交-直-交型電力機車網側諧波對牽引變電所的影響及改進

摘要：本文分別對比介紹了新型交-直-交型大功率電力機車和以SS4為代表的傳統型交-直型電力機車的主電路拓撲結構及其網側電流諧波特性。由測試結果表明大功率電力機車與傳統電力機車相比最顯著的特征是其諧波特性不同，并分析了網側諧波對牽引變電所電氣設備造成的影響和采取的相應的技術改進措施，確保牽引供電系統的正常運行。

關鍵詞：交直交，電力機車;牽引供電;諧波

引言

近年來，我國電氣化鐵路建設進入了高速發展階段，交流傳動的電力機車將逐步成為我國高速鐵路和重載線路的主力車型，其核心是“交-直-交”型傳動系統，其主電路拓撲和控制方式與傳統的韶山系列交直電力機車有著明顯不同，因此具有高功率因數、可實現能量的雙向流動等優點，但諧波特性也有較大差別。由于諧波特性的改變，這些新型動車組及機車與已有牽引供電系統存在匹配問題，我國對于交直交型電力機車諧波問題的研究尚處于起步階段，為便于諸如神朔鐵路等重載鐵路的牽引供電系統的穩定，因此有必要對不同類型的電力機車的諧波特性進行實測和對比分析。

在國鐵工程試驗和機車運行效果表明，新型電力機車陸續發生一些故障，如：牽引變電所交直流屏上的充電模塊出現燒損、牽引變電所電容器組過電壓跳閘、電力機車RC阻容燒損、電磁干擾引起牽引變電所繼電保護誤動作等。通過對神朔鐵路府谷牽引變電所和隴海線華山變電所進行諧波測試、電容器組過電壓跳閘前后的專題等測試工作，獲得了交-直-交電力機車的諧波頻譜、電鐵諧波的特性、變電所無功動態補償裝置的補償效果等資料。本文簡要介紹SS4G型交直、HXD型交直交電力機車的諧波特性及其對牽引供電系統的影響，并針對運行中出現的故障研究提出了技術改進措施。

1 交-直型和交-直-交型電力機車模型

1.1 交直型電力機車主電路拓撲結構

以韶山4改進型電力機車為例（以下簡稱SS4G型電力機車），主電路采用大功率晶閘管與二極管組成的不對稱經濟半控橋式整流電路（不等分三繞組，三段半控橋式整流調壓電路）。機車傳動采用傳統的直流傳動方式，牽引電機為串勵脈流牽引電動機。機車基本特性和參數參見文獻[1] ，主電路如下圖1所示。

1.2 交直交型電力機車主電路拓撲結構

HXD1、HXD2、HXD3型大功率電力機車的整流部分采用的是兩電平4象限變流器，其主電路如圖1所示。

圖2中，uN為牽引變壓器二次側電壓，Ud為直流側電壓，LN和RN分別為二次側等效電感和電阻，Cd為直流側支撐電容，L2和C2構成二次濾波回路。S1～S4為可關斷電力半導體開關器件，由它們構成的橋式逆變器能將中間儲能回路或者負載端的能量逆變為交流;D1～D4為功率二極管，由它們構成橋式整流，能將電網的交流電能變為直流，采用一定的控制策略對S1～S4進行導通與關斷控制，可以在四象限變流器的輸入端，即ab端生成一個與電網同步，基波相位和幅值均可調節的脈寬調制波，記為us。

2 諧波特性

依據GB/T 14549-1993《電能質量 公用電網諧波》等系列國家標準，采用美國Fluke公司生產Fluke435電能質量分析儀對神朔鐵路和隴海線某變電所和對牽引供電諧波特性進行了測試，該分析儀每周期采樣點為256個，可測量50次內諧波，電壓測量精度為0.1%，電流測量精度為0.5%，同時，該計量產品都經過國家技術監督局的質量檢測，通過了CMC認證（計量產品生產許可證）。

本文分別對交直型電力機車、交直交型電力機車進行了諧波特性進行了測試與分析，對比35kV電壓等級諧波電壓要求，奇次諧波電壓低于2.4%，偶數次諧波電壓低于1.2%。

我國現有的交直型電力機車主要有SS4G型、SS4型、8K型、SS3型、SSI型，但其電路結構相同，只是電路參數有所不同，因此其諧波分布規律也基本相同。

通過對比測試與分析，由測試結果可知，交直型電力機車的諧波含量比較高，THD值在10%左右，機車功率因數較低，通常在0.6～0.9之間。網側電流中主要含有低次的奇次諧波，尤以3次和5次諧波含量最高。同時，機車整流電路的段數越高，其功率因數也越高，這符合多段橋式整流電路的設計要求。

（2）交直交型電力機車諧波特性

隨著我國電力機車生產企業“引進一吸收一消化一再創新”步伐的加快，企業已經具備了8軸、6軸和4軸交直交型電力機車的生產能力，開發出了HXD系列機車產品，與此同時，牽引供電設備所承受的諧波也面臨的新的挑戰。

交直交型電力機車，其傳動系統的主電路為“交-直-交”型，即整流器+逆變器+交流異步牽引電機，其中整流器均為四象限PWM整流器，故交直交型電力機車其諧波特性與交直型電力機車的相控整流有著本質區別。

3 諧波對電氣化鐵路電力牽引設備的影響和改正措施

3.1 牽引變電所FC濾波支路過電壓跳閘分析及改進措施

3.1.1 牽引變電所FC濾波支路過電壓跳閘原因分析

‘十一五’期間，交直交型電力機車迅猛發展，HXD系列機車相繼在國鐵和地方鐵路爭相選用，鐵路饋線負載主要包括HXD1、HXD3、SS4B、SS4G等交直、交直交系列電力機車混合分布，諧波特性由原有的低次諧波為主變為低次和高次諧波含量高的現狀。

據統計，電氣化鐵路牽引變電所新增HXD系列交直交電力機車后，FC電容濾波支路頻繁出現差壓保護跳閘，二次保護輸出值最大值達12V以上，嚴重影響牽引變電所功率因素等電能質量考核指標，導致電力部門采取經濟罰款，對爬坡多、重負載、牽引供電末端等牽引供電工況，由于電壓低落嚴重，時常出現機車停運等影響安全行車現象。

牽引變電所既有FC濾波支路主要針對交直型電力機車設計，主要有3次（感抗與容抗之比 a=XL/XC=12%）和5次濾波支路（a=6%），根據放電線圈國家標準DLT653-1998、JBT 8970-1999、DL/T653-2009技術文件，未對高次諧波引起放電線圈二次電壓阻抗特性做要求，交直交電力機車引起的高次諧波流入FC濾波支路時引起LC阻抗特性發生變化，放電線圈低壓側感應的電壓不協調，引起過電壓跳閘。

3.1.2 牽引變電所FC濾波支路改進措施

針對交直交型電力機車引起的高次諧波對既有牽引供電FC濾波支路頻繁出現過電壓的現場，目前，普遍實施有效的措施是在放電線圈二次回路側增設一種高通濾波裝置，通過合理的對RC裝置進行選型，該方案下3、5、7、11次低次諧波將有效引起微機保護裝置跳閘，對正常基波時，基波阻抗X1>Max（R，Xc），亦可有效實現差壓保護，同理可知，20次以上高次諧波流入該系統時，RC方案可有效濾除高次諧波，確保既有保護裝置不差壓保護而穩定運行。

3.2 牽引變電所交直流屏燒損原因及改進措施

3.2.1 牽引變電所交直流屏燒損原因

新型交直交電力機車迅猛投入各大路局和鐵路沿線后，貨運量快速提升的同時，牽引供電系統交直流屏不斷出現指示燈、蓄電池燒損等現象。

傳統的交直流屏交流電源進線處主要針對是韶山系列電力機車產生的3、5、7次等低次諧波而設置了濾波裝置，而未能適用于新型交直交和諧號電力機車產生的高次諧波（31～47次諧波），交直流屏充電模塊的輸入端為橋式整流部分，對諧波電壓抑制功能較差，完全靠母線電解電容來承受。

直流屏蓄電池整流模塊工作時自身會產生較大的電流畸變，這個畸變電流在流經電網時又會額外地產生新的諧波電壓，反過來作用于模塊輸入，進一步影響了模塊工作。高次諧波電壓直接疊加在交流屏的元器件上，整流模塊上的電容因長時間在過電壓狀態下運行而燒損，進而導致整個整流模塊燒損。

3.2.2 牽引變電所交直流屏燒損技術改進措施

為能有針對性地對交流電源進線高次諧波進行濾除，徹底有效地改善電源質量，在工程運用中取得顯著的技術改進措施有：

（1）增設一種接觸網電源凈化裝置。接觸網電源凈化裝置采用交-直-交系統，輸入電壓經二極管不控整流和電解電容濾波后變為平滑直流，直流電經全橋功率逆變輸出正弦脈寬調制波，通過升壓變壓器調整脈寬調制波幅值，經LC低通濾波得到所需交流電。此方案通過直流環節實現輸入電壓同輸出電壓解耦，可有效解決輸入電壓品質差的問題。同時為有效解決輸入電壓諧波含量較大和尖峰電壓較高的情況，輸入設計濾波支路，保證輸入功率回路和控制回路的供電適應性。

（2）在牽引變電所增設置低壓有源濾波器（APF）。有源濾波器是新型電力諧波治理專用設備。它由指令電流運算電路和補償電流發生電路2個主要部分組成。指令電流運算電路實時監視線路中的電流，并將模擬電流信號轉換為數字信號，送入高速數字信號處理器（DSP）對信號進行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調制（PWM）信號形式向補償電流發生電路送出驅動脈沖，驅動功率模塊生成與電網諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波。

3.3 牽引變電所電磁干擾及改進措施

3.3.1 牽引變電所電磁干擾現象

新型交直交電力機車產生的高次諧波引起的電磁干擾主要通過傳導和輻射傳播，輻射干擾源是指以電磁波形式傳播的電磁干擾，通過天線等介質（包括自然空間）以電磁波的特性和規律傳播，此外，布線，結構件、元件、部件等滿足條件時，亦起到發射天線與接收天線的作用，即產生天線效應，并通過編織屏蔽層或連接電纜向外輻射。

傳導干擾源是指許多電子設備的硬件包含著具有天線能力的元件，如電纜、印刷電路板的印制線、內部連接線和機械結構。它們能與電場、磁場或電磁場方式傳播能量并耦合到輸出電纜中，干擾源就是通過這些能量耦合方式將干擾施加于敏感設備上。

3.3.2 牽引變電所電磁干擾改進措施

針對高次諧波引起電氣化鐵路牽引變電所綜合自動化系統誤報、誤跳閘;對通信設備和線路產生信號干擾;監控視頻出現花屏、黑屏等現象，嚴重影響電調控制指揮、變電所值班人員安全作業。通過供電車間不斷試探性技術改進試驗，提出了衰減輻射干擾和降低電磁干擾的顯著的措施：

一是增加濾波裝置和信號隔離裝置。

二是改造牽引變電所既有高壓電纜和二次電纜屏蔽措施和敷線形式：回流電纜單獨走電纜溝;二次電纜與高壓電纜在電纜溝中分開并避免平行走線;監控視頻線、VG線穿管布線防止產生電磁干擾。與此同時，更換既有綜合自動化保護裝置、監控視頻裝置和綜合自動化系統和視頻電源系統輸入，改用所用電。

4 ?結束語

新型交直交大功率電力機車上線運行后，不斷出現牽引變電所、亭交直流屏等電氣設備燒損、電容器濾波支路過電壓跳閘、電磁干擾等系列問題，經測試分析均與其產生的諧波有關，而既有牽引供電設備電氣特性主要是針對原有韶山系列電力機車和國標、鐵標制造，因此，改善電能質量和研制新型治理高次諧波裝置將成為“十二五”電氣化鐵路亟待解決的課題。

參考文獻：

[1] 張有松，朱龍駒主編.韶山4型電力機車.北京.中國鐵道出版社，1998年

[2] 李建華，豆風梅，夏道止.韶山4型電力機車諧波電流的分析計算.電力系統自動化，1999.23（16）.PP 10-13

[3] 趙四洪.基于電力機車不同工況的負荷諧波分析及仿真.西南交通大學碩士學位論文，2003

作者簡介：

范旋（1966年9月），男，工程師，從事鐵路牽引供電、鐵道電氣化工程維護管理工作

（作者單位：神朔鐵路分公司）