高次諧波對牽引供電系統(tǒng)的影響和應對策略

王旭

【摘 要】近年以來，牽引供電系統(tǒng)發(fā)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(wǎng)電氣設備，嚴重干擾正常運輸秩序，需引起牽引供電從業(yè)人員高度關注，深入分析牽引網(wǎng)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(wǎng)諧振；供電安全；防御策略

0 引言

我國電氣化鐵路發(fā)展初期，電力機車大量使用國產(chǎn)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(diào)節(jié)晶閘管導通角來實現(xiàn)機車出力的調(diào)節(jié)，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(wǎng)側電流畸變嚴重，諧波含量大，但波形整體平穩(wěn)，電力機車不易引發(fā)牽引網(wǎng)系統(tǒng)諧振。

伴隨我國鐵路事業(yè)的高速發(fā)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(wǎng)側采用脈寬調(diào)制整流電路，網(wǎng)側電流諧波含量小但諧波頻譜較寬，在不恰當?shù)碾姎馄ヅ錀l件下，容易引發(fā)牽引供電系統(tǒng)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(fā)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(chǎn)生

受電力機車整流裝置、網(wǎng)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(fā)生畸變，為周期性的非正弦波，利用傅立葉級數(shù)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(shù)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(tǒng)的影響

2.1 網(wǎng)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(wǎng)網(wǎng)壓高跳主斷，停車位置距供電臂末端分區(qū)所2.207公里。該區(qū)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(xiàn)太大波動，符合《鐵路技術管理規(guī)程》（普速鐵路部分）第197條中“接觸網(wǎng)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(guī)定，但分區(qū)所電壓在22時20分作業(yè)出現(xiàn)33KV以上峰值。

綠色為變電所饋出母線電壓，黃色為分區(qū)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(wǎng)網(wǎng)壓過高，發(fā)生過電壓保護跳主斷路器，停車位置距離供電臂末端分區(qū)所1.694公里。該區(qū)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(fā)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(qū)所同時組織了實時錄波測試，共記錄4次彭崗變電所發(fā)生主變二次側過電壓跳閘時的故障錄波數(shù)據(jù)，以下對3月28日18：13：19第1次跳閘的測試數(shù)據(jù)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(nèi)合武線無動車組運行，麻武聯(lián)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(fā)生了19次諧波諧振，諧振發(fā)生時變電所內(nèi)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(fā)過電壓保護出口跳閘。

根據(jù)對彭崗變電所發(fā)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(nèi)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(wǎng)側電流高次諧波含量較高，與T母線供電臂發(fā)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(chǎn)生高次諧波，引發(fā)供電系統(tǒng)諧振，網(wǎng)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(wǎng)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(qū)供電，供電距離約50km。諧振事故發(fā)生期間共先后造成8臺接觸網(wǎng)避雷器爆炸，最后一次發(fā)生在12月25日，在變電所測試時，捕捉到事故發(fā)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(xiàn)較大的17次諧波電流放大現(xiàn)象，最大電流總畸變率達220%，導致接觸網(wǎng)出現(xiàn)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(qū)供電后，合肥至龍城間產(chǎn)生諧波電流放大次數(shù)23次，但并不嚴重，未出現(xiàn)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(wǎng)諧波電流放大現(xiàn)象。

25日8：33斷路器跳閘時接觸網(wǎng)電壓參數(shù)：

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(wǎng)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(wǎng)電壓波形中2～61次諧波電壓含有率見圖2。

3 諧振產(chǎn)生原因

電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)是一個特殊的高壓輸配電網(wǎng)絡，電力系統(tǒng)阻抗和變壓器阻抗呈現(xiàn)電感性質，而接觸網(wǎng)呈現(xiàn)分布電容性質，因此，牽引網(wǎng)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(wǎng)側變流器等非線性負載的影響，反映到網(wǎng)側的牽引電流波形發(fā)生畸變，含豐富的諧波分量，當某次諧波電流分量與牽引網(wǎng)固有頻率同步，形成不恰當電氣匹配關系時，就會引發(fā)牽引供電系統(tǒng)諧振。

4 諧波應對策略

4.1 車載策略

1）調(diào)整牽引傳動系統(tǒng)控制參數(shù)，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(diào)整多重化移相角度，使諧波電流頻譜避開牽引網(wǎng)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(wǎng)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(lián)方式，通過改變系統(tǒng)阻抗來破壞原牽引網(wǎng)諧振環(huán)境。

b.牽引變電所倒換進線電源，通過改變系統(tǒng)阻抗來改變原牽引網(wǎng)諧振條件。

c.在滿足最惡劣情況下末端網(wǎng)壓的前提下，對牽引變電所主變分接開關位置進行調(diào)整，一是通過改變系統(tǒng)阻抗改變系統(tǒng)諧振條件，二是通過調(diào)整分接開關降低主變二次測電壓，減少諧振過電壓觸發(fā)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(diào)整牽引機型、交路、牽引工況，改變網(wǎng)側電流諧波分量，避免與牽引網(wǎng)發(fā)生諧振。

2）主動策略

對于較大樞紐站區(qū)，交直流機車混跑區(qū)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(yōu)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(qū)HPF裝置投入和撤除運行后的網(wǎng)壓和諧波頻譜進行了測試，測試數(shù)據(jù)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(wǎng)壓降低明顯。

5 結束語

牽引供電系統(tǒng)的諧振很難預測，根本困難在于牽引變電所外部電力系統(tǒng)的阻抗、頻率特性很難確定，高壓電網(wǎng)結構以及諧波行為的復雜性使得無法通過給定的網(wǎng)絡拓撲和電氣參數(shù)準確計算其9次諧波以上的阻抗。因此，諧振發(fā)生時的應急處置尤為重要，及時調(diào)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(tǒng)，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(tǒng)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]