王旭
【摘 要】近年以來,牽引供電系統(tǒng)發(fā)生的高次諧波諧振,導致電力機車高壓跳主斷,牽引變電所主變低壓側過電壓跳閘,甚至燒損機車、接觸網(wǎng)電氣設備,嚴重干擾正常運輸秩序,需引起牽引供電從業(yè)人員高度關注,深入分析牽引網(wǎng)諧振機理,研究諧振抑制對策,采取被動和主動的防御手段,確保牽引供電安全。
【關鍵詞】高次諧波;牽引網(wǎng)諧振;供電安全;防御策略
0 引言
我國電氣化鐵路發(fā)展初期,電力機車大量使用國產(chǎn)韶山系列直流傳動機車,其主流技術采用多段式半控橋整流,通過調節(jié)晶閘管導通角來實現(xiàn)機車出力的調節(jié),其諧波成分主要集中在3、5、7、9等低次諧波,15次以上含量很小,盡管網(wǎng)側電流畸變嚴重,諧波含量大,但波形整體平穩(wěn),電力機車不易引發(fā)牽引網(wǎng)系統(tǒng)諧振。
伴隨我國鐵路事業(yè)的高速發(fā)展,大功率和諧交流傳動機車大量上線運行,由于交流傳動機車網(wǎng)側采用脈寬調制整流電路,網(wǎng)側電流諧波含量小但諧波頻譜較寬,在不恰當?shù)碾姎馄ヅ錀l件下,容易引發(fā)牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振,威脅供電安全。因此,我們將交流傳動機車引發(fā)的高次諧波諧振和防御策略作為重點研究探討的方向。
1 諧波的產(chǎn)生
受電力機車整流裝置、網(wǎng)側變流器等非線性負載的影響,反映到機車主變壓器原邊的牽引電流波形發(fā)生畸變,為周期性的非正弦波,利用傅立葉級數(shù)可將其分解為基波(50HZ)電流分量和若干頻率為基波頻率整數(shù)倍的諧波電流分量的疊加。
2 諧波對電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的影響
2.1 網(wǎng)壓升高機車跳主斷
2.1.1 焦柳線郜營站機車跳主斷
2016年3月5日22時30分,焦柳線T10次,機車號HXD3C-0210,運行至郜營站-耿坡站間上行線K476+093處,司機報告接觸網(wǎng)網(wǎng)壓高跳主斷,停車位置距供電臂末端分區(qū)所2.207公里。該區(qū)段供電方式為直供加回流方式,變電所值班員巡視檢查110KV進線電壓及27.5KV饋線電壓均正常,故障時間段未出現(xiàn)太大波動,符合《鐵路技術管理規(guī)程》(普速鐵路部分)第197條中“接觸網(wǎng)最高工作電壓為27.5KV,短時(5min)最高工作電壓為29KV,最低工作電壓為19KV”的規(guī)定,但分區(qū)所電壓在22時20分作業(yè)出現(xiàn)33KV以上峰值。
綠色為變電所饋出母線電壓,黃色為分區(qū)所母線電壓
2.1.2 2016年2月11日,武九線K1586次,機車號HXD3C-0524,陽新站開車時,司機報告接觸網(wǎng)網(wǎng)壓過高,發(fā)生過電壓保護跳主斷路器,停車位置距離供電臂末端分區(qū)所1.694公里。該區(qū)段為直供加回流供電方式,故障時段該變電所饋線電壓峰值為29.15KV。
2.2 牽引變電所主變二次側過電壓跳閘
2010年2月22日至3月29日,合武線彭崗變電所接連發(fā)生30起主變二次側過電壓保護跳閘。3月27日至29日,在彭崗牽引變電所、K71AT所(麻武線)和新橫店分區(qū)所同時組織了實時錄波測試,共記錄4次彭崗變電所發(fā)生主變二次側過電壓跳閘時的故障錄波數(shù)據(jù),以下對3月28日18:13:19第1次跳閘的測試數(shù)據(jù)進行分析。
T母線電壓有效值29.25kV,基波28.73kV,19次諧波含量18.44%,5.30kV F母線電壓有效值29.97kV
武漢方向T母線電壓頻譜(18時13分)
T線電流有效值48.09A,基波12.01A,19次諧波含量368.7%,44.28A
武漢方向主變二次T線電流頻譜(18時13分)
跳閘時段內合武線無動車組運行,麻武聯(lián)絡線上有51010次單機運行,HXD3機車。從測試結果來看,跳閘時段18時13分彭崗變電所武漢方向供電臂發(fā)生了19次諧波諧振,諧振發(fā)生時變電所內T母線電壓有效值29.25kV,19次諧波含量18.44%,5.30kV;主變二次T線電流測有效值T線電流有效值48.09A,基波12.01A,19次諧波含量368.7%,44.28A。
測試結果表明,19次高次諧波放大彭崗變電所T母線供電臂諧振,主變二次側母線電壓升高,達到過電壓保護啟動定值,觸發(fā)過電壓保護出口跳閘。
根據(jù)對彭崗變電所發(fā)生的30起主變二次側過壓保護跳閘分析,跳閘時段T母線供電臂范圍內多有麻武線HXD3單機運行,說明 HXD3交流機車單機運行工況下,網(wǎng)側電流高次諧波含量較高,與T母線供電臂發(fā)生不恰當電氣匹配關系的概率較大,須引起我們高度關注。
2.3 燒損直流機車RC回路電阻
自2011年武漢北樞紐電化開通投入運行以來,由于交流電力機車產(chǎn)生高次諧波,引發(fā)供電系統(tǒng)諧振,網(wǎng)壓升高導致抗沖擊能力弱且功率相對較小的SS6B型直流電力機車的“RC”回路電阻多次燒損,嚴重干擾影響正常運輸秩序。
2.4 高次諧報諧振燒損接觸網(wǎng)設備
2008年12月合武客專合肥至長安集供電臂由合寧客運專線龍城變電所越區(qū)供電,供電距離約50km。諧振事故發(fā)生期間共先后造成8臺接觸網(wǎng)避雷器爆炸,最后一次發(fā)生在12月25日,在變電所測試時,捕捉到事故發(fā)生時的電壓電流波形。當時D477次CRH2型動車組運行于合肥至龍城間下行方向,出現(xiàn)較大的17次諧波電流放大現(xiàn)象,最大電流總畸變率達220%,導致接觸網(wǎng)出現(xiàn)較大的諧波過電壓,峰值達92KV,最大電壓總畸變率達121%。取消龍城至長安集的越區(qū)供電后,合肥至龍城間產(chǎn)生諧波電流放大次數(shù)23次,但并不嚴重,未出現(xiàn)明顯的諧波過電壓。
測試龍城至合肥及龍城至長安集牽引網(wǎng)諧波電流放大現(xiàn)象。
25日8:33斷路器跳閘時接觸網(wǎng)電壓參數(shù):
有效值:55kV,
峰值:92kV,
電壓綜合畸變率:121%
其中17次諧波含有率:118%。
8:33龍城變電所合肥方向下行饋線斷路器跳閘前,長安集變電所下行接觸網(wǎng)電壓波形見圖1。
8:33龍城變電所合肥方向下行饋線斷路器跳閘前,長安集變電所下行接觸網(wǎng)電壓波形中2~61次諧波電壓含有率見圖2。
3 諧振產(chǎn)生原因
電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)是一個特殊的高壓輸配電網(wǎng)絡,電力系統(tǒng)阻抗和變壓器阻抗呈現(xiàn)電感性質,而接觸網(wǎng)呈現(xiàn)分布電容性質,因此,牽引網(wǎng)存在由電感和電容決定的一個固有諧振頻率。
受電力機車整流裝置、網(wǎng)側變流器等非線性負載的影響,反映到網(wǎng)側的牽引電流波形發(fā)生畸變,含豐富的諧波分量,當某次諧波電流分量與牽引網(wǎng)固有頻率同步,形成不恰當電氣匹配關系時,就會引發(fā)牽引供電系統(tǒng)諧振。
4 諧波應對策略
4.1 車載策略
1)調整牽引傳動系統(tǒng)控制參數(shù),抑制諧波電流分量。
2)改變整車不同動力單元(牽引變流器)的控制策略,比如調整多重化移相角度,使諧波電流頻譜避開牽引網(wǎng)的諧振頻率。
3)在動車組主電路上(高壓或低壓側)增設RC吸收濾波裝置,減少網(wǎng)側高次諧波含量。
4.2 地面策略
1)被動策略
a.改變供電運行方式,AT供電方式可考慮投入和退出AT變運行,直供電方式可考慮改變末端并聯(lián)方式,通過改變系統(tǒng)阻抗來破壞原牽引網(wǎng)諧振環(huán)境。
b.牽引變電所倒換進線電源,通過改變系統(tǒng)阻抗來改變原牽引網(wǎng)諧振條件。
c.在滿足最惡劣情況下末端網(wǎng)壓的前提下,對牽引變電所主變分接開關位置進行調整,一是通過改變系統(tǒng)阻抗改變系統(tǒng)諧振條件,二是通過調整分接開關降低主變二次測電壓,減少諧振過電壓觸發(fā)過電壓保護出口的機會,避免影響行車。
d.改變運輸組織模式,通過調整牽引機型、交路、牽引工況,改變網(wǎng)側電流諧波分量,避免與牽引網(wǎng)發(fā)生諧振。
2)主動策略
對于較大樞紐站區(qū),交直流機車混跑區(qū)段,諧波電流頻譜非常寬,低次、高次諧波含量均比較高,需要對不同頻段的諧波采取不同手段分別進行濾波處理。
a.變電所安裝LC濾波器主要濾去3次諧波。
b.安裝有源濾波裝置APF主要濾去2、4-12次諧波。
c.安裝二階高通無源濾波器HPF主要濾去13次及以上的高次諧波。
對于交流機車和動車徑路,優(yōu)先考慮安裝二階高通無源濾波HPF,對13次及以上的高次諧波進行濾除。南車株洲所對武漢北地區(qū)HPF裝置投入和撤除運行后的網(wǎng)壓和諧波頻譜進行了測試,測試數(shù)據(jù)表明HPF投入運行后,對高次諧波起到了明顯的抑制作用,同時網(wǎng)壓降低明顯。
5 結束語
牽引供電系統(tǒng)的諧振很難預測,根本困難在于牽引變電所外部電力系統(tǒng)的阻抗、頻率特性很難確定,高壓電網(wǎng)結構以及諧波行為的復雜性使得無法通過給定的網(wǎng)絡拓撲和電氣參數(shù)準確計算其9次諧波以上的阻抗。因此,諧振發(fā)生時的應急處置尤為重要,及時調整改變供電運行方式,倒換進線電源,不失為有效的應急手段,但要從根本上解決諧波問題,需要強化車載策略的源頭治理和地面安裝諧波濾波裝置。
【參考文獻】
[1]電氣化鐵道供電系統(tǒng),中國鐵道出版社,李魯華主編,2011年.
[2]動車組與牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振機理與對策,北京交通大學,2011年1月15日.
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