鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波諧振分析及抑制方法研究

單保泉

北京鐵路局石家莊供電段

鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波諧振分析及抑制方法研究

單保泉

北京鐵路局石家莊供電段

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，社會(huì)對(duì)高速運(yùn)輸需求越來(lái)越大。為提高鐵路運(yùn)輸能力，緩解電氣化鐵路運(yùn)輸壓力，近年來(lái)高速鐵路在我國(guó)得到迅猛的發(fā)展。研究鐵路牽引供電系統(tǒng)的諧波和諧振特性，并針對(duì)其原理從根源上提出實(shí)用可行的諧波治理方法，對(duì)保證鐵路供電系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性有重大意義，需要引起我們的重視?；诖吮疚姆治隽髓F路牽引供電系統(tǒng)諧波諧振分析及抑制方法。

鐵路牽引供電系統(tǒng)；諧波諧振；抑制方法

1 、鐵路牽引供電系統(tǒng)

1.1 鐵路牽引供電系統(tǒng)特性

鐵路牽引供電系統(tǒng)是諧波危害的對(duì)象，牽引網(wǎng)是諧波傳輸?shù)穆窂?，?dāng)牽引供電系統(tǒng)參數(shù)滿(mǎn)足一定條件時(shí)，相應(yīng)次數(shù)的諧波便會(huì)在系統(tǒng)的激勵(lì)下發(fā)生諧振，引起的過(guò)電壓和過(guò)電流會(huì)對(duì)牽引網(wǎng)的穩(wěn)定性以及牽引網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生巨大的危害。根據(jù)既有的牽引網(wǎng)傳輸線模型，利用數(shù)學(xué)原理對(duì)阻抗和導(dǎo)納矩陣進(jìn)行降階處理，得到牽引網(wǎng)單位長(zhǎng)度等效阻抗和導(dǎo)納，并將牽引供電系統(tǒng)簡(jiǎn)化為等值電路模型，最后利用模型詳細(xì)地研究了諧波在牽引網(wǎng)的傳輸特性，為后續(xù)諧波抑制方法提供基礎(chǔ)。

1.2 鐵路牽引供電的供電方式

電力牽引供電系統(tǒng)分為直流制和交流制，交流制又分工頻單相交流制和低頻單相交流制。我國(guó)鐵路牽引供電一般采用單相工頻交流制供電。所謂單相工頻交流制供電，是指采用單相雙繞組主變壓器的方式。它有兩種接線方式：簡(jiǎn)單單相接線和V/V 接線。簡(jiǎn)單單相接線設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，主變壓器容量利用率高。在我國(guó)，電力牽引供電的主要方式分為四種，即 AT(自耦變壓器)、BT(吸流變壓器)、直接供電、同軸電力電纜。其供電方式原理圖如下。

圖1 AT自藕變壓器供電方式

圖2 BT吸流變壓器供電方式

圖3 直接供電方式

圖4 同軸電力電纜供電方式

2 、諧波與諧振危害

2.1 諧波危害

諧波對(duì)電力系統(tǒng)的影響非常巨大，主要包括直接影響和間接影響。直接影響主要是對(duì)系統(tǒng)元件(旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器、輸電線路和補(bǔ)償裝置)、測(cè)控裝置(繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置和電氣計(jì)量?jī)x表)及其它電子設(shè)備(主要是微電子裝置)產(chǎn)生影響；間接影響主要是對(duì)附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。供電系統(tǒng)中的諧波危害主要表現(xiàn)在下幾個(gè)方面：

(1)諧波電流在變壓器中會(huì)產(chǎn)生額外的損耗，特別3次及其倍數(shù)次諧波會(huì)在三角形連接的變壓器繞組中形成環(huán)流，引起變壓器繞組、鐵芯發(fā)熱和降低變壓器效率，從而加快變壓器絕緣材料的老化，縮短變壓器的使用壽命。(2)諧波電壓或電流會(huì)増加發(fā)電機(jī)的定子繞組、轉(zhuǎn)子回路以及定子和轉(zhuǎn)子的鐵芯的損耗，這些損耗造成整個(gè)電機(jī)的濕升和局部過(guò)熱，影響電機(jī)的正常工作。(3)諧波電流會(huì)使輸電線路產(chǎn)生附加輸電損耗和發(fā)熱，線路阻抗的頻率特性和集膚效應(yīng)會(huì)加大線路中的交流電阻，増加輸電線路的損耗。

2.2 諧振危害

諧波可能會(huì)引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生諧振時(shí)，諧波電流會(huì)成倍増大，在基波電壓上疊加了幅值很大的諧波電壓，導(dǎo)致過(guò)電流和過(guò)電壓，嚴(yán)重危害設(shè)備運(yùn)行安全性。諧波諧振的危害可總結(jié)為下幾點(diǎn)：

(1)諧振引起的過(guò)電壓，會(huì)使電氣設(shè)備的絕緣擊穿而導(dǎo)致這些設(shè)備損毀。 (2)諧波諧振會(huì)產(chǎn)生高于電源數(shù)倍的電壓，最大可高達(dá)相電壓的3倍左右。商電壓可引起電流互感器、電壓互感器、避雷器、絕緣子的瓷裙表面閃絡(luò)而巧炸，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)纬啥搪贰?/p>

3 、鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波諧振抑制方法

3.1 地面處加裝濾波裝置

3.1.1 無(wú)源電力濾玻器。無(wú)源電力濾波器((Passive Power Filter，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為PPF)由于具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)易、運(yùn)行穩(wěn)定、裝置造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中的諧波治理得到廣泛使用。PPF是由電感L、電容C和電阻R按照一定的參數(shù)配置和一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接而成。將無(wú)源濾波器與諧波源并聯(lián)，利用RLC電路串聯(lián)諧振特性，對(duì)特定次諧波電流形成低阻抗支路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)某些次諧波電流的吸收，減小流向電網(wǎng)的諧波電流，以達(dá)到諧波抑制的作用。

3.1.2 有源電力濾波器。有源電力漣波器(Active Power Filter，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為APF)是電力電子裝里集成設(shè)備，主要用于動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功，它能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)大小和頻率都變化諧波進(jìn)行抑制和對(duì)變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。與傳統(tǒng)的濾波器相對(duì)比，有源電力濾波器能夠?qū)崟r(shí)快速地補(bǔ)償無(wú)功，不易引起系統(tǒng)諧振，并且可以同時(shí)濾除多次諧波。

3.2 機(jī)車(chē)上加裝濾波裝置

而加裝有源濾波器，則需要更多設(shè)備，成本也很高，而在機(jī)車(chē)內(nèi)的牽引變壓器輔助繞組上加裝濾波裝里，能達(dá)到同樣的諧波抑制效果且易于實(shí)現(xiàn)。對(duì)于這種方法，加裝有源濾波器實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，而加裝無(wú)源濾波器相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。濾波器的電感可用變壓器的漏感代替，具有成本低。這種方法從源頭上治理諧波電流，當(dāng)設(shè)計(jì)方法恰當(dāng)時(shí)，濾波效果將非常明顯。

3.3 用于機(jī)車(chē)上的無(wú)源濾渡器

當(dāng)濾波器基波電壓不變時(shí)，濾波器消耗的有功功率與通過(guò)濾波器的基波電流共軛值實(shí)部大小成正比，而濾波器消耗的無(wú)功功率則與基波電流共軛值虛部大小成正比，將基波電流共軛值實(shí)部定義為有功電流，而將基波電流共軛值虛部定義為無(wú)功電流，此來(lái)表示濾波器消耗的有功功率和無(wú)功功率。

總之，當(dāng)牽引供電系統(tǒng)參數(shù)滿(mǎn)足一定條件時(shí)，相應(yīng)次數(shù)的諧波便會(huì)發(fā)生諧振，產(chǎn)生的過(guò)電壓和過(guò)電流危害牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，因此進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其的研究非常有必要。

[1]吳波.高鐵牽引供電系統(tǒng)電磁諧振抑制技術(shù)研究[A].陜西省電網(wǎng)節(jié)能與電能質(zhì)量技術(shù)學(xué)會(huì).2015年電網(wǎng)節(jié)能與電能質(zhì)量論文集[C].陜西省電網(wǎng)節(jié)能與電能質(zhì)量技術(shù)學(xué)會(huì)：2015：5.

[2]周詩(shī)林.電力牽引系統(tǒng)的諧波分析及仿真研究[D].西南交通大學(xué)，2015.