李 強(qiáng)
國(guó)內(nèi)電氣化鐵路多年來一直使用交直傳動(dòng)型電力機(jī)車,國(guó)產(chǎn)韶山系列電力機(jī)車全部采用交直傳動(dòng)系統(tǒng)。隨著我國(guó)鐵路第六次大提速的實(shí)施、高速鐵路建設(shè)步伐的加快和重載運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展,這一狀況有了極大的改觀。通過引進(jìn)技術(shù)消化吸收再創(chuàng)新,在高速客運(yùn)領(lǐng)域,從2007 年開始,CRH 系列4 型動(dòng)車組先后投入運(yùn)用;在重載貨運(yùn)領(lǐng)域,HXD系列3 型大功率電力機(jī)車陸續(xù)投入運(yùn)用。CRH 系列動(dòng)車組和HXD系列大功率電力機(jī)車全部采用交直交傳動(dòng)系統(tǒng)。
新型電力機(jī)車和動(dòng)車組的運(yùn)用,也帶來了一些新問題。由于交直交傳動(dòng)系統(tǒng)目前普遍采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù),控制系統(tǒng)要比傳統(tǒng)交直傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜,相對(duì)而言,控制策略和控制參數(shù)對(duì)外部電源條件更為敏感。由于牽引供電系統(tǒng)與電力機(jī)車或動(dòng)車組電氣上緊密耦合,在電路上是一個(gè)整體,電能傳遞過程是連續(xù)的、密不可分的。一旦機(jī)車車輛與外部供電網(wǎng)的參數(shù)匹配不合適,容易引發(fā)車網(wǎng)匹配問題。最近幾年國(guó)內(nèi)的電氣化鐵道出現(xiàn)的高次諧波諧振、網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖等問題,在CRH 系列動(dòng)車組和HXD系列大功率電力機(jī)車上均有發(fā)生。本文對(duì)這2 類車網(wǎng)電氣匹配問題,結(jié)合實(shí)際案例,進(jìn)行分析,探討其發(fā)生機(jī)理,并給出治理對(duì)策。
交直交電力機(jī)車及動(dòng)車組主電路原理如圖1所示。25 kV 接觸網(wǎng)電壓經(jīng)車載牽引變壓器降壓后,由二次側(cè)牽引繞組給四象限PWM 脈沖整流器供電,脈沖整流器把交流變換成直流,然后經(jīng)輸出電壓和頻率均可控的逆變器變換成三相交流,供給牽引電機(jī)—三相異步電機(jī),驅(qū)動(dòng)車輛行駛。再生制動(dòng)時(shí)則能量流動(dòng)方向相反,牽引電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行,發(fā)出的三相交流電被逆變器整流成直流,再被脈沖整流器逆變成單相交流,反饋給接觸網(wǎng)。整流器、中間直流環(huán)節(jié)和逆變器構(gòu)成了牽引變流器,牽引變流器、牽引電機(jī)和控制系統(tǒng)構(gòu)成了整個(gè)交直交傳動(dòng)系統(tǒng)。
交直交傳動(dòng)電力機(jī)車及動(dòng)車組在運(yùn)行中,靠逆變器輸出電壓幅值和頻率均可變的三相電壓,對(duì)牽引電機(jī)進(jìn)行速度和轉(zhuǎn)矩調(diào)整,同時(shí)要盡量保持中間直流環(huán)節(jié)電壓的穩(wěn)定,通過控制四象限PWM 脈沖整流器,根據(jù)能量流動(dòng)方向,通過脈寬調(diào)制技術(shù)和多重化技術(shù),使電力機(jī)車或動(dòng)車組從接觸網(wǎng)吸取的電流與網(wǎng)壓同相或反相,并盡量削減網(wǎng)側(cè)電流諧波含量。理想的交直交傳動(dòng)電力機(jī)車或動(dòng)車組牽引時(shí)功率因數(shù)為1,再生制動(dòng)時(shí)為-1,并且電流不含諧波成分。實(shí)際的機(jī)車車輛,功率因數(shù)一般能達(dá)到0.97 以上,電流綜合畸變率在5%以下,通常僅在整流管開關(guān)頻率附近存在一些可測(cè)諧波。
圖1 交直交傳動(dòng)機(jī)車(動(dòng)車組)主電路示意圖
自交直交電力機(jī)車和動(dòng)車組在國(guó)內(nèi)投入運(yùn)用以來,引發(fā)的牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振案例已有數(shù)起,如,2007 年7—8 月間京哈線薊縣南變電所供電區(qū)段,2008 年8 月京津城際鐵路武清變電所至永樂分區(qū)所(ATS3)區(qū)間,2009 年4 月合武客專長(zhǎng)安集變電所至合肥西區(qū)間,2010 年3—5 月間合武客專麻武聯(lián)絡(luò)線彭崗變電所供電區(qū)段等?,F(xiàn)對(duì)京哈線諧振案例進(jìn)行分析。
2007 年4 月國(guó)內(nèi)鐵路實(shí)施第六次大提速后,京哈線開始開行動(dòng)車組,7—8 月間京哈線北京——秦皇島間增開CRH2重聯(lián)動(dòng)車組,以滿足暑期旅游需要,薊縣南變電所供電區(qū)段開始頻繁出現(xiàn)CRH2動(dòng)車組引發(fā)的牽引網(wǎng)高次諧波諧振。這是國(guó)內(nèi)首例交直交動(dòng)車組引發(fā)的牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振案例。
具體案情:7 月13 日燕郊至大廠間上行線路接觸網(wǎng)避雷器爆炸1 臺(tái),造成D502 動(dòng)車組停車;7 月15 日D502 動(dòng)車組燕郊至大廠間上行線路接觸網(wǎng)相鄰位置避雷器又爆炸1 臺(tái);7 月29 日燕郊分區(qū)所下行F 線供電線所外上網(wǎng)點(diǎn)管型避雷器動(dòng)作,火花間隙擊穿,斷路器跳閘并重合失?。? 月10日燕郊分區(qū)所所內(nèi)上行T 線進(jìn)線桿上避雷器爆炸。
現(xiàn)場(chǎng)值班員發(fā)現(xiàn)這些事故伴隨有母線電壓異常波動(dòng),電壓表指針與正常值偏離較大,同時(shí)主變壓器、自耦變壓器、自用電變壓器的噪音顯著增強(qiáng),甚至發(fā)出刺耳嘯叫聲。進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn),在電壓異常時(shí),變電所供電區(qū)段范圍內(nèi)均有CRH2動(dòng)車組運(yùn)行,通常無其他類型電力機(jī)車,且電壓異常時(shí)饋線電流一般不大。
圖2 顯示了2007 年8 月在薊縣南變電所實(shí)測(cè)到的某次動(dòng)車組通過時(shí),引起牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振,從而導(dǎo)致55 kV 母線電壓從正常的50 kV升高到60 kV 的情況。圖3 為諧振時(shí)實(shí)測(cè)電壓波形,圖4 為其頻譜圖。
2007 年8 月測(cè)試結(jié)果表明,薊縣南變電所2個(gè)供電臂均可能由CRH2動(dòng)車組引發(fā)諧振,諧振頻率一般在17~23 次間,并不固定。
圖2 京哈線薊縣南變電所諧振母線電壓有效值升高圖
圖3 實(shí)測(cè)諧振母線電壓波形圖
圖4 諧振母線電壓頻譜圖
電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)是一個(gè)特殊的高壓輸配電網(wǎng)絡(luò)。電力系統(tǒng)阻抗和變壓器阻抗呈現(xiàn)電感性質(zhì),而接觸網(wǎng)則具有分布電容,因此牽引網(wǎng)存在由電感和電容決定的一個(gè)固有諧振頻率,由于電力系統(tǒng)運(yùn)行方式可能會(huì)調(diào)整,該諧振頻率很難預(yù)測(cè),并且不是一個(gè)固定值。交直交動(dòng)車組和電力機(jī)車,網(wǎng)側(cè)采用脈寬調(diào)制整流電路,網(wǎng)側(cè)電流諧波含量小但諧波頻譜較寬。在不恰當(dāng)?shù)碾姎馄ヅ錀l件下,牽引供電系統(tǒng)與動(dòng)車組容易發(fā)生800~2 000 Hz 的高次諧波諧振。國(guó)內(nèi)大量使用的韶山(SS)系列電力機(jī)車,采用二極管或晶閘管單相整流,盡管網(wǎng)側(cè)電流畸變嚴(yán)重,諧波含量大,但主要集中在3 次、5次、7 次、9 次等低次諧波,15 次以上諧波含量很小,反而不易引起諧振,國(guó)內(nèi)電氣化鐵道近50 年的運(yùn)行實(shí)際證明了這一點(diǎn)。
牽引網(wǎng)的高次諧波諧振會(huì)引起諧波電流放大和諧振過電壓,實(shí)際發(fā)生的案例表明,牽引網(wǎng)諧振過電壓峰值甚至可達(dá)60~70 kV,嚴(yán)重影響動(dòng)車組和牽引供電設(shè)備的安全運(yùn)行。
2007 年12 月26 日,太原鐵路局湖東機(jī)務(wù)段和湖東一場(chǎng)、二場(chǎng)出現(xiàn)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓振蕩,HXD1 型機(jī)車牽引封鎖無法運(yùn)行情況,特別是2008 年1 月2 日全天發(fā)生牽引封鎖13 次,機(jī)車無法正常出入庫(kù),嚴(yán)重干擾了運(yùn)輸秩序。
2010 年5—6 月間在北京西站區(qū)段,2010 年9月在青島動(dòng)車所,出現(xiàn)CRH5動(dòng)車組引起接觸網(wǎng)網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖現(xiàn)象,多次導(dǎo)致線路上運(yùn)行的動(dòng)車組停車或車站??康膭?dòng)車組無法按時(shí)發(fā)車。
圖5 和圖6 為2008 年1 月在湖東變電所測(cè)到的網(wǎng)壓振蕩時(shí),所內(nèi)T 座母線電壓和265 饋線T線電流波形及有效值。母線電壓波動(dòng)范圍52.2~57.4 kV,饋線T 線電流波動(dòng)范圍135~873 A。
圖5 網(wǎng)壓振蕩時(shí)湖東變電所T 座母線電壓波形及有效值圖
圖6 網(wǎng)壓振蕩時(shí)湖東變電所相關(guān)饋線電流波形及有效值圖
圖7 為2010 年9 月在青島動(dòng)車所測(cè)到的7 組CRH5動(dòng)車組升弓上電司機(jī)推牽引時(shí)發(fā)生牽引封鎖的動(dòng)車組上測(cè)到的網(wǎng)壓、網(wǎng)流和中間直流環(huán)節(jié)電壓波形。圖8 為該時(shí)對(duì)應(yīng)變電所測(cè)得的母線電壓和饋線電流波形圖。
圖7 7組動(dòng)車組上電網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖時(shí)車上測(cè)試波形圖
圖8 滄口變電所相關(guān)母線電壓饋線電流波形圖
分析網(wǎng)壓振蕩時(shí)車上和車下(變電所)測(cè)試結(jié)果,從電壓電流波形可以看出,網(wǎng)壓升高發(fā)生在電流相位超前電壓的周波,網(wǎng)壓降低發(fā)生在電流相位滯后電壓的周波。由于從電源到機(jī)車負(fù)荷,存在電力系統(tǒng)、變壓器和牽引網(wǎng)的阻抗,電流的波動(dòng)必然引起網(wǎng)壓的波動(dòng)。詳細(xì)計(jì)算表明,網(wǎng)壓振蕩實(shí)際上是由電流波動(dòng)及電流相位變化造成的,而電流的波動(dòng)及相位變化,則是由動(dòng)車組自身牽引傳動(dòng)系統(tǒng)及其控制策略決定的。當(dāng)電源阻抗相對(duì)較大時(shí),不恰當(dāng)?shù)目刂撇呗跃蜁?huì)引起控制回路的失穩(wěn)。同時(shí)升弓上電的電力機(jī)車或動(dòng)車組達(dá)到一定數(shù)目時(shí),就會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)壓振蕩。振蕩幅度過大時(shí),電力機(jī)車或動(dòng)車組就發(fā)生牽引封鎖現(xiàn)象。
湖東機(jī)務(wù)段和青島動(dòng)車所2 個(gè)案例的實(shí)測(cè)表明,同時(shí)升弓上電的HXD1 電力機(jī)車或CRH5動(dòng)車組數(shù)達(dá)到7 臺(tái)或7 組時(shí),就會(huì)引發(fā)網(wǎng)壓振蕩,進(jìn)而牽引封鎖。這一臨界條件實(shí)際上與供電系統(tǒng)容量、等值電源阻抗大小和交直交傳動(dòng)系統(tǒng)總功率有關(guān)。
由于車網(wǎng)電氣匹配問題涉及車和網(wǎng)2 個(gè)方面,其治理技術(shù)對(duì)策一般也可從車、網(wǎng)兩方面著手。
諧波的源是車,如果能改善或調(diào)整動(dòng)車組或電力機(jī)車的電流頻譜特性,使其高次諧波含量減少,或使其諧波頻譜避開所運(yùn)行線路牽引網(wǎng)的諧振頻率,則可從根源上消除諧振現(xiàn)象。
在牽引供電系統(tǒng)治理諧振,就要設(shè)法改變牽引網(wǎng)諧振頻率,通??稍诠╇姳勰┒朔謪^(qū)所安裝二階阻尼濾波裝置。京哈線薊縣南供電區(qū)段諧振治理時(shí),在兩供電臂末端(燕郊分區(qū)所和韓家林分區(qū)所)分別安裝了阻尼濾波裝置,2008 年7 月投運(yùn)后,該區(qū)段沒有發(fā)生過諧振事故。
根據(jù)外部電源條件,通過調(diào)整交直交傳動(dòng)系統(tǒng)的控制策略,避免中間直流環(huán)節(jié)電壓的波動(dòng),改善其空載下的取流特性,從而可從根源上避免網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖事故的發(fā)生。2008 年1 月在湖東機(jī)務(wù)段所進(jìn)行的HXD1 電力機(jī)車控制調(diào)整,證明該解決思路十分有效,不需增加硬件投資。
理論上講,增大牽引供電容量,減小等值電源阻抗,可以緩解網(wǎng)壓振蕩現(xiàn)象。如果在變電所增設(shè)穩(wěn)壓裝置,提供一個(gè)電流波動(dòng)的能量緩沖環(huán)節(jié),使波動(dòng)的網(wǎng)流不至引起網(wǎng)壓波動(dòng),也可以有效抑制這一現(xiàn)象。但這種地面解決方案,或者投資太大,或者技術(shù)難度高,并不適宜在實(shí)際線路中采用。
交直交電力機(jī)車及動(dòng)車組投運(yùn)以來出現(xiàn)的牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振以及網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖現(xiàn)象,都屬車網(wǎng)電氣匹配問題。高次諧波諧振是由于電力機(jī)車或動(dòng)車組的網(wǎng)流諧波頻譜與牽引網(wǎng)固有諧振頻率重疊造成的。網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖是因?yàn)殡娏C(jī)車或動(dòng)車組牽引傳動(dòng)控制策略與外部供電系統(tǒng)電源條件不匹配引起的。解決這類車網(wǎng)電氣匹配問題,理論上可從車、網(wǎng)兩方面著手,調(diào)整某一方的電氣特性,破壞引發(fā)匹配問題的觸發(fā)條件即可。選擇最佳解決方案,以整體最小的投入,確保電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)和電力機(jī)車、動(dòng)車組的運(yùn)行安全。
[1] 連級(jí)三.電力牽引控制系統(tǒng)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1994.
[2] 北京鐵路局,北京交通大學(xué),中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.京哈線薊縣南牽引變電所供電區(qū)段電壓異常測(cè)試分析與治理方案研究(研究報(bào)告),2007.
[3] 北京交通大學(xué).彭崗變電所主變牽引側(cè)過電壓跳閘測(cè)試分析(研究報(bào)告),2010.
[4] 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,太原鐵路局,北京交通大學(xué),株洲電力機(jī)車研究所.大秦線HXD1 型機(jī)車車網(wǎng)匹配關(guān)系測(cè)試報(bào)告(研究報(bào)告),2008.
[5] 北京交通大學(xué).CRH5 動(dòng)車組網(wǎng)壓振蕩牽引丟失測(cè)試分析報(bào)告(研究報(bào)告),2010.