劉星，魏宏偉，楚振宇

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055）

京哈線牽引供電系統(tǒng)高次諧波治理研究

劉星，魏宏偉，楚振宇

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055）

京哈線是中國重要鐵路干線，牽引負(fù)荷較重。京哈線牽引供電系統(tǒng)采用自耦變壓器供電方式，供電臂較長。由于線路上多種類型電力機(jī)車同時運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)了牽引供電系統(tǒng)的高次諧振現(xiàn)象，嚴(yán)重危及牽引供電設(shè)備的運(yùn)行安全。針對京哈線某牽引變電所增加饋線工程后發(fā)生的諧振現(xiàn)象，提出了適用于本線的高次諧波治理思路及工程技術(shù)方案，并對其他電氣化鐵路高次諧波的治理具有一定的借鑒意義。

京哈線；牽引供電系統(tǒng)；高次諧振；濾波裝置

0 引言

京哈線是連接華北和東北地區(qū)的重要繁忙鐵路干線，其牽引供電系統(tǒng)采用自耦變壓器AT（auto-transformer）供電方式，供電臂較長。目前，京哈線上運(yùn)行的電力機(jī)車種類繁多，由于機(jī)車的傳動方式、電氣參數(shù)、諧波頻譜不同[1]，當(dāng)在某個牽引變電所供電范圍內(nèi)出現(xiàn)多種類型的機(jī)車時，在各種因素的共同作用下，牽引供電系統(tǒng)發(fā)生高次諧振的風(fēng)險大大增加。AT饋線，饋線類型為長距離電纜。工程投產(chǎn)后，僅一個月就出現(xiàn)了數(shù)次牽引供電線系統(tǒng)異常現(xiàn)象，牽引變電所內(nèi)保護(hù)動作，系統(tǒng)報警，不僅新增的電纜饋線無法正常投入使用，還影響到了牽引變電所內(nèi)自用電變壓器、交直流系統(tǒng)及綜合自動化設(shè)備的安全運(yùn)行。

現(xiàn)場測試新增饋線電纜空載電壓、T線電流總有效值及高次諧波有效值的分布情況。測試結(jié)果如圖1、圖2所示。

1 諧振現(xiàn)象測試數(shù)據(jù)與分析

以京哈線某牽引變電所為例，該所采用斯科特結(jié)線牽引變壓器，55 kV側(cè)母線采用單母線分段形式，饋線數(shù)目為八回。2014年該所新增一回

圖1 饋線電纜電壓及高次諧波有效值

圖2 饋線電纜T線電流及高次諧波有效值

根據(jù)測試結(jié)果，諧振期間變壓器T座電壓有效值達(dá)到60 kV，峰值達(dá)到110 kV；新增饋線電纜T線空載電流有效值達(dá)到130 A，15次諧波電壓有效值達(dá)到20 kV，電流有效值達(dá)到120 A。牽引變電所主變二次側(cè)T座電壓、新增饋線電纜T線電流的曲線及其諧波頻譜如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

圖3 主變T座電壓曲線

圖4 主變T座電壓諧波頻譜

圖5 新增饋線電纜T線電流曲線

圖6 新增饋線電纜T線電流諧波頻譜

牽引變電所主變T座、M座母線電流的諧波頻譜及24 h內(nèi)基波電流有效值、11～31次奇次諧波電流總有效值和功率及功率因數(shù)的測試結(jié)果如表1、表2所示。

表1 T座統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2 M座統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果得出以下結(jié)論。

a）新增饋線電纜的13、15、17次諧波電壓、電流在17∶33到17∶36分之間出現(xiàn)了明顯增高。

b）在同一時刻母線13、15、17次諧波電壓較大，15次諧波電流較大，顯然測試期間該時刻內(nèi)牽引供電系統(tǒng)發(fā)生了15次諧振。

c）由于新增饋線為長距離供電電纜，該電纜的容性阻抗對既有牽引供電系統(tǒng)的阻抗特性產(chǎn)生了較大影響，是導(dǎo)致諧振發(fā)生的主要原因。

2 諧振治理措施研究

2.1 諧振治理措施

2.1.1 消除諧波源

消除諧波源，即改善引起高次諧波諧振的電力機(jī)車的諧波特性，使其諧波含量降低到不足以激發(fā)諧振的水平，或把其電流諧波成分移頻錯開牽引供電系統(tǒng)的諧振頻率。

2.1.2 裝設(shè)濾波裝置

在牽引供電系統(tǒng)裝設(shè)各種有源、無源電力濾波裝置和無功補(bǔ)償裝置，以達(dá)到抑制諧波、提高功率因數(shù)的目的[2]。

2.2 措施分析

消除諧波源方案由于受電力機(jī)車數(shù)量、改造成本等因素的制約，短期內(nèi)不易實(shí)現(xiàn)。因此，在實(shí)際的應(yīng)用和工程主要以牽引變電所亭內(nèi)治理方案為主，即在牽引變電所、分區(qū)所、AT所內(nèi)安裝無源或有源電力濾波裝置，從而對諧波和無功進(jìn)行綜合治理。

根據(jù)以上分析，為保證京哈線牽引變電所的正常供電，應(yīng)在牽引變電所內(nèi)安裝無源或有源電力濾波裝置。有源濾波器投資較高、研發(fā)及安裝周期較長，維護(hù)管理較為負(fù)責(zé)，而無源濾波器相對于有源濾波器來說，無論從研發(fā)、安裝到使用維護(hù)都有巨大的成本優(yōu)勢，因此，為解決高次諧振現(xiàn)象，本工程中選擇無源濾波器更為合適。

3 諧波治理工程方案

無源濾波器主要是利用了電路的諧振原理，濾波裝置對發(fā)生諧振時的某次諧波電流形成低阻抗通路，使得某次諧波電流被無源濾波器分流從而達(dá)到濾波的目的[3，4]。最為常用的無源濾波器為二階阻尼濾波器和單調(diào)諧濾波器。

根據(jù)本工程的測試結(jié)果，諧波電流在牽引網(wǎng)中的諧波含有率主要在諧振頻率處(即15次諧波)較大。結(jié)合牽引供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件，濾波方案主要考慮的因素有以下幾點(diǎn)。

a）牽引供電系統(tǒng)的諧波諧振頻率隨著系統(tǒng)的主要元件如：供電臂長度、外部電源短路容量、牽引變壓器、AT變壓器等參數(shù)的確定而基本確定，因此從系統(tǒng)的角度結(jié)合成本考慮，直接針對諧振頻率處的諧波電流進(jìn)行濾除就會對諧波諧振產(chǎn)生抑制。

b）從系統(tǒng)的諧波阻抗頻率特性來看，在諧振點(diǎn)頻率處系統(tǒng)的諧波阻抗最大，結(jié)合無源濾波器對系統(tǒng)阻抗頻率特性的影響，在設(shè)計(jì)之初考慮在加入無源濾波器后使得系統(tǒng)的諧振頻率向高頻方向發(fā)生移動，因?yàn)榫€路趨膚效應(yīng)的影響高次諧波電流較小，從而也能達(dá)到抑制諧波諧振的效果。

c）無源濾波器無需控制設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備容量小、維護(hù)成本低等優(yōu)勢，在解決問題的前提下，可以從成本等角度出發(fā)考慮選擇合適濾波器以達(dá)到抑制諧波諧振的目的[5]。

因此，要減少諧波電流含量，降低諧波電流畸變率，可在牽引變電所內(nèi)采用以下兩種濾波方案，如圖7、圖8所示。

圖7 諧濾抑制裝置原理圖（方案一）

圖8 諧濾抑制裝置原理圖（方案二）

表3 濾波方案主要技術(shù)指標(biāo)對照表

以上兩個方案均能滿足該牽引變電所諧波治理的需要。兩個方案相比，方案一采用55 kV電氣設(shè)備，絕緣水平遠(yuǎn)高于方案二，設(shè)備投資較大，占地面積較小；方案二采用2組27.5 kV設(shè)備組成背靠背結(jié)構(gòu)，具備一定的互備性，設(shè)備成熟，結(jié)合既有場坪占地面積增加不多。綜合以上因素，本次設(shè)計(jì)推薦方案二，濾波器具體參數(shù)見表4。其中，考慮到電抗器的可靠性，實(shí)際容量選取稍大一級。

表4 推薦方案的主要技術(shù)參數(shù)

該裝置自2014年5月現(xiàn)場投運(yùn)后，諧振現(xiàn)象得到消除，牽引變電所二次及交直流設(shè)備無異常出現(xiàn)，設(shè)備運(yùn)行效果良好。

4 結(jié)論

本文通過對京哈線某牽引變電所新增電纜饋線投入后發(fā)生的諧振現(xiàn)象進(jìn)行測試分析，提出了京哈線牽引供電系統(tǒng)高次諧波治理思路及濾波裝置工程技術(shù)方案，并對其他電氣化鐵路高次諧波的治理具有一定的借鑒意義。

[1]解紹鋒，李群湛，趙麗平.電氣化鐵道牽引負(fù)載諧波分布特征與概率模型研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2005，25(16):79-83.

[2]李群湛，賀建閩.單調(diào)諧濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)及濾波效果[J].鐵道學(xué)報，1995(A01):15-21.

[3]吳命利，李群湛.電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)三相諧波模型[J].鐵道學(xué)報，1999(1):44-47.

[4]賀建閩，黃治清.關(guān)于諧波治理可行性的認(rèn)識[J].電氣化鐵道，2003(2):1-5.

[5]段然.高速鐵路牽引饋線采用單相電纜相關(guān)問題研究[D].北京:北京交通大學(xué)，2014.

Study on Higher Harmonic Control of Traction Power Supply System of Beijing-Harbin Railway

LIU Xing,WEI Hongwei,CHU Zhenyu
（China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China）

Beijing-Harbin line is China's major railway line,so that the traction load is heavier.The traction power supply system of Beijing-Harbin railway adopts AT power supply mode,and the power supply arm is longer.Since electric locomotives running on the lines are various,higher-harmonic resonance occurs during the operation of traction power supply system,which seriously endangers the safe operation of traction power supply equipment.In view of the resonance phenomenon after the feeder line added in a traction substation in Beijing-Harbin railway line,technical scheme on higher-harmonic control is put forward for Beijing-Harbin line,and it has certain reference significance for higher harmonic elimination of other electrified railways.

Beijing-Harbin railway;traction power supply system;higher-harmonic resonance;filter

U223.5+2

A

1671-0320（2017）01-0054-04

2016-09-22，

2016-11-10

劉星（1985），男，遼寧大連人，2010年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士，高級工程師，從事鐵道電氣化設(shè)計(jì)工作；魏宏偉（1968），男，河南鄭州人，1991年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士，教授級高級工程師，從事鐵道電氣化設(shè)計(jì)工作；楚振宇（1971），男，河南洛陽人，1996年畢業(yè)于西南交通大學(xué)鐵道電氣化專業(yè)，碩士，教授級高級工程師，從事鐵道電氣化設(shè)計(jì)工作。