電氣化鐵路車網(wǎng)電氣匹配問題

李 強

0 引言

國內(nèi)電氣化鐵路多年來一直使用交直傳動型電力機車，國產(chǎn)韶山系列電力機車全部采用交直傳動系統(tǒng)。隨著我國鐵路第六次大提速的實施、高速鐵路建設(shè)步伐的加快和重載運輸?shù)难杆侔l(fā)展，這一狀況有了極大的改觀。通過引進(jìn)技術(shù)消化吸收再創(chuàng)新，在高速客運領(lǐng)域，從2007 年開始，CRH 系列4 型動車組先后投入運用；在重載貨運領(lǐng)域，HXD系列3 型大功率電力機車陸續(xù)投入運用。CRH 系列動車組和HXD系列大功率電力機車全部采用交直交傳動系統(tǒng)。

新型電力機車和動車組的運用，也帶來了一些新問題。由于交直交傳動系統(tǒng)目前普遍采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，控制系統(tǒng)要比傳統(tǒng)交直傳動系統(tǒng)復(fù)雜，相對而言，控制策略和控制參數(shù)對外部電源條件更為敏感。由于牽引供電系統(tǒng)與電力機車或動車組電氣上緊密耦合，在電路上是一個整體，電能傳遞過程是連續(xù)的、密不可分的。一旦機車車輛與外部供電網(wǎng)的參數(shù)匹配不合適，容易引發(fā)車網(wǎng)匹配問題。最近幾年國內(nèi)的電氣化鐵道出現(xiàn)的高次諧波諧振、網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖等問題，在CRH 系列動車組和HXD系列大功率電力機車上均有發(fā)生。本文對這2 類車網(wǎng)電氣匹配問題，結(jié)合實際案例，進(jìn)行分析，探討其發(fā)生機理，并給出治理對策。

1 交直交傳動系統(tǒng)

交直交電力機車及動車組主電路原理如圖1所示。25 kV 接觸網(wǎng)電壓經(jīng)車載牽引變壓器降壓后，由二次側(cè)牽引繞組給四象限PWM 脈沖整流器供電，脈沖整流器把交流變換成直流，然后經(jīng)輸出電壓和頻率均可控的逆變器變換成三相交流，供給牽引電機—三相異步電機，驅(qū)動車輛行駛。再生制動時則能量流動方向相反，牽引電機作為發(fā)電機運行，發(fā)出的三相交流電被逆變器整流成直流，再被脈沖整流器逆變成單相交流，反饋給接觸網(wǎng)。整流器、中間直流環(huán)節(jié)和逆變器構(gòu)成了牽引變流器，牽引變流器、牽引電機和控制系統(tǒng)構(gòu)成了整個交直交傳動系統(tǒng)。

交直交傳動電力機車及動車組在運行中，靠逆變器輸出電壓幅值和頻率均可變的三相電壓，對牽引電機進(jìn)行速度和轉(zhuǎn)矩調(diào)整，同時要盡量保持中間直流環(huán)節(jié)電壓的穩(wěn)定，通過控制四象限PWM 脈沖整流器，根據(jù)能量流動方向，通過脈寬調(diào)制技術(shù)和多重化技術(shù)，使電力機車或動車組從接觸網(wǎng)吸取的電流與網(wǎng)壓同相或反相，并盡量削減網(wǎng)側(cè)電流諧波含量。理想的交直交傳動電力機車或動車組牽引時功率因數(shù)為1，再生制動時為-1，并且電流不含諧波成分。實際的機車車輛，功率因數(shù)一般能達(dá)到0.97 以上，電流綜合畸變率在5%以下，通常僅在整流管開關(guān)頻率附近存在一些可測諧波。

圖1 交直交傳動機車（動車組）主電路示意圖

2 高次諧波諧振

2.1 高次諧波諧振案例

自交直交電力機車和動車組在國內(nèi)投入運用以來，引發(fā)的牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振案例已有數(shù)起，如，2007 年7—8 月間京哈線薊縣南變電所供電區(qū)段，2008 年8 月京津城際鐵路武清變電所至永樂分區(qū)所（ATS3）區(qū)間，2009 年4 月合武客專長安集變電所至合肥西區(qū)間，2010 年3—5 月間合武客專麻武聯(lián)絡(luò)線彭崗變電所供電區(qū)段等?，F(xiàn)對京哈線諧振案例進(jìn)行分析。

2007 年4 月國內(nèi)鐵路實施第六次大提速后，京哈線開始開行動車組，7—8 月間京哈線北京——秦皇島間增開CRH2重聯(lián)動車組，以滿足暑期旅游需要，薊縣南變電所供電區(qū)段開始頻繁出現(xiàn)CRH2動車組引發(fā)的牽引網(wǎng)高次諧波諧振。這是國內(nèi)首例交直交動車組引發(fā)的牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振案例。

具體案情：7 月13 日燕郊至大廠間上行線路接觸網(wǎng)避雷器爆炸1 臺，造成D502 動車組停車；7 月15 日D502 動車組燕郊至大廠間上行線路接觸網(wǎng)相鄰位置避雷器又爆炸1 臺；7 月29 日燕郊分區(qū)所下行F 線供電線所外上網(wǎng)點管型避雷器動作，火花間隙擊穿，斷路器跳閘并重合失敗；8 月10日燕郊分區(qū)所所內(nèi)上行T 線進(jìn)線桿上避雷器爆炸。

現(xiàn)場值班員發(fā)現(xiàn)這些事故伴隨有母線電壓異常波動，電壓表指針與正常值偏離較大，同時主變壓器、自耦變壓器、自用電變壓器的噪音顯著增強，甚至發(fā)出刺耳嘯叫聲。進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在電壓異常時，變電所供電區(qū)段范圍內(nèi)均有CRH2動車組運行，通常無其他類型電力機車，且電壓異常時饋線電流一般不大。

2.2 高次諧波諧振測試波形

圖2 顯示了2007 年8 月在薊縣南變電所實測到的某次動車組通過時，引起牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振，從而導(dǎo)致55 kV 母線電壓從正常的50 kV升高到60 kV 的情況。圖3 為諧振時實測電壓波形，圖4 為其頻譜圖。

2007 年8 月測試結(jié)果表明，薊縣南變電所2個供電臂均可能由CRH2動車組引發(fā)諧振，諧振頻率一般在17～23 次間，并不固定。

圖2 京哈線薊縣南變電所諧振母線電壓有效值升高圖

圖3 實測諧振母線電壓波形圖

圖4 諧振母線電壓頻譜圖

2.3 高次諧波諧振原因分析

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(luò)。電力系統(tǒng)阻抗和變壓器阻抗呈現(xiàn)電感性質(zhì)，而接觸網(wǎng)則具有分布電容，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，由于電力系統(tǒng)運行方式可能會調(diào)整，該諧振頻率很難預(yù)測，并且不是一個固定值。交直交動車組和電力機車，網(wǎng)側(cè)采用脈寬調(diào)制整流電路，網(wǎng)側(cè)電流諧波含量小但諧波頻譜較寬。在不恰當(dāng)?shù)碾姎馄ヅ錀l件下，牽引供電系統(tǒng)與動車組容易發(fā)生800～2 000 Hz 的高次諧波諧振。國內(nèi)大量使用的韶山（SS）系列電力機車，采用二極管或晶閘管單相整流，盡管網(wǎng)側(cè)電流畸變嚴(yán)重，諧波含量大，但主要集中在3 次、5次、7 次、9 次等低次諧波，15 次以上諧波含量很小，反而不易引起諧振，國內(nèi)電氣化鐵道近50 年的運行實際證明了這一點。

牽引網(wǎng)的高次諧波諧振會引起諧波電流放大和諧振過電壓，實際發(fā)生的案例表明，牽引網(wǎng)諧振過電壓峰值甚至可達(dá)60～70 kV，嚴(yán)重影響動車組和牽引供電設(shè)備的安全運行。

3 網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖

3.1 網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖案例

2007 年12 月26 日，太原鐵路局湖東機務(wù)段和湖東一場、二場出現(xiàn)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓振蕩，HXD1 型機車牽引封鎖無法運行情況，特別是2008 年1 月2 日全天發(fā)生牽引封鎖13 次，機車無法正常出入庫，嚴(yán)重干擾了運輸秩序。

2010 年5—6 月間在北京西站區(qū)段，2010 年9月在青島動車所，出現(xiàn)CRH5動車組引起接觸網(wǎng)網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖現(xiàn)象，多次導(dǎo)致線路上運行的動車組停車或車站?？康膭榆嚱M無法按時發(fā)車。

3.2 網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖測試波形

圖5 和圖6 為2008 年1 月在湖東變電所測到的網(wǎng)壓振蕩時，所內(nèi)T 座母線電壓和265 饋線T線電流波形及有效值。母線電壓波動范圍52.2～57.4 kV，饋線T 線電流波動范圍135～873 A。

圖5 網(wǎng)壓振蕩時湖東變電所T 座母線電壓波形及有效值圖

圖6 網(wǎng)壓振蕩時湖東變電所相關(guān)饋線電流波形及有效值圖

圖7 為2010 年9 月在青島動車所測到的7 組CRH5動車組升弓上電司機推牽引時發(fā)生牽引封鎖的動車組上測到的網(wǎng)壓、網(wǎng)流和中間直流環(huán)節(jié)電壓波形。圖8 為該時對應(yīng)變電所測得的母線電壓和饋線電流波形圖。

圖7 7組動車組上電網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖時車上測試波形圖

圖8 滄口變電所相關(guān)母線電壓饋線電流波形圖

3.3 網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖原因分析

分析網(wǎng)壓振蕩時車上和車下（變電所）測試結(jié)果，從電壓電流波形可以看出，網(wǎng)壓升高發(fā)生在電流相位超前電壓的周波，網(wǎng)壓降低發(fā)生在電流相位滯后電壓的周波。由于從電源到機車負(fù)荷，存在電力系統(tǒng)、變壓器和牽引網(wǎng)的阻抗，電流的波動必然引起網(wǎng)壓的波動。詳細(xì)計算表明，網(wǎng)壓振蕩實際上是由電流波動及電流相位變化造成的，而電流的波動及相位變化，則是由動車組自身牽引傳動系統(tǒng)及其控制策略決定的。當(dāng)電源阻抗相對較大時，不恰當(dāng)?shù)目刂撇呗跃蜁鹂刂苹芈返氖Х€(wěn)。同時升弓上電的電力機車或動車組達(dá)到一定數(shù)目時，就會導(dǎo)致網(wǎng)壓振蕩。振蕩幅度過大時，電力機車或動車組就發(fā)生牽引封鎖現(xiàn)象。

湖東機務(wù)段和青島動車所2 個案例的實測表明，同時升弓上電的HXD1 電力機車或CRH5動車組數(shù)達(dá)到7 臺或7 組時，就會引發(fā)網(wǎng)壓振蕩，進(jìn)而牽引封鎖。這一臨界條件實際上與供電系統(tǒng)容量、等值電源阻抗大小和交直交傳動系統(tǒng)總功率有關(guān)。

4 車網(wǎng)電氣匹配技術(shù)對策

由于車網(wǎng)電氣匹配問題涉及車和網(wǎng)2 個方面，其治理技術(shù)對策一般也可從車、網(wǎng)兩方面著手。

4.1 高次諧波諧振

諧波的源是車，如果能改善或調(diào)整動車組或電力機車的電流頻譜特性，使其高次諧波含量減少，或使其諧波頻譜避開所運行線路牽引網(wǎng)的諧振頻率，則可從根源上消除諧振現(xiàn)象。

在牽引供電系統(tǒng)治理諧振，就要設(shè)法改變牽引網(wǎng)諧振頻率，通?？稍诠╇姳勰┒朔謪^(qū)所安裝二階阻尼濾波裝置。京哈線薊縣南供電區(qū)段諧振治理時，在兩供電臂末端（燕郊分區(qū)所和韓家林分區(qū)所）分別安裝了阻尼濾波裝置，2008 年7 月投運后，該區(qū)段沒有發(fā)生過諧振事故。

4.2 網(wǎng)壓振蕩

根據(jù)外部電源條件，通過調(diào)整交直交傳動系統(tǒng)的控制策略，避免中間直流環(huán)節(jié)電壓的波動，改善其空載下的取流特性，從而可從根源上避免網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖事故的發(fā)生。2008 年1 月在湖東機務(wù)段所進(jìn)行的HXD1 電力機車控制調(diào)整，證明該解決思路十分有效，不需增加硬件投資。

理論上講，增大牽引供電容量，減小等值電源阻抗，可以緩解網(wǎng)壓振蕩現(xiàn)象。如果在變電所增設(shè)穩(wěn)壓裝置，提供一個電流波動的能量緩沖環(huán)節(jié)，使波動的網(wǎng)流不至引起網(wǎng)壓波動，也可以有效抑制這一現(xiàn)象。但這種地面解決方案，或者投資太大，或者技術(shù)難度高，并不適宜在實際線路中采用。

5 結(jié)論

交直交電力機車及動車組投運以來出現(xiàn)的牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振以及網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖現(xiàn)象，都屬車網(wǎng)電氣匹配問題。高次諧波諧振是由于電力機車或動車組的網(wǎng)流諧波頻譜與牽引網(wǎng)固有諧振頻率重疊造成的。網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖是因為電力機車或動車組牽引傳動控制策略與外部供電系統(tǒng)電源條件不匹配引起的。解決這類車網(wǎng)電氣匹配問題，理論上可從車、網(wǎng)兩方面著手，調(diào)整某一方的電氣特性，破壞引發(fā)匹配問題的觸發(fā)條件即可。選擇最佳解決方案，以整體最小的投入，確保電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)和電力機車、動車組的運行安全。

[1] 連級三.電力牽引控制系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，1994.

[2] 北京鐵路局，北京交通大學(xué)，中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院，中國鐵道科學(xué)研究院.京哈線薊縣南牽引變電所供電區(qū)段電壓異常測試分析與治理方案研究（研究報告），2007.

[3] 北京交通大學(xué).彭崗變電所主變牽引側(cè)過電壓跳閘測試分析（研究報告），2010.

[4] 中國鐵道科學(xué)研究院，太原鐵路局，北京交通大學(xué)，株洲電力機車研究所.大秦線HXD1 型機車車網(wǎng)匹配關(guān)系測試報告（研究報告），2008.

[5] 北京交通大學(xué).CRH5 動車組網(wǎng)壓振蕩牽引丟失測試分析報告（研究報告），2010.