單保泉

北京鐵路局石家莊供電段

鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波諧振分析及抑制方法研究

單保泉

北京鐵路局石家莊供電段

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，社會對高速運(yùn)輸需求越來越大。為提高鐵路運(yùn)輸能力，緩解電氣化鐵路運(yùn)輸壓力，近年來高速鐵路在我國得到迅猛的發(fā)展。研究鐵路牽引供電系統(tǒng)的諧波和諧振特性，并針對其原理從根源上提出實(shí)用可行的諧波治理方法，對保證鐵路供電系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性有重大意義，需要引起我們的重視?；诖吮疚姆治隽髓F路牽引供電系統(tǒng)諧波諧振分析及抑制方法。

鐵路牽引供電系統(tǒng)；諧波諧振；抑制方法

1 、鐵路牽引供電系統(tǒng)

1.1 鐵路牽引供電系統(tǒng)特性

鐵路牽引供電系統(tǒng)是諧波危害的對象，牽引網(wǎng)是諧波傳輸?shù)穆窂剑?dāng)牽引供電系統(tǒng)參數(shù)滿足一定條件時，相應(yīng)次數(shù)的諧波便會在系統(tǒng)的激勵下發(fā)生諧振，引起的過電壓和過電流會對牽引網(wǎng)的穩(wěn)定性以及牽引網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生巨大的危害。根據(jù)既有的牽引網(wǎng)傳輸線模型，利用數(shù)學(xué)原理對阻抗和導(dǎo)納矩陣進(jìn)行降階處理，得到牽引網(wǎng)單位長度等效阻抗和導(dǎo)納，并將牽引供電系統(tǒng)簡化為等值電路模型，最后利用模型詳細(xì)地研究了諧波在牽引網(wǎng)的傳輸特性，為后續(xù)諧波抑制方法提供基礎(chǔ)。

1.2 鐵路牽引供電的供電方式

電力牽引供電系統(tǒng)分為直流制和交流制，交流制又分工頻單相交流制和低頻單相交流制。我國鐵路牽引供電一般采用單相工頻交流制供電。所謂單相工頻交流制供電，是指采用單相雙繞組主變壓器的方式。它有兩種接線方式：簡單單相接線和V/V 接線。簡單單相接線設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)，主變壓器容量利用率高。在我國，電力牽引供電的主要方式分為四種，即 AT(自耦變壓器)、BT(吸流變壓器)、直接供電、同軸電力電纜。其供電方式原理圖如下。

圖1 AT自藕變壓器供電方式

圖2 BT吸流變壓器供電方式

圖3 直接供電方式

圖4 同軸電力電纜供電方式

2 、諧波與諧振危害

2.1 諧波危害

諧波對電力系統(tǒng)的影響非常巨大，主要包括直接影響和間接影響。直接影響主要是對系統(tǒng)元件(旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器、輸電線路和補(bǔ)償裝置)、測控裝置(繼電保護(hù)、自動裝置和電氣計(jì)量儀表)及其它電子設(shè)備(主要是微電子裝置)產(chǎn)生影響；間接影響主要是對附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。供電系統(tǒng)中的諧波危害主要表現(xiàn)在下幾個方面：

(1)諧波電流在變壓器中會產(chǎn)生額外的損耗，特別3次及其倍數(shù)次諧波會在三角形連接的變壓器繞組中形成環(huán)流，引起變壓器繞組、鐵芯發(fā)熱和降低變壓器效率，從而加快變壓器絕緣材料的老化，縮短變壓器的使用壽命。(2)諧波電壓或電流會増加發(fā)電機(jī)的定子繞組、轉(zhuǎn)子回路以及定子和轉(zhuǎn)子的鐵芯的損耗，這些損耗造成整個電機(jī)的濕升和局部過熱，影響電機(jī)的正常工作。(3)諧波電流會使輸電線路產(chǎn)生附加輸電損耗和發(fā)熱，線路阻抗的頻率特性和集膚效應(yīng)會加大線路中的交流電阻，増加輸電線路的損耗。

2.2 諧振危害

諧波可能會引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生諧振時，諧波電流會成倍増大，在基波電壓上疊加了幅值很大的諧波電壓，導(dǎo)致過電流和過電壓，嚴(yán)重危害設(shè)備運(yùn)行安全性。諧波諧振的危害可總結(jié)為下幾點(diǎn)：

(1)諧振引起的過電壓，會使電氣設(shè)備的絕緣擊穿而導(dǎo)致這些設(shè)備損毀。 (2)諧波諧振會產(chǎn)生高于電源數(shù)倍的電壓，最大可高達(dá)相電壓的3倍左右。商電壓可引起電流互感器、電壓互感器、避雷器、絕緣子的瓷裙表面閃絡(luò)而巧炸，嚴(yán)重時甚至?xí)纬啥搪贰?/p>

3 、鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波諧振抑制方法

3.1 地面處加裝濾波裝置

3.1.1 無源電力濾玻器。無源電力濾波器((Passive Power Filter，以下簡稱為PPF)由于具有結(jié)構(gòu)相對簡易、運(yùn)行穩(wěn)定、裝置造價低等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中的諧波治理得到廣泛使用。PPF是由電感L、電容C和電阻R按照一定的參數(shù)配置和一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接而成。將無源濾波器與諧波源并聯(lián)，利用RLC電路串聯(lián)諧振特性，對特定次諧波電流形成低阻抗支路，從而實(shí)現(xiàn)對某些次諧波電流的吸收，減小流向電網(wǎng)的諧波電流，以達(dá)到諧波抑制的作用。

3.1.2 有源電力濾波器。有源電力漣波器(Active Power Filter，以下簡稱為APF)是電力電子裝里集成設(shè)備，主要用于動態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功，它能夠?qū)崟r地對大小和頻率都變化諧波進(jìn)行抑制和對變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償。與傳統(tǒng)的濾波器相對比，有源電力濾波器能夠?qū)崟r快速地補(bǔ)償無功，不易引起系統(tǒng)諧振，并且可以同時濾除多次諧波。

3.2 機(jī)車上加裝濾波裝置

而加裝有源濾波器，則需要更多設(shè)備，成本也很高，而在機(jī)車內(nèi)的牽引變壓器輔助繞組上加裝濾波裝里，能達(dá)到同樣的諧波抑制效果且易于實(shí)現(xiàn)。對于這種方法，加裝有源濾波器實(shí)現(xiàn)起來比較困難，而加裝無源濾波器相對容易實(shí)現(xiàn)。濾波器的電感可用變壓器的漏感代替，具有成本低。這種方法從源頭上治理諧波電流，當(dāng)設(shè)計(jì)方法恰當(dāng)時，濾波效果將非常明顯。

3.3 用于機(jī)車上的無源濾渡器

當(dāng)濾波器基波電壓不變時，濾波器消耗的有功功率與通過濾波器的基波電流共軛值實(shí)部大小成正比，而濾波器消耗的無功功率則與基波電流共軛值虛部大小成正比，將基波電流共軛值實(shí)部定義為有功電流，而將基波電流共軛值虛部定義為無功電流，此來表示濾波器消耗的有功功率和無功功率。

總之，當(dāng)牽引供電系統(tǒng)參數(shù)滿足一定條件時，相應(yīng)次數(shù)的諧波便會發(fā)生諧振，產(chǎn)生的過電壓和過電流危害牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，因此進(jìn)一步加強(qiáng)對其的研究非常有必要。

[1]吳波.高鐵牽引供電系統(tǒng)電磁諧振抑制技術(shù)研究[A].陜西省電網(wǎng)節(jié)能與電能質(zhì)量技術(shù)學(xué)會.2015年電網(wǎng)節(jié)能與電能質(zhì)量論文集[C].陜西省電網(wǎng)節(jié)能與電能質(zhì)量技術(shù)學(xué)會：2015：5.

[2]周詩林.電力牽引系統(tǒng)的諧波分析及仿真研究[D].西南交通大學(xué)，2015.