電氣化鐵路牽引變電所所用電源高次諧波治理

于桂華

（南寧局集團公司供電處 工程師 廣西 南寧 530029）

0 引言

現在我國電力機車的種類較多，高次諧波頻譜分布較寬。當牽引供電系統的自然頻率和電力機車的諧波頻譜有相同的部分時，可能引起高次諧波發生諧振情況，以致產生諧振過電壓和諧振過電流［1］。由于不同型號電力機車混跑以及高次諧波電流時常被放大，使得牽引網上的諧波次數更加豐富。

牽引網中的各次諧波很容易通過牽引變電所中的兩相—三相配電變壓器滲透到其低壓配電系統中，如果低壓配電系統的諧波電壓含量過高，會導致低壓配電系統的電壓嚴重畸變，甚至引起過電壓，使牽引變電所內用電設備損壞或壽命縮短，容易影響系統的安全運行。由于牽引變電所內低壓配電系統三相電壓中的高次諧波含量太大，目前一些牽引變電所已經出現了多起牽引所內大量交流柜、家用電器等用電設備被燒損的事故，牽引變電所內用電設備的運行受到了很大的影響［2］。因此有必要對牽引變電所內低壓配電系統的電能質量問題進行研究，并提出綜合治理。

國內外的許多文獻對牽引供電系統電能質量的治理大多是對接觸網側的電能質量的治理，研究鐵路牽引變電所內低壓配電系統電能質量治理這方面的文獻還較少，涉及到鐵路牽引變電所低壓配電系統的文獻包括關于其可靠性研究、配電自動化等方面。如文獻［3］提出了一種降低電壓不平衡和波動的鐵路靜態功率調節器（RPC），其通過平衡不同相位的有效功率和補償無功功率與諧波來降低電壓不平衡和波動。文獻［4］通過研究接觸網產生諧振的原理，提出了一種適用于高鐵系統的可以對高次諧波進行治理和對諧振進行抑制的阻波高通濾波器。文獻［1］通過對幾種不同的高通濾波器建模，并對這幾種不同的高通濾波器的特性進行對比，提出了阻波高通濾波方案，并且基于現場的實測數據對阻波高通濾波器方案的作用進行了驗證。文獻［6］為了減小牽引供電系統中的負序、諧波和無功功率，提出了基于模塊化多電平換流器的兩相三橋臂功率調節裝置。國內外許多文獻都提出了對牽引供電系統電能質量的治理措施，其中大部分是在牽引網側治理諧波，但是其成本相對較高。并且諧波對高壓三相系統的影響還未顯現出來，反而是低壓三相系統的影響更為嚴重［2］，因此可以先考慮對低壓配電系統的電能質量進行治理，采用在牽引變電所內低壓三相系統的負載側并聯一個Y型高通阻波濾波器來濾除高次諧波。

1 牽引配電兩相三相變壓器變換分析

Scott 接線牽引變壓器是平衡變壓器的一種，具有變壓和換相的功能，可以在一定程度上削弱牽引負荷中負序不平衡對電力系統的影響。而逆scott接線變壓器是鐵路牽引變電所配電系統中常用的兩相-三相變壓器，可以把牽引側的相和相對稱兩相電壓轉換成a、b、c對稱三相電壓。逆Scott接線變壓器的接線方式如圖1 所示，可以看成是由兩個單相變壓器組成，鐵芯結構可以是單鐵芯或雙鐵芯。

圖1中，M變壓器和T變壓器高壓側繞組匝數均為n1，T 變壓器低壓側ad 繞組匝數為3n2/2，端子o接于ad 繞組的2/3 處，端子d 與M 變壓器bc 繞組中點相連，bc繞組匝數為為三相對稱電壓。

圖1 逆Scott變壓器結構

牽引變壓器兩相電壓可視為逆Scott 變壓器的電源，由逆Scott變壓器將牽引變壓器兩相正交電壓轉變為三相對稱電壓，低壓三相諧波電壓與牽引網兩相諧波電壓關系為

由式（1）可知，牽引網中的諧波電壓可通過逆Scott變壓器滲透到低壓三相系統中，如果牽引網諧波電壓含量較高，則會造成低壓三相系統電壓諧波含量增加。

2 基于實測數據的牽引配電變壓器

2.1 諧波實測 組織有關人員對南昆鐵路田林牽引變電所27.5 kV 供電臂進行測試，其波形、畸變率和諧波含量如圖2～圖4所示。

圖2 27.5 kV側實測波形

圖3 27.5 kV側電壓畸變率

圖4 27.5 kV側諧波含有率

同時對田林牽引變電所低壓配電系統進行測試，其A、B、C 三相電壓畸變率情況如圖5～圖7 所示。測試結果表明，該低壓配電系統主要諧波含量分布在31-41次，諧波畸變率最大值高達28%，95%概率值15%，遠超5%的國家標準。

圖5 A相電壓畸變率

圖6 B相電壓畸變率

圖7 C相電壓畸變率

3 牽引配電變壓器諧波治理

牽引側電壓產生畸變的主要原因是高次諧波含量過高，對于諧波的治理主要是對高次諧波的治理。在某些高壓系統的線路中，高次諧波產生的影響還沒有完全暴露出來，但在低壓三相系統中已經出現了大量用電設備由于高次諧波過高而引起的燒損線損，所以可以先考慮在牽引所低壓側安裝阻波高通濾波器來治理高次諧波帶來的危害。

3.1 低壓三相系統高次諧波濾波方案 將三個二階阻波高通濾波器按照星型接法進行連接后，構成了一個三相Y 型阻波高通濾波器，將其并聯接入牽引變電所的低壓配電三相系統中，接法如圖8所示。

圖8 牽引變電所低壓配電系統系統濾波方案

圖8 中三個二階阻波高通濾波器一頭分別接在a、b、c 三相端子，另一頭與端子o 相接，并聯接入低壓配電三相系統，用以濾除掉牽引網通過逆scott變壓器滲透到低壓配電三相系統的高次諧波。

阻波高通濾波器由電容器C和電抗器L并聯后再與電阻器R串聯構成，其結構如圖9所示。

圖9 阻波高通濾波器結構

阻波高通濾波器的阻抗為

在工頻電壓下，可認為阻波高通濾波器為開路狀態，無工頻電流流過，對外不交換無功功率，不消耗有功功率，具有阻波特性；隨著ω的增大，Z(ω)迅速減小，在高頻下呈現低阻抗，為高次諧波提供通路，濾除高次諧波。

3.2 濾波效果分析 對安裝在某高鐵牽引變電所的諧波濾波裝置進行現場測試，對投入濾波器和不投入濾波器時段內的牽引變電所低壓配電系統電壓電能質量進行了測試。治理前后A、B、C 相電壓畸變率對比分別如圖10（a）～圖10（b）所示。其中11：27～13:35濾波器投入，13:35后切除。從圖中可以看出，濾波器投入使用期間，諧波畸變率小于3%。濾波器未投入使用時，A、B、C相中諧波畸變率最大曾達到過5.8%、11.7%、6.05%。綜上所述，所內安裝的諧波濾波器對變電所內低壓配電系統的諧波治理是有效的，有利于保障所內用電設備的安全，下一階段，計劃在新線牽引變電所推廣使用，并逐步對管內牽引變電所、AT所、分區所加裝該濾波裝置。

圖10 （a）A相電壓畸變率

圖10 （b）B相電壓畸變率

圖10 （c）C相電壓畸變率

4 結束語

牽引網中的高次諧波很容易通過牽引所內的兩相—三相變壓器滲透到低壓配電三相系統，對配電系統的電能質量造成影響。本文的主要目的是對鐵路配電系統的諧波進行治理，可以得到如下結論:

1）通過分析了逆scot接線方式的兩相—三相變壓器的電壓、電流變換關系，表明諧波可以通過高壓側滲透到配電變壓器低壓側。

2）現場實測所得數據表明，高次諧波可以通過兩相—三相變壓器滲透到低壓配電側，對低壓配電側的電能質量造成了影響，當高次諧波含量過高時會造成電壓畸變。

3）在牽引所低壓配電負載側并聯一個Y型阻波高通濾波器對諧波進行治理，在負載側取得了良好的濾波效果。

將上述結論運用于實踐，能夠有效地濾除高次諧波，達到治理諧波的效果，對于確保設備和行車安全具有積極的促進作用。