振燒損接觸網設備

2008年12月合武客專合肥至長安集供電臂由合寧客運專線龍城變電所越區供電，供電距離約50km。諧振事故發生期間共先后造成8臺接觸網避雷器爆炸，最后一次發生在12月25日，在變電所測試時，捕捉到事故發生時的電壓電流波形。當時D477次CRH2型動車組運行于合肥至龍城間下行方向，出現較大的17次諧波電流放大現象，最大電流總畸變率達220%，導致接觸網出現較大的諧波過電壓，峰值達92KV，最大電壓總畸變率達121%。取消龍城至長安集的越區供電后，合肥至龍城間產生諧波電流放大次數23次，但并不嚴重，未出現明顯的諧波過電壓。

測試龍城至合肥及龍城至長安集牽引網諧波電流放大現象。

25日8：33斷路器跳閘時接觸網電壓參數：

有效值：55kV，

峰值：92kV，

電壓綜合畸變率：121%

其中17次諧波含有率：118%。

8：33龍城變電所合肥方向下行饋線斷路器跳閘前，長安集變電所下行接觸網電壓波形見圖1。

8：33龍城變電所合肥方向下行饋線斷路器跳閘前，長安集變電所下行接觸網電壓波形中2～61次諧波電壓含有率見圖2。

3 諧振產生原因

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，而接觸網呈現分布電容性質，因此，牽引網存在由電感和電容決定的一個固有諧振頻率。

受電力機車整流裝置、網側變流器等非線性負載的影響，反映到網側的牽引電流波形發生畸變，含豐富的諧波分量，當某次諧波電流分量與牽引網固有頻率同步，形成不恰當電氣匹配關系時，就會引發牽引供電系統諧振。

4 諧波應對策略

4.1 車載策略

1）調整牽引傳動系統控制參數，抑制諧波電流分量。

2）改變整車不同動力單元（牽引變流器）的控制策略，比如調整多重化移相角度，使諧波電流頻譜避開牽引網的諧振頻率。

3）在動車組主電路上（高壓或低壓側）增設RC吸收濾波裝置，減少網側高次諧波含量。

4.2 地面策略

1）被動策略

a.改變供電運行方式，AT供電方式可考慮投入和退出AT變運行，直供電方式可考慮改變末端并聯方式，通過改變系統阻抗來破壞原牽引網諧振環境。

b.牽引變電所倒換進線電源，通過改變系統阻抗來改變原牽引網諧振條件。

c.在滿足最惡劣情況下末端網壓的前提下，對牽引變電所主變分接開關位置進行調整，一是通過改變系統阻抗改變系統諧振條件，二是通過調整分接開關降低主變二次測電壓，減少諧振過電壓觸發過電壓保護出口的機會，避免影響行車。

d.改變運輸組織模式，通過調整牽引機型、交路、牽引工況，改變網側電流諧波分量，避免與牽引網發生諧振。

2）主動策略

對于較大樞紐站區，交直流機車混跑區段，諧波電流頻譜非常寬，低次、高次諧波含量均比較高，需要對不同頻段的諧波采取不同手段分別進行濾波處理。

a.變電所安裝LC濾波器主要濾去3次諧波。

b.安裝有源濾波裝置APF主要濾去2、4-12次諧波。

c.安裝二階高通無源濾波器HPF主要濾去13次及以上的高次諧波。

對于交流機車和動車徑路，優先考慮安裝二階高通無源濾波HPF，對13次及以上的高次諧波進行濾除。南車株洲所對武漢北地區HPF裝置投入和撤除運行后的網壓和諧波頻譜進行了測試，測試數據表明HPF投入運行后，對高次諧波起到了明顯的抑制作用，同時網壓降低明顯。

5 結束語

牽引供電系統的諧振很難預測，根本困難在于牽引變電所外部電力系統的阻抗、頻率特性很難確定，高壓電網結構以及諧波行為的復雜性使得無法通過給定的網絡拓撲和電氣參數準確計算其9次諧波以上的阻抗。因此，諧振發生時的應急處置尤為重要，及時調整改變供電運行方式，倒換進線電源，不失為有效的應急手段，但要從根本上解決諧波問題，需要強化車載策略的源頭治理和地面安裝諧波濾波裝置。

【參考文獻】

[1]電氣化鐵道供電系統，中國鐵道出版社，李魯華主編，2011年.

[2]動車組與牽引供電系統高次諧波諧振機理與對策，北京交通大學，2011年1月15日.

[責任編輯：田吉捷]