牽引變壓器空載諧波電流特性分析

李健華 郭立飛 趙麗平

（1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031；2.昆明鐵路局昆明供電段，昆明 650100）

在牽引變壓器的實(shí)際運(yùn)行中，空載電流中有著較大的諧波含量，然而由于空載電流相比于額定電流要小的多[1]，注入牽引供電電網(wǎng)中的諧波電流很小，對電網(wǎng)諧波影響也很小，所以絕大部分情況下空載諧波問題都被忽略。但是在某些特別情況下（如偏遠(yuǎn)地區(qū)的輕負(fù)荷時(shí)段），此時(shí)諧波電流所占比重急劇增加會對整個(gè)供電系統(tǒng)產(chǎn)生較大的諧波影響，此時(shí)的空載諧波影響是不能忽略的。

我國電氣化鐵路地域分布廣闊，不同地區(qū)的電網(wǎng)狀況不盡相同，各地諧波問題差異極大。為了更好地研究牽引供電系統(tǒng)的空載諧波影響，有必要對牽引變壓器空載諧波電流特性進(jìn)行深入的分析，這不僅關(guān)系到牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題，也關(guān)系到電網(wǎng)與電氣化鐵路的諧波問題之爭。同時(shí)，通過空載諧波電流的測量和分析，能夠驗(yàn)證牽引變壓器鐵心的設(shè)計(jì)計(jì)算、工藝制造是否符合技術(shù)條件要求、鐵心是否存在缺陷等問題

就目前國內(nèi)的研究成果來看，研究內(nèi)容主要集中在電氣化鐵路牽引負(fù)荷的諧波分析[2-5]、牽引網(wǎng)諧波模型分析計(jì)算[6-9]以及電氣化鐵路電能質(zhì)量[10-11]等領(lǐng)域，對牽引變壓器的空載諧波問題的關(guān)注很少。

本文根據(jù)京滬線東光變電所牽引變壓器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，測量了牽引變壓器的空載諧波電流，對牽引變壓器空載諧波電流的特點(diǎn)及分布特性進(jìn)行了探討，并對東光所所用的牽引變壓器質(zhì)量進(jìn)行了評估。

1 牽引變壓器空載諧波電流測量

根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)測測量結(jié)果。A 相空載諧波電流部分測量結(jié)果如圖1所示。

圖1 A 相空載諧波電流部分測量結(jié)果

當(dāng)電網(wǎng)公共連接點(diǎn)短路容量不足用戶容量的30～50 倍時(shí)，即可認(rèn)為是小電網(wǎng)，小電網(wǎng)供電能力較弱，承受諧波電流也比較弱。在深夜到清晨的輕負(fù)荷時(shí)段，牽引供電系統(tǒng)中此時(shí)的諧波源主要就是牽引變壓器。

牽引變壓器鐵心的飽和程度愈高，勵(lì)磁電流畸變得愈厲害，諧波影響愈嚴(yán)重。牽引變壓器工作時(shí)的鐵心跑和程度會受到運(yùn)行電壓的直接影響，當(dāng)運(yùn)行電壓升高時(shí)，會使得牽引器鐵心的飽和程度變深。通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)牽引變壓器工作在空載工況下，牽引供電電網(wǎng)末端電壓會有一個(gè)較大幅度的抬升，使得電網(wǎng)運(yùn)行電壓偏高[12]。

所以當(dāng)牽引變壓器處于某些特別情況下（如偏遠(yuǎn)地區(qū)的輕負(fù)荷時(shí)段）時(shí)，牽引供電電網(wǎng)末端電壓抬升，運(yùn)行電壓偏高，鐵心飽和程度加深，諧波電流諧波電流急劇增大，由于小電網(wǎng)諧波阻抗比較大，較小的諧波電流都會引起較大的諧波電壓，對整個(gè)供電系統(tǒng)產(chǎn)生較大的諧波影響,所以此時(shí)的空載諧波影響是不能忽略的。

2 牽引變壓器空載諧波電流分布特性

本文以京滬線東光變電所為例，采用的數(shù)據(jù)為1 天24h 連續(xù)實(shí)測的數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間間隔為3s，一共28800 個(gè)點(diǎn)。各次空載諧波電流均以A 相基波電壓為基準(zhǔn)向量，牽引變壓器A 相空載諧波電流散點(diǎn)圖如圖2所示。

從諧波電流散點(diǎn)圖中可以看到：①3 次空載諧波電流主要分布在第三象限；②5 次空載諧波電流主要分布在第二象限；③7 次空載諧波電流主要分布在第一象限；④9 次空載諧波電流主要分布在第一、四象限；⑤11 次空載諧波電流主要分布在第四象限；⑥13 次及以上各次空載諧波電流則在均勻地分布在四個(gè)象限內(nèi)。

從中可以得到牽引變壓器空載諧波電流的分布特性：牽引變壓器奇次空載諧波電流在在四個(gè)象限內(nèi)廣泛分布，并且隨諧波次數(shù)的增加，諧波向量在四個(gè)象限內(nèi)的分布越來越均勻。由于低次空載諧波電流的分布特性與高次空載諧波電流的分布特性明顯不同，所以在分析與治理諧波問題的時(shí)候，應(yīng)該分開單獨(dú)考慮。

3 東光所牽引變壓器質(zhì)量評估

圖2 牽引變壓器A 相空載諧波電流散點(diǎn)圖

牽引變壓器的空載諧波電流除了與運(yùn)行電壓有關(guān)外，還與牽引變壓器在額定電壓下選取的磁密有關(guān)，牽引變壓器額定電壓下選取的磁密直接影響著 牽引變壓器工作時(shí)鐵心的飽和程度。膝點(diǎn)電壓越小說明牽引變壓器選取的額定磁密越大，牽引變壓器鐵心越容易飽和，在相同的運(yùn)行電壓下，膝點(diǎn)電壓越小，諧波影響越嚴(yán)重，變壓器質(zhì)量越差。

同時(shí)當(dāng)變壓器設(shè)計(jì)的膝點(diǎn)電壓選擇比較小時(shí)，隨著運(yùn)行電壓的上升，牽引變壓器鐵心磁通密度快速飽和，諧波電流呈非線性地急劇上升。為了更好地評估變壓器的質(zhì)量，看牽引變壓器的膝點(diǎn)電壓是否選擇合理，本文測量了A 相各次空載諧波電流與基波電壓（以A相電壓為基準(zhǔn)電壓）的關(guān)系散點(diǎn)圖，結(jié)果如圖3所示。

圖3 空載諧波電流與基波電壓關(guān)系散點(diǎn)圖

從圖中可以看到，東光所牽引變壓器的基波電壓與空載諧波電流是成線性變化關(guān)系的，這說明東光所所用的牽引變壓器膝點(diǎn)選擇合理，隨著運(yùn)行電壓的上升，諧波電流呈線性地增加，變壓器的質(zhì)量是合格的。

4 結(jié)論

發(fā)現(xiàn)在某些特殊情況下（特別是在小電網(wǎng)中），空載諧波問題不能再簡單的忽略，此時(shí)的諧波問題不僅是用戶有關(guān)，而且與電網(wǎng)強(qiáng)弱、牽引變壓器的質(zhì)量是否合格等密切相關(guān)，所以這時(shí)候如何劃分諧波超標(biāo)的責(zé)任，已經(jīng)不能再參照大電網(wǎng)中的責(zé)任劃分來實(shí)行，需要對各種電網(wǎng)狀況下的空載諧波問題進(jìn)行客觀、全面地分析。同時(shí)在我國的工程實(shí)際中，由于條件的限制或各種實(shí)際原因，在諧波問題的評價(jià)中空載諧波問題基本都是被忽略的，諧波問題的評價(jià)并不能完整的體現(xiàn)其真實(shí)性，這都需要我們對空載諧波問題有一個(gè)更客觀、更全面的認(rèn)識。

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