京哈線鐵路自閉貫通電能質量分析及治理方案

張 誠，張紀元，周惠斌，王 靜

0 引言

2013 年暑運以來，京哈線唐山北、富莊子、玉田、螺山、別山、薊縣南等6 個電務信號樓電源屏不同程度地出現了不正常運行狀態且發生的頻率成增加趨勢，特別是由玉田10 kV 鐵路配電所供電的唐山北站電務信號樓出現的概率最大，問題也最為嚴重，直接影響了設備的正常運行，因此必須盡快找出原因，排除故障。

具體故障現象：電源屏時常發出嘯叫聲，自動調壓控制模塊對調壓器誤發調壓指令，曾經發生過有載調壓器電壓調節方向與需要調節的方向相反的情況，致使鐵路信號系統失控不能正常運行乃至不能使用。用于保護轉轍機的相序繼電器，在引入的三相電源基波相序正確且無斷相的情況下，吸合、釋放無序反復抖動，動作指示燈也隨之點亮和熄滅，誤發出電源相序異常信號，同時閉鎖道岔轉轍機電源輸出回路，致使道岔轉轍機不能操作，給鐵路運輸生產帶來了極大的安全隱患。

針對上述問題，北京鐵路局迅速制定了應急方案：改變原有供電運行方式，由原來的玉田10 kV所主供，對側所備供改為對側所主供，玉田10 kV所備供方式；保持應急發電機隨時待命，有特殊任務時發電機處于啟動狀態等具體措施。與此同時協同有關部門對供用電設備進行了長時間大量測試,通過對測試數據的分析判斷，地方供電局供給玉田鐵路10 kV 配電所的電源電能質量問題，引起了技術人員的注意。

1 電能質量測試和故障原因分析

1.1 關鍵點測試

玉田鐵路10 kV 配電所201 電源一自閉側、202電源二貫通側進行測試：電壓量采集分別從各側的所用變壓器、母線電壓互感器、自閉母線電壓互感器、貫通母線電壓互感器二次端子取電壓量；電流量采集分別從所用變壓器電流互感器二次、電源柜電流互感器二次、自閉饋出柜電流互感器二次、貫通饋出柜電流互感器二次采集相應的負荷電流量。

唐山北電務信號樓分別從供電分界點處測試：從一路380 V 自閉電源引入和二路380 V 貫通電源引入取電壓量；電流量采樣從電務電源屏內負荷側取電流量。

測試時設備帶負荷情況：設備不帶負荷，空載情況下測試背景電壓質量，以盡可能反映電源本身的電能質量；帶負荷情況下，測試電壓、電流諧波含量，以盡可能反映負荷對電源電能質量的影響。

測試儀器選擇：分別選用Fluke345、電能質量在線測量儀、電能質量測試儀（中國鐵道科學研究院）等儀器。

1.2 測試結果

測試結果以95%概率大值作為判斷合格與否的依據（95%概率大值指將測試值由大到小次序排列，舍去前5%的大值，取剩余實測值中的最大值），測試結果如表1 所示。

表1 總諧波畸變率THD 測試數據表

抽取測試中典型的幾組諧波測試數據列舉如下（僅以自閉側測試數據為例加以說明）。

在玉田鐵路配電所10 kV 電源引入PPC 處各次諧波參數測試數據顯示：各通道中，5 次、7 次諧波含量最大，列為表2（其他各次諧波數據略）。表2 中通道0、1、2 分別對應一路10 kV 201 電源A、B、C 相電壓的5 次、7 次諧波含量。表中數據為任取的一組數據并非諧波最嚴重情況下的數據。

表2 玉田鐵路配電所10 kV 電源引入處的諧波測試數據表

測試數據表明地方電力公司（地方供電局）的電源進線，背景諧波遠遠超出國家標準要求的，5次、7 次諧波含量相對其他次背景諧波含量最大，而且數據顯示5 次諧波相序是負序性質的，7 次諧波相序是正序性質的。

電務信號樓使用的相序繼電器，主要用于道岔轉轍機的相序檢測和斷相保護中，工作原理是：當相序正確時，繼電器動作，獲得輸出；當相序不正確時或交流回路任一相斷線時，繼電器閉鎖。從相序繼電器設計電路的動作原理上分析，5 次和7 次諧波對BXX-2 相序繼電器影響最大。5 次諧波是負序性質的諧波，即使供電電源三相基波相序正確，當5 次諧波含量大于一定程度后，相序繼電器也會動作，7 次諧波對繼電器動作起助推作用。故諧波含量越大，相序繼電器誤動作的幾率也進一步增大。

唐山北電務信號樓380 V 電源一路自閉引入處（即供電分界點處）測量的波形數據：

（1）由空載時電壓波形圖（圖略）及空載時各次諧波電壓含量柱形圖（圖略），可見5 次、7次諧波含量較高。

（2）由正常負載時的各次諧波電壓含量柱形圖，可見帶上電務負載后電源背景諧波中5 次、7次諧波相對空載時有所降低，但3 次諧波卻放大很多（圖略）。

（3）電務使用自閉一路電源運行時其中某相線相電流各次諧波含量中3 次諧波比例最大（圖略）。

另外電務在使用自閉一路運行時中性線電流各次諧波含量可見3 次諧波比例很大（圖略）。

1.3 故障原因分析

經對大量測量數據分析得出如下結論：玉田配電所電源側（地方電源）供電質量不符合國家標準《電能質量公用電網諧波》（GB/T 14549-93）對諧波的標準要求。同時電務設備本身產生的諧波對其自身設備及供電電源造成的影響也不能忽視，電務設備本身產生的諧波也會影響10 kV 電源側電源諧波總畸變系數。另外電務設備三相負荷電流不平衡，中性線電流過大也應引起足夠的重視。

2 諧波治理方案

從目前的測試結果分析，由于玉田鐵路10 kV配電所電源進線是從電力公司“T”接而來，該公司電力用戶復雜，該地區小鋼廠多，諧波污染很嚴重，根據測試數據分析，鐵路10 kV 設備對電力公司電網諧波造成的影響不大，但電力公司（地方供電局）的背景諧波對鐵路電網影響相對較大。

按照諧波治理的位置（圖1），不同的治理位置會有不同的治理效果。

2.1 高壓母線治理方案

在10 kV 高壓母線上治理（圖1 中位置1 高壓母線治理），采用無源濾波器、有源濾波器SVC、SVG 等。由于電力公司背景諧波源容量不確定，會造成治理設備運行不穩定，甚至燒毀，無源濾波器往往會發出額外的容性無功，可能造成某次諧波減少，其他次諧波增大，可靠性極低，不確定因素極大，治理效果存在較大的不確定性，不可行。另外，如果一次性在母線上安裝了固定的諧波治理設備，當負載的狀態發生變化時，需要重新設計安裝諧波治理設備，不經濟。

2.2 低壓母線治理方案

在供電線路變壓器的低壓380 V 出線端治理諧波或在電務設備的電源入口處治理諧波（圖1 中位置2 低壓母線治理），采用無源濾波器、有源濾波器等。能有效治理電務設備本身產生的諧波，但消除背景諧波的影響比較困難，因為同樣存在背景諧波容量不確定，位置不確定的問題。但在該低壓母線位置治理，比10 kV 高壓側治理的效果要相對好些，只是成本較高，不確定因素較大。

2.3 就地治理方案

對原有電務信號電源系統進行優化，為電務信號系統提供高安全、高可靠的綠色節能電源系統（圖1 中位置3 就地治理）。

圖1 一路自閉高低壓供電系統簡圖

電源系統優化方案架構圖如圖2 所示，系統分析如下：

（1）高可靠性智能化電池管理系統。

（2）采用2 臺UPS，構成“1+1”冗余并機，輸入的2 路自閉電源、貫通電源經ATS 自動切換后給UPS 輸入。2 臺UPS 并聯，每臺主機配置一組獨立電池組，其中一組獨立電池組出現問題，不斷電。

（3）UPS 標配雙回路輸入功能可提高系統可靠性；內置旁路維護開關設計便于系統檢修及維護。雙回路輸入設計可實現主供電回路與旁路隔離，分別采用2 路不同電源，大幅提供系統可靠性。治理效果好，但改造及日后維護檢修成本較高。

（4）如果從成本問題上考慮，也可以不使用UPS 系統，不用電池組，只在供電段與電務信號樓的電源引入分界點處自閉一路和貫通二路分別加裝“交直交”變頻裝置，采用高頻開關電源技術、逆變技術、SPWM 變換技術、電子鎖相技術使電源完成交流-直流-交流的變換過程。由于其有交流-直流的變換過程，采用特殊采樣、變換技術，所以其輸出電源可針對特定的諧波做到基本不受輸入電網的波動、突變、特定諧波等的影響，其輸出穩定可靠。可以有效濾除特定的背景諧波，消除電源背景諧波影響，也是比較可行的方法。相對UPS系統成本低，見效快。目前從市場調研情況看，該種裝置原理上是可行的，功率應預留一定的裕度，一套電壓380 V，容量100 kV·A 的該類設備大約需12 萬元。

圖2 電務信號電源優化示意圖

2.4 加裝采樣濾波器治理

在受諧波影響最靈敏的設備上隔離諧波，加裝采樣濾波器或陷波器，在不影響其他固有功能的前提下，排除諧波對其干擾，是處理當前誤動作見效最快的方案，但不能從根本上解決背景諧波對電務其他設備造成的潛在影響，只能解決目前受諧波影響，某些設備的誤動作問題。而且涉及到電務設備準入批準等一系列問題。

2.5 專盤專線治理

從根本上解決目前供電系統諧波問題的方案是：鐵路10 kV 配電所電源引入采用“專盤專線”，采用專盤專線方案后還要同時考慮電務設備本身產生的諧波對鐵路10 kV 電網的影響。

從唐山北電務用電設備處測試諧波的結果顯示，電務設備本身產生的諧波也不能忽視，實測數據顯示，電務設備自身發出的諧波也相對較高，反過來也會干擾并影響自身受諧波影響相對較大的設備。而且電務的負荷三相不平衡也很嚴重，中線電流可達到相電流的一半以上，也需要引起足夠的重視，應力求使三相負荷平均分配。

治理諧波最理想的位置是在諧波源處。也就是將諧波電流封殺在起源處，不允許流入電網。由于一般的諧波治理方法僅能夠保證治理點的上游具有良好的電能質量，因此，治理諧波的位置越靠近下游，通過諧波治理獲得效益越好。

3 結語

通過反復論證比較，結合北京鐵路局的實際情況決定采用專盤專線治理方案，問題會得到很好的解決。

針對電務信號設備實際運行中出現的運行異常問題，特別是京哈線北京鐵路局管內技術相對落后的電源屏，需要注意的是：有的故障現象是由于供電電源背景諧波或電務設備本身產生的諧波含量過高引起的，有的故障不是由諧波引起的，而是某些附屬設備或老舊設備原設計本身問題造成的異常，要注意區別對待，避免發生誤判斷，從而影響故障處理時間。