亞吉鐵路K141牽引變電所電能質量評估及治理

林光華

（中鐵二局集團電務工程有限公司，四川 成都 610031）

1 K141牽引變電所概述

K141牽引變電所位于埃塞俄比亞至吉布提標準軌距鐵路（以下簡稱“亞吉鐵路”）。亞吉鐵路是非洲首條電氣化鐵路，是連接埃塞俄比亞和吉布提兩國首都以貨運為主的鐵路，由中國企業建設，項目全線采用中國二級電氣化鐵路標準，鐵路全長約760 km，設計客車最大時速120 km/h，貨車最大時速80 km/h，電力機車采用中車株洲電力機車廠有限公司生產的HXD1B型交-直-交傳動電力機車。與交-直機車相比，交-直-交機車20次以上的更高次諧波含量有所增加[1-2]。

實際運行中，存在變壓器燒損、充電機燒損、空調機損壞、所內工作電腦、保護綜自等屏柜信號指示器易損、所內生活用電設備損壞等現象。

2 380 V側電能質量評估

2.1 電壓過程及典型波形

對現場采集數據進行處理，得到380 V側電壓過程及電壓典型波形如圖1～圖4所示。其中380 V側A、B、C三相電壓有效值曲線如圖1所示（黑框為貨車經過時間段）。

由圖1～圖4可知，在貨車通過的時間段，所內380 V三相電壓波動明顯（重載貨車波動更大），最大有效值接近260 V（額定為220 V）。可見牽引網電壓的劇烈波動，通過所內的逆YNd11變壓器影響到了低壓側三相電壓[3]。

圖1 380 V側A、B、C相電壓有效值曲線

圖4 無車時380 V側A、B、C相典型電壓波形

2.2 諧波電壓總畸變率

380 V側電壓THD趨勢如圖5所示，全過程三相電壓THD典型統計值如表1所示。

表1 K141變電所全過程內380 V側三相電壓THD

圖5 380 V側A、B、C相電壓THD趨勢圖

圖2 貨車過α相380 V側典型電壓波形

圖3 貨車重載過β相380 V側典型電壓波形

由圖5和表1可以看出，在測試的全過程中，K141變電所380 V側A、B、C三相電壓THD的95%概率最大值分別為11.67%、58.44%、5.95%，不滿足標準GB/T14549—93《電能質量 公用電網諧波》中對380 V電壓等級5%的規定，同時A、B相不滿足IEC標準IEC TR-61000-3-6—2008對諧波8%的要求。

2.3 諧波電壓含有率

貨車通過α相時380 V側B相各次諧波電壓含有率95%概率值直方圖如圖6所示。

圖6 貨車過α相時380 V側B相諧波電壓含有率95%概率值直方圖

由圖6可知，貨車通過α相時，380 V側B相電壓畸變非常嚴重，各次諧波均不符合IEC的要求；在貨車經過時，高次主要分布在31、33、35、37、39、41、45次諧波，遠高于IEC對單次諧波的要求[4]。

3 治理方案

根據現場測量得到的數據，該牽引變電所的典型電能質量問題為高次諧波導致的所用變設備損壞。通過分析可知，在機車剛進入供電臂一直到駛出供電區間，網壓持續畸變嚴重，電壓畸變率最大值達到20%以上，這是造成牽引變電所內充電模塊損壞，空調、電磁爐、手機充電器等用電設備不能正常工作的原因。

3.1 變電所380 V側電壓畸變機理

圖7為變電所用的兩相-三相變壓器的結構，由此可得原次邊電壓的電氣變換關系為：

圖7 所用變逆YNd11變壓器

式（1）中：k為原次邊變比。

可見，牽引網中的諧波電壓可通過逆YNd11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激增，威脅低壓三相系統中用電設備的安全穩定運行。這也就是變電所三相電壓在機車通過時畸變嚴重的原因。

3.2 380 V電壓畸變治理方案

由于現階段造成牽引供電系統電壓畸變的主要因素為高次諧波分量，因此針對諧波的治理應重點放在高次諧波上。針對牽引變電所低壓配電系統中的高次諧波，本文提出適用于牽引變電所低壓配電系統的Y型高通濾波器濾波方案，消除高次諧波的危害，如圖8所示[5]。

圖8 諧波濾波裝置裝備及其接線示意圖

4 治理方案達到的效果

根據高通濾波器的諧波治理實施方案，驗證了治理方案的實施效果。結果表明，采用阻波高通濾波器能夠顯著改善諧波，達到諧波治理的效果。K141+900變電所投入后380 V側三相電壓THD如表2所示。

表2 K141+900變電所投入后380 V側三相電壓THD

由表2中可以看出，在投入阻波高通濾波裝置之后，K141+900變電所380 V側A、B、C三相電壓THD在95%概率最大值分別為4.97%、4.26%、2.20%，均滿足國標和IEC的要求。

5 結論

K141牽引變電所的380 V側電壓畸變情況明顯，主要由牽引網中的高次諧波分量引起。針對高次諧波，治理方案為使用Y型高通濾波器，以消除高次諧波的危害。

比較方案實施前后的電壓THD及各次諧波分量情況，充分證明了該方案的有效性。