電力機車高壓電壓互感器諧波傳遞特性試驗研究

［摘 要］我國電氣化鐵路大量采用交流傳統電力機車后頻繁出現車網電氣高頻諧波諧振問題，認識并解決該問題先要做的是準確測量寬頻范圍內的電壓。因此，電力機車高壓電壓互感器的諧波傳遞特性越來越受到重視。文章采用諧波注入的方法，通過試驗獲得電壓互感器一二次電壓信號，以離線計算的方式獲得電壓互感器在不同諧波頻率段的電壓變比、電壓相位偏移等關鍵數據。此外，通過對比不同型號的電壓互感器試驗數據，分析不同電壓互感器諧波傳遞特性的異同。研究結果可用于對電力機車測得的牽引網電壓的矯正，有助于提高測量信號的準確度。

［關鍵詞］電力機車；諧波；電壓互感器；傳遞特性

［中圖分類號］TM92 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0170–03

為滿足電氣化鐵路高速、重載發展的需求，交–直– 交型動車組、電力機車已成為我國電氣化鐵路的主力車型，但交流機車會向牽引網注入頻譜較寬、含量豐富的諧波電流，嚴重時會引起高次諧波諧振[1-2]。在我國，早期的諧振事故主要由CRH 系列動車組改造既有線和新建高鐵線引起。近年來，HXD 系列電力機車引發的諧振事故較頻繁，大秦線、遷曹線、寧岢線、瓦日線等重載線路多次發生諧振事故。

為了解決上述車網高頻諧波諧振問題，眾多學者提出了不同的解決方案[3-4]，但均需要包含主要諧波頻段的電壓準確測量。在電力系統領域，相關研究成果多集中在電容式電壓互感器[5]。然而，針對電氣化鐵路電力機車的單相高壓電壓互感器的諧波傳遞特性研究很少，文章以典型的電力機車高壓互感器為例展開研究。

1 電壓互感器試驗系統

1.1 系統結構

文章通過試驗研究電壓互感器諧波傳變特性，即在被試電壓互感器一次側施加諧波電壓，同時測量一次側和二次側電壓，然后對測量得到的電壓信號進行傅里葉分解，分析諧波電壓作用下的電壓互感器的諧波電壓變比和相位偏移。

地面自動過分相系統結構如圖1 所示，主要設備包含試驗電源、升壓變壓器、被試電壓互感器及測量電阻。其中，試驗電源可以根據設置產生不同頻率的電壓Us，再由升壓變壓器向被試電壓互感器施加指定的電壓信號UT1。此外，由高精度電壓傳感器測量得到升壓變壓器的輸出電壓，經過傅里葉分解提取設定頻率的電壓幅值，再與設定值比較，然后對試驗電源的輸出做出調整，確保加載至被試電壓互感器的電壓滿足設定要求。

1.2 試驗電壓分析

為了獲得不同頻率下的諧波傳遞特性，文章采用逐次諧波注入的方法。試驗時，將單次諧波電壓注入電壓互感器一次繞組。相關研究表明，電力機車發生高頻諧振時的諧振頻率一般不超過4 000 Hz，電壓諧波含量通常在10%～40%，而正常運行時常在10% 以下。此外，電力機車的諧波頻率主要為基波頻率的奇數倍。