牽引變壓器空載諧波電流特性分析

李健華 郭立飛 趙麗平

（1.西南交通大學電氣工程學院，成都 610031；2.昆明鐵路局昆明供電段，昆明 650100）

在牽引變壓器的實際運行中，空載電流中有著較大的諧波含量，然而由于空載電流相比于額定電流要小的多[1]，注入牽引供電電網中的諧波電流很小，對電網諧波影響也很小，所以絕大部分情況下空載諧波問題都被忽略。但是在某些特別情況下（如偏遠地區的輕負荷時段），此時諧波電流所占比重急劇增加會對整個供電系統產生較大的諧波影響，此時的空載諧波影響是不能忽略的。

我國電氣化鐵路地域分布廣闊，不同地區的電網狀況不盡相同，各地諧波問題差異極大。為了更好地研究牽引供電系統的空載諧波影響，有必要對牽引變壓器空載諧波電流特性進行深入的分析，這不僅關系到牽引供電系統的電能質量問題，也關系到電網與電氣化鐵路的諧波問題之爭。同時，通過空載諧波電流的測量和分析，能夠驗證牽引變壓器鐵心的設計計算、工藝制造是否符合技術條件要求、鐵心是否存在缺陷等問題

就目前國內的研究成果來看，研究內容主要集中在電氣化鐵路牽引負荷的諧波分析[2-5]、牽引網諧波模型分析計算[6-9]以及電氣化鐵路電能質量[10-11]等領域，對牽引變壓器的空載諧波問題的關注很少。

本文根據京滬線東光變電所牽引變壓器的監測數據，測量了牽引變壓器的空載諧波電流，對牽引變壓器空載諧波電流的特點及分布特性進行了探討，并對東光所所用的牽引變壓器質量進行了評估。

1 牽引變壓器空載諧波電流測量

根據數據實測測量結果。A 相空載諧波電流部分測量結果如圖1所示。

圖1 A 相空載諧波電流部分測量結果

當電網公共連接點短路容量不足用戶容量的30～50 倍時，即可認為是小電網，小電網供電能力較弱，承受諧波電流也比較弱。在深夜到清晨的輕負荷時段，牽引供電系統中此時的諧波源主要就是牽引變壓器。

牽引變壓器鐵心的飽和程度愈高，勵磁電流畸變得愈厲害，諧波影響愈嚴重。牽引變壓器工作時的鐵心跑和程度會受到運行電壓的直接影響，當運行電壓升高時，會使得牽引器鐵心的飽和程度變深。通過研究發現，當牽引變壓器工作在空載工況下，牽引供電電網末端電壓會有一個較大幅度的抬升，使得電網運行電壓偏高[12]。

所以當牽引變壓器處于某些特別情況下（如偏遠地區的輕負荷時段）時，牽引供電電網末端電壓抬升，運行電壓偏高，鐵心飽和程度加深，諧波電流諧波電流急劇增大，由于小電網諧波阻抗比較大，較小的諧波電流都會引起較大的諧波電壓，對整個供電系統產生較大的諧波影響,所以此時的空載諧波影響是不能忽略的。

2 牽引變壓器空載諧波電流分布特性

本文以京滬線東光變電所為例，采用的數據為1 天24h 連續實測的數據，采樣時間間隔為3s，一共28800 個點。各次空載諧波電流均以A 相基波電壓為基準向量，牽引變壓器A 相空載諧波電流散點圖如圖2所示。

從諧波電流散點圖中可以看到：①3 次空載諧波電流主要分布在第三象限；②5 次空載諧波電流主要分布在第二象限；③7 次空載諧波電流主要分布在第一象限；④9 次空載諧波電流主要分布在第一、四象限；⑤11 次空載諧波電流主要分布在第四象限；⑥13 次及以上各次空載諧波電流則在均勻地分布在四個象限內。

從中可以得到牽引變壓器空載諧波電流的分布特性：牽引變壓器奇次空載諧波電流在在四個象限內廣泛分布，并且隨諧波次數的增加，諧波向量在四個象限內的分布越來越均勻。由于低次空載諧波電流的分布特性與高次空載諧波電流的分布特性明顯不同，所以在分析與治理諧波問題的時候，應該分開單獨考慮。

3 東光所牽引變壓器質量評估

圖2 牽引變壓器A 相空載諧波電流散點圖

牽引變壓器的空載諧波電流除了與運行電壓有關外，還與牽引變壓器在額定電壓下選取的磁密有關，牽引變壓器額定電壓下選取的磁密直接影響著 牽引變壓器工作時鐵心的飽和程度。膝點電壓越小說明牽引變壓器選取的額定磁密越大，牽引變壓器鐵心越容易飽和，在相同的運行電壓下，膝點電壓越小，諧波影響越嚴重，變壓器質量越差。

同時當變壓器設計的膝點電壓選擇比較小時，隨著運行電壓的上升，牽引變壓器鐵心磁通密度快速飽和，諧波電流呈非線性地急劇上升。為了更好地評估變壓器的質量，看牽引變壓器的膝點電壓是否選擇合理，本文測量了A 相各次空載諧波電流與基波電壓（以A相電壓為基準電壓）的關系散點圖，結果如圖3所示。

圖3 空載諧波電流與基波電壓關系散點圖

從圖中可以看到，東光所牽引變壓器的基波電壓與空載諧波電流是成線性變化關系的，這說明東光所所用的牽引變壓器膝點選擇合理，隨著運行電壓的上升，諧波電流呈線性地增加，變壓器的質量是合格的。

4 結論

發現在某些特殊情況下（特別是在小電網中），空載諧波問題不能再簡單的忽略，此時的諧波問題不僅是用戶有關，而且與電網強弱、牽引變壓器的質量是否合格等密切相關，所以這時候如何劃分諧波超標的責任，已經不能再參照大電網中的責任劃分來實行，需要對各種電網狀況下的空載諧波問題進行客觀、全面地分析。同時在我國的工程實際中，由于條件的限制或各種實際原因，在諧波問題的評價中空載諧波問題基本都是被忽略的，諧波問題的評價并不能完整的體現其真實性，這都需要我們對空載諧波問題有一個更客觀、更全面的認識。

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