高次諧波放大及其抑制措施

陳忠革，周福林，李 鑫，趙元哲

0 概述

牽引網(wǎng)是由若干導線組成的多導體傳輸線，具有分布電容，在一定頻率下牽引網(wǎng)分布電容和串聯(lián)分布阻抗、變壓器阻抗以及電源阻抗發(fā)生某種形式上的共振是一種必然現(xiàn)象。當電力機車的電流頻譜與牽引網(wǎng)諧振頻率發(fā)生重疊并電流達到一定幅值時，則會激發(fā)牽引網(wǎng)高次諧波共振。

一般情況下，牽引網(wǎng)的諧波共振頻率在19次以上，對于一般普速鐵路而言，其電力機車主要采用相控技術，其電流頻譜主要分布在13次以下，與牽引網(wǎng)發(fā)生共振的可能性很小。而基于交-直-交技術的電力機車的諧波分布更加廣泛，主要集中在19次以上，這與牽引網(wǎng)的共振頻率基本一致。因此，高次諧波共振將成為未來電氣化鐵路面臨的重要問題的結論，已被高速鐵路系統(tǒng)中發(fā)生的多起諧波共振現(xiàn)象所證實。

1 事故分析

從2009年到2011年10月，沈陽鐵路局累計投入HXD3交-直-交型電力機車322臺。2011年5—9月，沈陽鐵路局管內沈山線大虎山、雙羊店等牽引變電所多次發(fā)生電容器熔絲熔斷、沈大線鞍山至小樂屯間接觸網(wǎng)上玻璃鋼絕緣子發(fā)生大批炸裂損壞等現(xiàn)象。2011年10月17日沈陽鐵路局管內立山牽引變電所電容器爆漿；2011年10月20日沈陽鐵路局管內大石橋牽引變電所及四平牽引變電所再次發(fā)生電容器爆漿事故。這幾起事故嚴重威脅沈陽鐵路局所屬電氣化線路的安全運行并造成巨大經(jīng)濟損失。

圖 1為雙羊牽引變電所變壓器二次側諧波電流的監(jiān)控數(shù)據(jù)，從圖1可以看到27次諧波的幅值比達到 7.2%，遠大于高次諧波的正常范圍，存在著諧波放大的現(xiàn)象。結合測試結果進行理論分析，它主要是由于交-直-交型電力機車自身產生的高次諧波與經(jīng)過牽引供電系統(tǒng)線路引起的諧波放大。當發(fā)生系統(tǒng)諧振時，諧波電流將被進一步放大，并激發(fā)較高的諧波電壓，補償電容器組在諧波電壓和流經(jīng)的諧波電流作用下，可引起電容器熔絲熔斷以及爆漿。諧波過電壓還會影響整個牽引供電系統(tǒng)的絕緣，成為系統(tǒng)安全運行的重大隱患。

2 諧波諧振原理及影響

（1）諧波諧振的基本原理。由接觸網(wǎng)、系統(tǒng)電源、牽引變壓器、電容補償器組成的牽引供電網(wǎng)絡如圖2所示，該供電系統(tǒng)具有一定的諧振頻率。當外部電流頻率與諧振頻率一致時，則可能引發(fā)諧波共振。

圖1 雙羊店牽引變電所變壓器二次側諧波電流圖

圖2 牽引供電系統(tǒng)簡圖

交-直型機車及交-直-交型機車的諧波電流頻譜如圖3、圖4所示。從圖3可以看到交-直型機車的諧波主要集中于3次、5次、7次、9次等低次諧波，隨著諧波次數(shù)的升高諧波含量快速下降。而交-直-交型機車的諧波頻譜分布廣泛，雖然低次諧波含量較交-直型機車大幅度降低，但高次諧波（20次～50次）含量較高。所以交-直-交型機車運行時就更容易激發(fā)諧振，造成諧波電流放大或電壓畸變、電壓升高。

圖3 交-直型機車諧波頻譜分布圖

圖4 交-直-交型機車諧波頻譜分布圖

（2）諧波諧振的影響。諧振產生的過電壓、過電流會對牽引供電系統(tǒng)產生較嚴重的影響，其中主要包括以下3個方面：

a.諧波諧振引起諧波電流放大，流經(jīng)電容器組，可引起電容器組熔絲熔斷或電容器過流損壞。

b.諧波諧振會產生過電壓，施加在回路中的電容器、互感器以及斷路器等設備上，引起高壓電氣設備絕緣損壞。在熔斷器未及時熔斷的情況下會引起電壓互感器噴油、繞組燒毀甚至爆炸。

c.諧振引起的過電壓還可能導致氧化鋅避雷器的損壞。在過電壓的作用下連續(xù)動作，可能最終會發(fā)生熱崩潰而損壞。

3 治理方案

目前國內外對于諧振治理的研究主要集中于以下2個方面，一是改變供電系統(tǒng)電氣參數(shù)，改變系統(tǒng)自然頻率；二是采用高通濾波器濾除高次諧波。下面分別進行分析。

（1）改變系統(tǒng)電氣參數(shù)結構，從而改變系統(tǒng)的諧振頻率。該方法的主要原理就是改變線路的電容分布情況，從而改變系統(tǒng)自身的諧振頻率。可以采取將原先未并聯(lián)的牽引網(wǎng)并聯(lián)、將已并聯(lián)的牽引網(wǎng)解列等手段。該方法的優(yōu)點是投資相對較低，但是并不能完全消除發(fā)生諧振的可能，只是移動了系統(tǒng)的諧振頻率。

（2）采用高通濾波器濾除高次諧波，該方法是在牽引變電所或分區(qū)所裝設高通濾波器，將交-直-交型電力機車產生的高次諧波濾除，消除諧振的激勵源，從而達到消除諧振的作用。該方案的優(yōu)點可以徹底的消除系統(tǒng)發(fā)生諧振的可能、不影響既有系統(tǒng)的功率因數(shù)、系統(tǒng)損耗小、適用于各種類型的線路以及機車類型，缺點是要進行設備投入，需要改造成本。

西南交通大學相關研究人員提出了將一種二階阻波高通濾波器放置在牽引變電所末端或首段，以實現(xiàn)濾除高次諧波，抑制諧波共振的目標。采用Matlab/simulink對阻波高通濾波器濾除諧波的效果進行仿真驗證，仿真結果如圖5所示。從圖5中可以看到，在未采用阻波高通濾波器的情況下，饋線上的高次諧波含量較高，呈現(xiàn)鋸齒狀波形，產生了嚴重的諧振過電壓，并使饋線電壓嚴重畸變，采用阻波高通濾波器后，線路上的高次諧波基本上消除，諧振得到抑制，仿真結果證明了阻波高通濾波器可以起到濾除線路高次諧波達到消除諧波共振的效果。

圖5 采用阻波高通濾波器的效果對比圖

沈陽鐵路局哈大線、沈山線主要采用的是牽引網(wǎng)末端并聯(lián)的直供方式、供電臂負荷相對較重且交-直型機車與交-直-交型機車混跑，若將牽引網(wǎng)末端并聯(lián)解除有可能引起牽引供電臂末端的網(wǎng)壓不足，切除并聯(lián)補償裝置則又可能影響系統(tǒng)的功率因數(shù)。鑒于目前沈陽鐵路局的現(xiàn)狀，本文推薦采用阻波高通濾波器的方式來濾除交-直-交型機車產生的高次諧波，消除諧波源從而徹底消除系統(tǒng)諧振的可能。

4 結論

本文基于沈陽鐵路局雙羊店牽引變電所和立山牽引變電所的實測數(shù)據(jù)，從理論上分析了沈陽鐵路局多次發(fā)生的電容器熔絲熔斷和爆漿現(xiàn)象的原因，并提出了相關的解決方案。隨著國內電氣化鐵路事業(yè)的大力發(fā)展，傳統(tǒng)的基于相控技術的交-直型電力機車被基于交-直-交傳動技術的電力機車所代替是必然趨勢。交-直-交型機車產生的高次諧波一旦與牽引供電系統(tǒng)諧振頻率匹配，就可能引起系統(tǒng)諧振，直接威脅牽引供電系統(tǒng)的安全運行，應該引起相關單位重視，建議盡早采取相關措施，保證鐵路安全運行。