張世標(biāo)，于國旺，陸 軍

朔黃線牽引供電諧波對信號設(shè)備的干擾及治理

張世標(biāo)，于國旺，陸 軍

通過對鐵路牽引網(wǎng)諧波狀況的分析，探討了諧波對信號設(shè)備產(chǎn)生的影響，提出了有針對性的解決方案。關(guān)鍵詞：牽引網(wǎng)諧波；信號；影響；解決方案

0 引言

朔黃線作為國家繼大秦鐵路之后的第二條西煤東運的大通道，使用電力牽引是滿足重載鐵路運輸任務(wù)和環(huán)境保護要求的首選，但不論哪種型號的電力機車，都會使用大功率的換流裝置，諧波的產(chǎn)生是一個不可回避的問題。朔黃線的貫通、自閉10 kV電源，一路從牽引27.5 kV母線降壓至10 kV獲得，另一路取自地方10 kV電源，肅北地區(qū)的兩路10 kV電源均通過110 kV電源降壓后直接獲得，但110 kV進(jìn)線電源與牽引進(jìn)線電源并接。隨著運量的不斷提升，電力機車上線運行的數(shù)量不斷增加，諧波含量也不斷加大，電能質(zhì)量下降問題越來越突出，對信號設(shè)備產(chǎn)生了不小的干擾，諸如信號樓區(qū)間電源屏多次出現(xiàn)“穩(wěn)壓模塊保險熔斷”等問題，都不同程度地對運輸產(chǎn)生了影響。本文通過分析信號設(shè)備故障現(xiàn)象與牽引網(wǎng)諧波之間的聯(lián)系，找出特征諧波對電氣參數(shù)的影響并制定相應(yīng)的對策加以制止，以滿足運輸生產(chǎn)的需要。

1 信號設(shè)備故障現(xiàn)象及電能質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果

1.1 肅北站通信電源屏故障報警

1.1.1 故障現(xiàn)象

2013年7月26日，通信電源AC相高壓瞬間報警，作業(yè)組用數(shù)字萬用表測試，電壓值正常。2013年7月27日，供電部門測試結(jié)果顯示電壓值正常。通信工程師與供電工程師測試結(jié)果相同，與電源屏生產(chǎn)廠家共同判斷，初步定性為通信電源屏的電能質(zhì)量監(jiān)測部件出現(xiàn)故障。

2013年7月30日，通信電源柜廠家對監(jiān)測板進(jìn)行了更換，在觀察新板運行狀況過程中，高壓報警又頻繁發(fā)出，初步分析為電能質(zhì)量有問題。

1.1.2 電源質(zhì)量測試

2013年7月30日，通過對肅寧北站通信電源電壓質(zhì)量進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)通信主用電源波形嚴(yán)重失真，諧波含量較高。通過與洛陽電源屏廠家對神池南站信號引入電源測試波形分析的比對看，肅寧北站的電源失真度更為嚴(yán)重，神池南站信號引入的電源失真度在14%～17%（標(biāo)準(zhǔn)是不大于5%），其波形如圖1、圖2所示。

通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，肅寧北站AC相出現(xiàn)的高壓是由于外電網(wǎng)造成，捕捉到的高壓值瞬間達(dá)到709 V。

1.1.3 處理措施

2013年7月31日，通信電源屏供電電源倒接至備用2路試驗，通過觀察試驗未發(fā)生高壓報警。與供電部門聯(lián)系，2013年8月13日，利用天窗點再次對主用 1路電源質(zhì)量進(jìn)行測試，波形相對正常，在合格范圍內(nèi)。

1.2 其他車站信號電源屏故障

為了驗證諧波的影響，對沿線車站自閉電源使用情況進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查結(jié)果見表1。

2 諧波干擾來源分析

2.1 諧波與非諧波

在電力系統(tǒng)諧波問題中，要特別強調(diào)諧波的次數(shù)n為正整數(shù)。實際上在電力系統(tǒng)中有時也存在一些頻率不是基波頻率整倍數(shù)的正弦分量。為區(qū)別起見，稱這些正弦分量為非諧波或稱為分?jǐn)?shù)諧波。

圖1 肅寧北站通信主用三相電源諧波圖

圖2 洛陽電源屏廠家測試的神池南站的諧波圖

表1 2013年朔黃線沿線車站自閉電源使用情況調(diào)查表

2.2 諧波產(chǎn)生原因

在供電系統(tǒng)中波形畸變問題主要由 2大因素造成。

（1）大功率換流設(shè)備和調(diào)壓裝置等的廣泛應(yīng)用。大量家用電器如：電視機、電磁爐、變頻空調(diào)和調(diào)光燈等普遍采用晶閘管以及各種非線性負(fù)荷的增加導(dǎo)致波形畸變。

（2）設(shè)備設(shè)計思想的改變。過去傾向于采用在額定情況以下工作或余量較大的設(shè)計?，F(xiàn)在為了競爭，對電工設(shè)備傾向于采用在臨界情況下的設(shè)計。例如有些設(shè)計者為節(jié)省材料使磁性材料工作在磁化曲線的深飽和區(qū)段，在該區(qū)段內(nèi)運行會導(dǎo)致激磁電流波形嚴(yán)重畸變。由此可見，非線性負(fù)荷接至供電系統(tǒng)，以及供電系統(tǒng)本身存在非線性元件，是造成電力網(wǎng)電壓波形畸變的根本原因。

2.3 諧波源分析

2.3.1 發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波

發(fā)電機由于三相 繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致，造成發(fā)電源多少也會產(chǎn)生一些諧波，但一般來說相對很少。

2.3.2 輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波

輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計變壓器時考慮經(jīng)濟性，其工作磁密度選擇在磁化曲線的近飽和區(qū)段上，這樣就使得 磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中 3次 諧波電流可達(dá) 額定電流的0.5%。

2.3.3 用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波

由于晶閘管整流設(shè)備在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。分析產(chǎn)生的原因，是由于 晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的 正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的 正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負(fù)載時則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達(dá)基波的30%；接容性負(fù)載時則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流；如果是12脈整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。經(jīng) 統(tǒng)計表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。

3 諧波治理對策

3.1 諧波治理基本思路

（1）優(yōu)先采用諧波含量符合標(biāo)準(zhǔn)的電源。按照“TB/10008-2006鐵路電力設(shè)計規(guī)范”電源及供電系統(tǒng)規(guī)定：“鐵路供配電系統(tǒng)的電源，應(yīng)優(yōu)先采用公共電網(wǎng)可靠電源。在電氣化區(qū)段，技術(shù)經(jīng)濟合理時可與牽引變電站共用電源或接觸網(wǎng)供電作為備用電源?！钡脑瓌t。

作為用戶，如果有條件，貫通、自閉電源應(yīng)直接從電能質(zhì)量較高的地方 10 kV電源引入兩路獨立電源，或者通過更高等級的電源降壓獲得。鑒于27.5 kV母線降壓至10 kV電源存在的諧波含量高、網(wǎng)壓波動大的問題，應(yīng)盡量避免使用該方法。

（2）僅對重要、敏感的設(shè)備進(jìn)行諧波治理。受電源條件限制，根據(jù)朔黃線AT改造設(shè)計的主接線方式，即使采用110 kV降壓獲得自閉、貫通的10 kV電源，也不可避免地要和牽引電源共用一條進(jìn)線，諧波的存在不可避免。所以，為了避免諧波對通信、信號設(shè)備的干擾，諧波治理應(yīng)遵守效益最大化的原則。并非所有用電設(shè)備都對諧波特別敏感，如果供電部門進(jìn)行綜合治理，投入設(shè)備的容量勢必會大增。如果只對通信、信號乃至特殊用戶的設(shè)備進(jìn)行前端諧波治理，則需要的容量就會很小，經(jīng)濟效益明顯，所以，誰敏感、誰加治理設(shè)備的方式更好。

3.2 諧波治理的方法

（1）采用無源濾波裝置。無源濾波器主要由濾波電容器，濾波電抗器等適當(dāng)組合成LC濾波裝置，濾波器除起濾波作用外，還兼作 無功補償作用。這種濾波器最早出現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)簡單，投資少，運行可靠性高，應(yīng)用較為廣泛。但也存在一些問題，如當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或參數(shù)發(fā)生變化或濾波器本身參數(shù)變化時，濾波器可能產(chǎn)生諧波放大，而且這種濾波器對電壓波動負(fù)序等不能綜合治理。

（2）采用有源濾波裝置。隨著大功率電力電子器件技術(shù)的突破與發(fā)展，ABB公司推出了采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)構(gòu)成的有源諧波濾波器，如：“有源動態(tài)濾波器 PQFM，可以實現(xiàn)濾除2次到50次諧波和無功功率補償?shù)哪康摹薄Ｆ浠驹硎菑难a償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等極性相反的補償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行很好的補償，且補償特性不會改變，阻抗特性不會受到影響。當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，裝置本身不存在諧振問題，其補償諧波的性能不變，同時還能抑制串、并聯(lián)諧振，因而受到了廣泛的重視，并且已獲得應(yīng)用。

（3）采用交直交電源供電。為了解決信號供電因諧波含量較高，影響信號供電的問題，將380 V電源側(cè)改為交-直-交的供電方式，這種供電方式在西歐一些國家已經(jīng)有了十年的運行時間，其效果較好。

4 針對朔黃線的改進(jìn)措施

通過對以上 3種常見的諧波治理方法的分析可以看出，這3種方法各有優(yōu)缺點。根據(jù)朔黃線負(fù)荷特性要想從根本上治理牽引供電的諧波污染，在對諧波較敏感的設(shè)備處采用有源濾波器相對效果較好。當(dāng)有源濾波器從電網(wǎng)中檢測到諧波電流時，補償裝置會產(chǎn)生一個與電網(wǎng)諧波電流大小相等但極性相反的電流，以此起到抵消諧波污染的目的。其優(yōu)勢顯而易見：能補償各次諧波；濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，不會與系統(tǒng)發(fā)生諧振；具有良好的自適應(yīng)功能，能跟蹤補償變化著的諧波，具有可控性和快速響應(yīng)性，這些特性對于朔黃鐵路牽引負(fù)荷不斷變化的特點顯得尤為適合。

但是有源濾波器本身價格較高，加之牽引電網(wǎng)容量很大，使得補償裝置造價更高。筆者認(rèn)為采用有源濾波與無源濾波結(jié)合組成混合補償器的方案比較合理?？梢岳脽o源濾波器來消除電流中含量較高的諧波，同時采用有源濾波器來消除無源濾波器沒有過濾掉的電流諧波。這樣既充分發(fā)揮無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)、成本低的優(yōu)勢，又利用了有源濾波器補償性能好的優(yōu)點，克服了單純采用大容量有源濾波器成本高的缺點。混合補償使得在工程總造價較低的基礎(chǔ)上整個裝置獲得優(yōu)良的性能，技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)合理。

5 結(jié)語

在目前的電力能源供給方式中，諧波是不可避免的。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，各行業(yè)對電力能源依賴度的提高，諧波不僅僅單純來自工業(yè)用電，為了節(jié)能和電氣運行平穩(wěn)性的要求，家用電氣設(shè)備也越來越多的使用整流和變頻技術(shù)，如節(jié)能燈、電磁爐、變頻洗衣機、空調(diào)、電視及微波爐等，干擾源來自用戶，用戶與用戶之間互相干擾，在供電方集中治理已不太可能。除非將傳統(tǒng)的輸電方式改為直流輸電方式，用戶可根據(jù)自己使用的頻率來逆變，也就是“交直交”模式，否則諧波將在用戶間互相干擾。諧波的治理要本著區(qū)別對待，減少用戶的投入，使用戶獲得最大收益為原則。對于諧波的治理不能遵循一成不變的原則，如何把諧波的污染降到最低程度，又不需花太多的錢，是值得同行們一起探討和研究的問題。

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This essay analyses traction network harmonic wave of Shuozhou-Huanghua railway, discusses impact to signaling equipment caused by harmonic wave and puts forward pertinent solution scheme.

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2014-12-19

張世標(biāo).天津濱?？焖俳煌òl(fā)展有限公司，高級工程師，電話：022-65702708；

于國旺.朔黃鐵路公司，高級工程師；

陸 軍.天津濱海快速交通發(fā)展有限公司，高級工程師。