文穩(wěn)利

（中鐵十七局集團(tuán)電氣化工程有限公司 工程管理中心，山西 太原 030032）

0 引言

作為電氣化鐵路的心臟，牽引變電所安全運(yùn)行是保證電氣化鐵路安全有序運(yùn)行的先決條件。機(jī)車運(yùn)行產(chǎn)生的高次諧波對變電所二次回路的影響是牽引變電所安全運(yùn)行的重要因素之一。在此重點(diǎn)探討利用高次濾波器凈化高次諧波，提高27.5 kV所用變壓器電能質(zhì)量，提高電壓穩(wěn)定性，消除諧波電壓對變電所二次設(shè)備的危害［1］。

1 高次諧波產(chǎn)生原因和影響

1.1 高次諧波產(chǎn)生原因

目前，我國電氣化鐵路牽引供電的主要供電方式為：AT供電和直供加回流。2種供電方式的原理都是將地方電源引入的220 kV（110 kV）三相平衡電源，通過牽引變電所變?yōu)?5 kV的兩相交流電（或27.5 kV的單相交流電），通過接觸網(wǎng)供給電力機(jī)車，電力機(jī)車內(nèi)部通過降壓-整流-逆變的過程，供給牽引電機(jī)再拖動(dòng)機(jī)車運(yùn)行，其中整流和逆變過程用到大量大功率晶閘管等電子元件，因此在供電電路中會(huì)產(chǎn)生17、19、21、23、25、27、29、31、33次［2］等更高次的有害諧波。

1.2 對牽引變電所設(shè)備的危害

高次諧波對牽引變電所的危害主要有以下方面：

（1）使主變壓器、27.5 kV所用變壓器的鐵損增加，出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，縮短其使用壽命［3］。

（2）使電力線路的能耗增加，使計(jì)費(fèi)的感應(yīng)式電能表計(jì)量不準(zhǔn)確。

（3）對二次設(shè)備的主要危害是使系統(tǒng)的繼電保護(hù)和自動(dòng)化裝置發(fā)生誤動(dòng)作。

（4）使系統(tǒng)發(fā)生電壓諧振，對附近通信設(shè)備和線路產(chǎn)生信號干擾，影響所內(nèi)通信及SCADA遠(yuǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)［4］。

（5）高次諧波的存在對電網(wǎng)的影響主要體現(xiàn)在線路無功功率增大，降低了牽引變電所的功率因數(shù)，從而造成電力資源浪費(fèi)。

2 電能凈化裝置

2.1 概述

27.5 kV所用變壓器電能凈化裝置（見圖1）用于電氣化鐵路27.5 kV所用變壓器二次側(cè)交流供電系統(tǒng)的濾波。

圖1 27.5 kV所用變壓器電能凈化裝置示意圖

27.5 kV所用變壓器電能凈化裝置采用無源濾波凈化方式，安裝于27.5 kV所用變壓器引入交流屏進(jìn)線側(cè)，并聯(lián)在交流屏進(jìn)線端上，電能凈化裝置具備獨(dú)立開關(guān)，裝置故障或退出時(shí)不影響牽引變電所交流自用電系統(tǒng)的正常工作，不對所用電正常運(yùn)行構(gòu)成影響，最大程度保證交流所用電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

27.5 kV所用變壓器電能凈化裝置采用阻波高通濾波的治理方式，電能凈化器濾波范圍為3～100次諧波，電能凈化裝置不產(chǎn)生額外無功功率，不會(huì)改變系統(tǒng)功率因數(shù)。

2.2 諧波濾波單元

電能質(zhì)量凈化裝置的諧波濾波單元采用無源濾波凈化方式，系統(tǒng)的輸入電源來自27.5 kV/0.4 kV變壓器，采用由3臺(tái)獨(dú)立的單相諧波濾波器構(gòu)成“Y”形三相濾波裝置，用于三相交流電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)濾除高、低次諧波，達(dá)到穩(wěn)定電壓的作用。諧波濾波單元設(shè)計(jì)容量與27.5 kV所用變壓器容量匹配，滿足所用變壓器過載能力和時(shí)間的要求。諧波濾波單元回路內(nèi)置控制電路，單元回路對外提供觸點(diǎn)信號，指示單元回路的工作或故障狀態(tài)。諧波濾波單元回路中還設(shè)置可不拆機(jī)更換的快速熔斷器，對濾波支路提供過電流保護(hù)。

單相諧波濾波器由電感和電容串聯(lián)構(gòu)成（見圖2），通過電感和電容的串聯(lián)諧振（相當(dāng)于短路）對電壓信號進(jìn)行過濾，而將一定頻率的高次諧波過濾掉。其基本原理如下：

圖2 單相諧波濾波器電路

（1）利用電容器通高頻阻低頻的特性，將線路中的高頻干擾電流導(dǎo)入地線［5］。

（2）利用電感線圈的阻抗特性，將高頻干擾電流反射回干擾源［6］。

（3）利用電感線圈和電容線圈的串聯(lián)諧振來過濾掉不同頻率的高次諧波。

2.3 單相濾波器容量計(jì)算方法

式中：u為輸入電源電壓的有效值；ω為電壓的角頻率；t為時(shí)間；U為電壓的最大值，。

消除17、19、21、23、25、27、29、31、33次等更高次的有害諧波，電感L和電容C發(fā)生串聯(lián)諧振。以消除17次諧波為例，滿足式（2）的條件：

式中：角頻率ω=2πf，頻率f=50 Hz。

由式（2）可得電容與電感的關(guān)系，若已知電感L的大小，即可計(jì)算出電容C的大小。其他各次諧波消除的計(jì)算公式以此類推。

3 電能凈化效果試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

電能凈化裝置應(yīng)用和試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在北京供電段管內(nèi)的灤平東牽引變電所。進(jìn)行測試的牽引變電所外部電源采用220 kV供電，牽引變壓器接線方式為Vx接線方式，牽引變壓器為單相變壓器［7］。所內(nèi)自用的1#變壓器為Dny11接線方式，測試點(diǎn)為Dny11變壓器380 V側(cè)電壓，測試儀器為FLUKE435。測試目的：對牽引變電所1#所用變壓器400 V側(cè)進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄。通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的整理分析，驗(yàn)證諧波濾波器投入前后的效果對比。評價(jià)諧波的主要依據(jù)包括諧波電壓綜合畸變率和各次諧波電壓含量，分別在濾波器投入前后，對以上2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明：

諧波電壓綜合畸變率由最大值18.90%下降至3.98%，國家標(biāo)準(zhǔn)為5%，滿足濾波要求。高次諧波中的各次諧波含量最大值由17%下降至4%，國家標(biāo)準(zhǔn)為4%，滿足濾波要求［8］。

3.2 測試數(shù)據(jù)

灤平東牽引變電所測試時(shí)間為2021年10月12—14日，其中10月12日12：00—10月13日12：00濾波器不投入運(yùn)行，10月13日12：00—10月14日12：00濾波器投入運(yùn)行。測試內(nèi)容為濾波器進(jìn)線即1#所用變壓器400 V側(cè)A、B、C三相電壓。

電能凈化裝置投入前后400 V側(cè)三相電壓的總波電壓綜合畸變率（THD）統(tǒng)計(jì)見表1，其實(shí)測數(shù)據(jù)見圖3—圖8。

表1 電能凈化裝置投入前后400 V側(cè)三相電壓THD統(tǒng)計(jì) %

圖3 電能凈化裝置投入前A相電壓THD

圖4 電能凈化裝置投入后A相電壓THD

圖5 電能凈化裝置投入前B相電壓THD

圖6 電能凈化裝置投入后B相電壓THD

圖7 電能凈化裝置投入前C相電壓THD

圖8 電能凈化裝置投入后C相電壓THD

由上述數(shù)據(jù)可知，凈化裝置未投入時(shí)，若接觸網(wǎng)上無列車，考慮95%概率大值，1#所用變壓器400 V側(cè)A相電壓THD為1.95%，B相電壓THD為1.78%，C相電壓THD為2.06%，均小于5%的國家標(biāo)準(zhǔn)；若接觸網(wǎng)上有車輛通過，1#所用變壓器400 V側(cè)A相電壓THD最大值達(dá)到18.90%，B相電壓THD最大值達(dá)到12.16%，C相電壓最大達(dá)到14.82%，均超過5%的國家標(biāo)準(zhǔn)，不滿足設(shè)備用電要求，容易造成設(shè)備的干擾甚至燒損，對設(shè)備有很大威脅。

當(dāng)凈化裝置投入后，若接觸網(wǎng)上無列車，考慮95%概率大值，1#所用變壓器400 V側(cè)A相電壓THD為1.29%，B相電壓THD為1.46%，C相電壓THD為1.50%，均小于5%的國家標(biāo)準(zhǔn)；若接觸網(wǎng)上有車輛通過，1#所用變壓器400 V側(cè)A相電壓THD最大值為4.79%，B相電壓THD最大值為3.98%，C相電壓最大為4.92%，均小于5%的國家標(biāo)準(zhǔn)［9］。

3.3 各次諧波含量對比分析

對電能凈化裝置投入前后各次諧波含量進(jìn)行對比分析，尤其對該線路諧波含量較大的高次諧波進(jìn)行比較。凈化裝置投入前后A、B、C相高次諧波含量對比見圖9—圖11。投入前A、B、C相電壓23、25、27次諧波最大值較大，最高達(dá)到17.11%，遠(yuǎn)超過5%的國家標(biāo)準(zhǔn)；投入后A、B、C相電壓23、25、27次諧波最大值均顯著下降，達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)，濾波效果明顯［10］。

圖9 電能凈化裝置投入前后A相高次諧波含量比較

圖10 電能凈化裝置投入前后B相高次諧波含量比較

圖11 電能凈化裝置投入前后C相高次諧波含量比較

4 結(jié)論

（1）電能凈化裝置未投入時(shí)，400 V側(cè)電壓畸變率較高，31、33、35、37次諧波含量相對于其他次諧波明顯偏高；

（2）電能凈化裝置投入后，400 V側(cè)電壓總畸變率和高次諧波電壓含有率顯著下降，尤其是31、33、35、37次等高次諧波含量明顯降低。投入凈化裝置后，變電所同時(shí)啟動(dòng)空調(diào)、微波爐、電腦等用電設(shè)備，各項(xiàng)設(shè)備正常工作，未出現(xiàn)跳閘情況。