交-直-交型電力機車網(wǎng)側(cè)諧波對牽引變電所的影響及改進

摘要：本文分別對比介紹了新型交-直-交型大功率電力機車和以SS4為代表的傳統(tǒng)型交-直型電力機車的主電路拓撲結(jié)構(gòu)及其網(wǎng)側(cè)電流諧波特性。由測試結(jié)果表明大功率電力機車與傳統(tǒng)電力機車相比最顯著的特征是其諧波特性不同，并分析了網(wǎng)側(cè)諧波對牽引變電所電氣設(shè)備造成的影響和采取的相應(yīng)的技術(shù)改進措施，確保牽引供電系統(tǒng)的正常運行。

關(guān)鍵詞：交直交，電力機車;牽引供電;諧波

引言

近年來，我國電氣化鐵路建設(shè)進入了高速發(fā)展階段，交流傳動的電力機車將逐步成為我國高速鐵路和重載線路的主力車型，其核心是“交-直-交”型傳動系統(tǒng)，其主電路拓撲和控制方式與傳統(tǒng)的韶山系列交直電力機車有著明顯不同，因此具有高功率因數(shù)、可實現(xiàn)能量的雙向流動等優(yōu)點，但諧波特性也有較大差別。由于諧波特性的改變，這些新型動車組及機車與已有牽引供電系統(tǒng)存在匹配問題，我國對于交直交型電力機車諧波問題的研究尚處于起步階段，為便于諸如神朔鐵路等重載鐵路的牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此有必要對不同類型的電力機車的諧波特性進行實測和對比分析。

在國鐵工程試驗和機車運行效果表明，新型電力機車陸續(xù)發(fā)生一些故障，如：牽引變電所交直流屏上的充電模塊出現(xiàn)燒損、牽引變電所電容器組過電壓跳閘、電力機車RC阻容燒損、電磁干擾引起牽引變電所繼電保護誤動作等。通過對神朔鐵路府谷牽引變電所和隴海線華山變電所進行諧波測試、電容器組過電壓跳閘前后的專題等測試工作，獲得了交-直-交電力機車的諧波頻譜、電鐵諧波的特性、變電所無功動態(tài)補償裝置的補償效果等資料。本文簡要介紹SS4G型交直、HXD型交直交電力機車的諧波特性及其對牽引供電系統(tǒng)的影響，并針對運行中出現(xiàn)的故障研究提出了技術(shù)改進措施。

1 交-直型和交-直-交型電力機車模型

1.1 交直型電力機車主電路拓撲結(jié)構(gòu)

以韶山4改進型電力機車為例（以下簡稱SS4G型電力機車），主電路采用大功率晶閘管與二極管組成的不對稱經(jīng)濟半控橋式整流電路（不等分三繞組，三段半控橋式整流調(diào)壓電路）。機車傳動采用傳統(tǒng)的直流傳動方式，牽引電機為串勵脈流牽引電動機。機車基本特性和參數(shù)參見文獻[1] ，主電路如下圖1所示。

1.2 交直交型電力機車主電路拓撲結(jié)構(gòu)

HXD1、HXD2、HXD3型大功率電力機車的整流部分采用的是兩電平4象限變流器，其主電路如圖1所示。

圖2中，uN為牽引變壓器二次側(cè)電壓，Ud為直流側(cè)電壓，LN和RN分別為二次側(cè)等效電感和電阻，Cd為直流側(cè)支撐電容，L2和C2構(gòu)成二次濾波回路。S1～S4為可關(guān)斷電力半導(dǎo)體開關(guān)器件，由它們構(gòu)成的橋式逆變器能將中間儲能回路或者負載端的能量逆變?yōu)榻涣?D1～D4為功率二極管，由它們構(gòu)成橋式整流，能將電網(wǎng)的交流電能變?yōu)橹绷?，采用一定的控制策略對S1～S4進行導(dǎo)通與關(guān)斷控制，可以在四象限變流器的輸入端，即ab端生成一個與電網(wǎng)同步，基波相位和幅值均可調(diào)節(jié)的脈寬調(diào)制波，記為us。

2 諧波特性

依據(jù)GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》等系列國家標(biāo)準(zhǔn)，采用美國Fluke公司生產(chǎn)Fluke435電能質(zhì)量分析儀對神朔鐵路和隴海線某變電所和對牽引供電諧波特性進行了測試，該分析儀每周期采樣點為256個，可測量50次內(nèi)諧波，電壓測量精度為0.1%，電流測量精度為0.5%，同時，該計量產(chǎn)品都經(jīng)過國家技術(shù)監(jiān)督局的質(zhì)量檢測，通過了CMC認證（計量產(chǎn)品生產(chǎn)許可證）。

本文分別對交直型電力機車、交直交型電力機車進行了諧波特性進行了測試與分析，對比35kV電壓等級諧波電壓要求，奇次諧波電壓低于2.4%，偶數(shù)次諧波電壓低于1.2%。

我國現(xiàn)有的交直型電力機車主要有SS4G型、SS4型、8K型、SS3型、SSI型，但其電路結(jié)構(gòu)相同，只是電路參數(shù)有所不同，因此其諧波分布規(guī)律也基本相同。

通過對比測試與分析，由測試結(jié)果可知，交直型電力機車的諧波含量比較高，THD值在10%左右，機車功率因數(shù)較低，通常在0.6～0.9之間。網(wǎng)側(cè)電流中主要含有低次的奇次諧波，尤以3次和5次諧波含量最高。同時，機車整流電路的段數(shù)越高，其功率因數(shù)也越高，這符合多段橋式整流電路的設(shè)計要求。

（2）交直交型電力機車諧波特性

隨著我國電力機車生產(chǎn)企業(yè)“引進一吸收一消化一再創(chuàng)新”步伐的加快，企業(yè)已經(jīng)具備了8軸、6軸和4軸交直交型電力機車的生產(chǎn)能力，開發(fā)出了HXD系列機車產(chǎn)品，與此同時，牽引供電設(shè)備所承受的諧波也面臨的新的挑戰(zhàn)。

交直交型電力機車，其傳動系統(tǒng)的主電路為“交-直-交”型，即整流器+逆變器+交流異步牽引電機，其中整流器均為四象限PWM整流器，故交直交型電力機車其諧波特性與交直型電力機車的相控整流有著本質(zhì)區(qū)別。

3 諧波對電氣化鐵路電力牽引設(shè)備的影響和改正措施

3.1 牽引變電所FC濾波支路過電壓跳閘分析及改進措施

3.1.1 牽引變電所FC濾波支路過電壓跳閘原因分析

‘十一五’期間，交直交型電力機車迅猛發(fā)展，HXD系列機車相繼在國鐵和地方鐵路爭相選用，鐵路饋線負載主要包括HXD1、HXD3、SS4B、SS4G等交直、交直交系列電力機車混合分布，諧波特性由原有的低次諧波為主變?yōu)榈痛魏透叽沃C波含量高的現(xiàn)狀。

據(jù)統(tǒng)計，電氣化鐵路牽引變電所新增HXD系列交直交電力機車后，F(xiàn)C電容濾波支路頻繁出現(xiàn)差壓保護跳閘，二次保護輸出值最大值達12V以上，嚴重影響牽引變電所功率因素等電能質(zhì)量考核指標(biāo)，導(dǎo)致電力部門采取經(jīng)濟罰款，對爬坡多、重負載、牽引供電末端等牽引供電工況，由于電壓低落嚴重，時常出現(xiàn)機車停運等影響安全行車現(xiàn)象。

牽引變電所既有FC濾波支路主要針對交直型電力機車設(shè)計，主要有3次（感抗與容抗之比 a=XL/XC=12%）和5次濾波支路（a=6%），根據(jù)放電線圈國家標(biāo)準(zhǔn)DLT653-1998、JBT 8970-1999、DL/T653-2009技術(shù)文件，未對高次諧波引起放電線圈二次電壓阻抗特性做要求，交直交電力機車引起的高次諧波流入FC濾波支路時引起LC阻抗特性發(fā)生變化，放電線圈低壓側(cè)感應(yīng)的電壓不協(xié)調(diào)，引起過電壓跳閘。

3.1.2 牽引變電所FC濾波支路改進措施

針對交直交型電力機車引起的高次諧波對既有牽引供電FC濾波支路頻繁出現(xiàn)過電壓的現(xiàn)場，目前，普遍實施有效的措施是在放電線圈二次回路側(cè)增設(shè)一種高通濾波裝置，通過合理的對RC裝置進行選型，該方案下3、5、7、11次低次諧波將有效引起微機保護裝置跳閘，對正?；〞r，基波阻抗X1>Max（R，Xc），亦可有效實現(xiàn)差壓保護，同理可知，20次以上高次諧波流入該系統(tǒng)時，RC方案可有效濾除高次諧波，確保既有保護裝置不差壓保護而穩(wěn)定運行。

3.2 牽引變電所交直流屏燒損原因及改進措施

3.2.1 牽引變電所交直流屏燒損原因

新型交直交電力機車迅猛投入各大路局和鐵路沿線后，貨運量快速提升的同時，牽引供電系統(tǒng)交直流屏不斷出現(xiàn)指示燈、蓄電池?zé)龘p等現(xiàn)象。

傳統(tǒng)的交直流屏交流電源進線處主要針對是韶山系列電力機車產(chǎn)生的3、5、7次等低次諧波而設(shè)置了濾波裝置，而未能適用于新型交直交和諧號電力機車產(chǎn)生的高次諧波（31～47次諧波），交直流屏充電模塊的輸入端為橋式整流部分，對諧波電壓抑制功能較差，完全靠母線電解電容來承受。

直流屏蓄電池整流模塊工作時自身會產(chǎn)生較大的電流畸變，這個畸變電流在流經(jīng)電網(wǎng)時又會額外地產(chǎn)生新的諧波電壓，反過來作用于模塊輸入，進一步影響了模塊工作。高次諧波電壓直接疊加在交流屏的元器件上，整流模塊上的電容因長時間在過電壓狀態(tài)下運行而燒損，進而導(dǎo)致整個整流模塊燒損。

3.2.2 牽引變電所交直流屏燒損技術(shù)改進措施

為能有針對性地對交流電源進線高次諧波進行濾除，徹底有效地改善電源質(zhì)量，在工程運用中取得顯著的技術(shù)改進措施有：

（1）增設(shè)一種接觸網(wǎng)電源凈化裝置。接觸網(wǎng)電源凈化裝置采用交-直-交系統(tǒng)，輸入電壓經(jīng)二極管不控整流和電解電容濾波后變?yōu)槠交绷?，直流電?jīng)全橋功率逆變輸出正弦脈寬調(diào)制波，通過升壓變壓器調(diào)整脈寬調(diào)制波幅值，經(jīng)LC低通濾波得到所需交流電。此方案通過直流環(huán)節(jié)實現(xiàn)輸入電壓同輸出電壓解耦，可有效解決輸入電壓品質(zhì)差的問題。同時為有效解決輸入電壓諧波含量較大和尖峰電壓較高的情況，輸入設(shè)計濾波支路，保證輸入功率回路和控制回路的供電適應(yīng)性。

（2）在牽引變電所增設(shè)置低壓有源濾波器（APF）。有源濾波器是新型電力諧波治理專用設(shè)備。它由指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路2個主要部分組成。指令電流運算電路實時監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入高速數(shù)字信號處理器（DSP）對信號進行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制（PWM）信號形式向補償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動脈沖，驅(qū)動功率模塊生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網(wǎng)，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波。

3.3 牽引變電所電磁干擾及改進措施

3.3.1 牽引變電所電磁干擾現(xiàn)象

新型交直交電力機車產(chǎn)生的高次諧波引起的電磁干擾主要通過傳導(dǎo)和輻射傳播，輻射干擾源是指以電磁波形式傳播的電磁干擾，通過天線等介質(zhì)（包括自然空間）以電磁波的特性和規(guī)律傳播，此外，布線，結(jié)構(gòu)件、元件、部件等滿足條件時，亦起到發(fā)射天線與接收天線的作用，即產(chǎn)生天線效應(yīng)，并通過編織屏蔽層或連接電纜向外輻射。

傳導(dǎo)干擾源是指許多電子設(shè)備的硬件包含著具有天線能力的元件，如電纜、印刷電路板的印制線、內(nèi)部連接線和機械結(jié)構(gòu)。它們能與電場、磁場或電磁場方式傳播能量并耦合到輸出電纜中，干擾源就是通過這些能量耦合方式將干擾施加于敏感設(shè)備上。

3.3.2 牽引變電所電磁干擾改進措施

針對高次諧波引起電氣化鐵路牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)誤報、誤跳閘;對通信設(shè)備和線路產(chǎn)生信號干擾;監(jiān)控視頻出現(xiàn)花屏、黑屏等現(xiàn)象，嚴重影響電調(diào)控制指揮、變電所值班人員安全作業(yè)。通過供電車間不斷試探性技術(shù)改進試驗，提出了衰減輻射干擾和降低電磁干擾的顯著的措施：

一是增加濾波裝置和信號隔離裝置。

二是改造牽引變電所既有高壓電纜和二次電纜屏蔽措施和敷線形式：回流電纜單獨走電纜溝;二次電纜與高壓電纜在電纜溝中分開并避免平行走線;監(jiān)控視頻線、VG線穿管布線防止產(chǎn)生電磁干擾。與此同時，更換既有綜合自動化保護裝置、監(jiān)控視頻裝置和綜合自動化系統(tǒng)和視頻電源系統(tǒng)輸入，改用所用電。

4 ?結(jié)束語

新型交直交大功率電力機車上線運行后，不斷出現(xiàn)牽引變電所、亭交直流屏等電氣設(shè)備燒損、電容器濾波支路過電壓跳閘、電磁干擾等系列問題，經(jīng)測試分析均與其產(chǎn)生的諧波有關(guān)，而既有牽引供電設(shè)備電氣特性主要是針對原有韶山系列電力機車和國標(biāo)、鐵標(biāo)制造，因此，改善電能質(zhì)量和研制新型治理高次諧波裝置將成為“十二五”電氣化鐵路亟待解決的課題。

參考文獻：

[1] 張有松，朱龍駒主編.韶山4型電力機車.北京.中國鐵道出版社，1998年

[2] 李建華，豆風(fēng)梅，夏道止.韶山4型電力機車諧波電流的分析計算.電力系統(tǒng)自動化，1999.23（16）.PP 10-13

[3] 趙四洪.基于電力機車不同工況的負荷諧波分析及仿真.西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003

作者簡介：

范旋（1966年9月），男，工程師，從事鐵路牽引供電、鐵道電氣化工程維護管理工作

（作者單位：神朔鐵路分公司）