淺析電力機車對牽引網電能質量的影響

韓智玲

(中國鐵道科學研究院,北京 100081)

1 引言

電力機車作為牽引網的非線性不對稱負載,它的工作電壓和電流的質量直接影響到牽引網的電能質量。目前國內普遍使用的交-直電力機車,存在功率因數低,諧波電流大的問題。而由國外引進的交-直-交電力機車雖然功率因數較高,但是在運行過程中會出現車網電壓諧振和低頻震蕩現象,嚴重影響了整個系統的正常運行。

2 電力機車產生的諧波對牽引網的影響

交-直相控電力機車在額定工況時的功率因數≥0.9,穩態運行時只產生奇次諧波,只在涌流中含有偶次諧波。其中3次諧波電流含有率最大,隨著諧波次數的增大,其諧波含有率快速遞減,15次諧波幾乎降到1%。國內實測機車諧波電流:3次為20%～25%,5次為10%～13%,7次為6%～8%。交-直相控電力機車電流的波形隨相控角的變化而改變,諧波電流隨基波劇烈波動。諧波含量還取決于機車的運行工況,機車在輕載時產生的諧波電流則更大。

由于諧波電流能夠引起牽引網電壓畸變,使牽引變電所并聯補償裝置的部分電容器因電介質擊穿而造成容值增大,引發電容系統的差壓保護動作;干擾遠動遙測、遙信系統,造成誤傳信息等等,所以需要采取有效的措施治理諧波。如在電力機車上加裝濾波裝置,在變電所集中補償,加大牽引網容量,增加供牽引網絡間的聯絡支路,以提高牽引網的抗諧波能力。

采用PWM技術的交流變頻調速機車運行功率因數一般大于0.96,產生的諧波較小(總諧波電流畸變率小于 5%)。具有 3點式變流器(GTO)或交錯整流橋電壓轉換器的交-直-交電力機車的諧波電流頻譜大都集中在31次以上的音頻范圍內,對牽引網影響較大的3,5,7次等低頻諧波含有率基本為零。此外,總的諧波電流含有率也比一般交-直電力機車低很多。

3 電力機車與牽引網產生的諧振現象

在電力機車運行過程中,由于存在牽引網對地分布電容和回路電感的影響,當電力機車和牽引網的阻抗構成某次諧波的諧振回路時,就會造成牽引負荷諧波電流的諧振放大,危及系統安全。諧振一旦形成,直到遇到新的干擾改變了系統參數,破壞諧振條件后諧振才可能消除。

當發生并聯諧振時,負載中的電流是輸入總電流的Q倍,稱“電流諧振”;發生串聯諧振時,負載中的電壓是輸入電壓的Q倍,稱“電壓諧振”。

由于電力機車運行過程中,牽引網的分布參數是不斷變化的,如何在線辨識牽引網的分布參數,找到時變的諧振條件,判斷引起諧振的諧波源是解決問題的關鍵。文獻[1]分析了電力機車在運行過程中出現的并聯和串聯諧振現象,并畫出了長度為60 km的供電線關于網側輸入阻抗、機車位置、諧波頻率的三維圖。從圖1可以看出在頻率為1520 Hz,3000 Hz,5200Hz附近,車網在供電線的任何位置都處于諧振狀態,而對于頻率1520 Hz是在大概30 km處諧振情況最嚴重。

圖1 不同位置和頻率的網側輸入阻抗Fig.1 The line input impedance at different position and frequency

針對電力機車和牽引網產生并聯和串聯諧振的現象,文獻[2]提出了一種解決方法。文中推導出了在線識別諧振條件的傳遞函數,通過控制網側變流器PWM的開關角使得車網的總諧波能量最小化來避開諧振點。

4 電力機車與牽引網發生的低頻振蕩現象

2007年12月,太原鐵路局湖東機務段和湖東一場、二場的HXD1型電力機車與接觸網發生電壓振蕩,致使機車牽引封鎖而無法運行。通過實驗測試后發現,在同一供電臂下有6臺空載HXD1型電力機車同時運行是車網震蕩的臨界點。6臺機車同時運行會出現振蕩一段時間后收斂現象,而當6臺機車同時運行振蕩收斂后再投入一臺機車,振蕩加劇并最終導致封鎖保護,見圖2。震蕩出現時機車牽引變流器中間直流回路電壓和網流、網壓的振蕩頻率均為3～4 Hz,而牽引網的頻率是50 Hz,所以這種震蕩屬于低頻振蕩。

圖2 機車發生振蕩、牽引封鎖及自動重啟Fig.2 The process of the oscillation between locomotive and power supply netwo rk,the traction blockade of converter and automatic restart

通過進行牽引變電所補償電容器投切試驗,變電所供電變壓器網壓調節試驗,接觸網分布參數影響試驗,改變機車負載試驗,再生制動對振蕩工況影響試驗,外部負載對振蕩影響的試驗發現只有外部負載對改善振蕩有積極的作用。

最后經過分析得出低頻震蕩是由于HXD1型電力機車網側4象限變流器的控制參數和牽引網的系統參數不匹配,引起了機車與牽引網的震蕩。西門子技術人員通過改變網側4象限變流器的控制特性,改進補償環節和濾波器設計,解決了車網低頻震蕩問題。

文獻[3]介紹了在瑞士蘇黎世由于大量車型為Re450的機車同時投入運行引起了頻率為5 Hz的車網低頻振蕩,文中通過仿真觀察到當5臺機車同時運行時,5 Hz的振蕩很好的衰減了。而12臺機車同時運行時,振幅逐漸增大。之后文中對12臺機車同時運行的情況做了改進,調整了中間直流電壓控制器的參數后發現振蕩被衰減了。從而可以得出同時運行的機車數量和控制系統的參數都會對車網低頻振蕩有很大的影響。

5 結論

我國目前普遍使用交-直電力機車,它產生的諧波問題已經受到高度重視,可以采取許多有效的措施來減弱諧波對牽引網的影響。對于我國新引進的交-直-交電力機車,由于經驗不足,對于車網諧振和車網低頻震蕩等問題仍然需要深入分析原因并找到有效的解決辦法。

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