鐵路牽引供電系統諧波諧振分析及抑制方法研究

單保泉

北京鐵路局石家莊供電段

鐵路牽引供電系統諧波諧振分析及抑制方法研究

單保泉

北京鐵路局石家莊供電段

伴隨著我國經濟建設的不斷發展，社會對高速運輸需求越來越大。為提高鐵路運輸能力，緩解電氣化鐵路運輸壓力，近年來高速鐵路在我國得到迅猛的發展。研究鐵路牽引供電系統的諧波和諧振特性，并針對其原理從根源上提出實用可行的諧波治理方法，對保證鐵路供電系統的安全性、穩定性有重大意義，需要引起我們的重視。基于此本文分析了鐵路牽引供電系統諧波諧振分析及抑制方法。

鐵路牽引供電系統；諧波諧振；抑制方法

1 、鐵路牽引供電系統

1.1 鐵路牽引供電系統特性

鐵路牽引供電系統是諧波危害的對象，牽引網是諧波傳輸的路徑，當牽引供電系統參數滿足一定條件時，相應次數的諧波便會在系統的激勵下發生諧振，引起的過電壓和過電流會對牽引網的穩定性以及牽引網設備產生巨大的危害。根據既有的牽引網傳輸線模型，利用數學原理對阻抗和導納矩陣進行降階處理，得到牽引網單位長度等效阻抗和導納，并將牽引供電系統簡化為等值電路模型，最后利用模型詳細地研究了諧波在牽引網的傳輸特性，為后續諧波抑制方法提供基礎。

1.2 鐵路牽引供電的供電方式

電力牽引供電系統分為直流制和交流制，交流制又分工頻單相交流制和低頻單相交流制。我國鐵路牽引供電一般采用單相工頻交流制供電。所謂單相工頻交流制供電，是指采用單相雙繞組主變壓器的方式。它有兩種接線方式：簡單單相接線和V/V 接線。簡單單相接線設備簡單、經濟，主變壓器容量利用率高。在我國，電力牽引供電的主要方式分為四種，即 AT(自耦變壓器)、BT(吸流變壓器)、直接供電、同軸電力電纜。其供電方式原理圖如下。

圖1 AT自藕變壓器供電方式

圖2 BT吸流變壓器供電方式

圖3 直接供電方式

圖4 同軸電力電纜供電方式

2 、諧波與諧振危害

2.1 諧波危害

諧波對電力系統的影響非常巨大，主要包括直接影響和間接影響。直接影響主要是對系統元件(旋轉電機、變壓器、輸電線路和補償裝置)、測控裝置(繼電保護、自動裝置和電氣計量儀表)及其它電子設備(主要是微電子裝置)產生影響；間接影響主要是對附近的通信系統產生干擾。供電系統中的諧波危害主要表現在下幾個方面：

(1)諧波電流在變壓器中會產生額外的損耗，特別3次及其倍數次諧波會在三角形連接的變壓器繞組中形成環流，引起變壓器繞組、鐵芯發熱和降低變壓器效率，從而加快變壓器絕緣材料的老化，縮短變壓器的使用壽命。(2)諧波電壓或電流會増加發電機的定子繞組、轉子回路以及定子和轉子的鐵芯的損耗，這些損耗造成整個電機的濕升和局部過熱，影響電機的正常工作。(3)諧波電流會使輸電線路產生附加輸電損耗和發熱，線路阻抗的頻率特性和集膚效應會加大線路中的交流電阻，増加輸電線路的損耗。

2.2 諧振危害

諧波可能會引起電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，當供電系統發生諧振時，諧波電流會成倍増大，在基波電壓上疊加了幅值很大的諧波電壓，導致過電流和過電壓，嚴重危害設備運行安全性。諧波諧振的危害可總結為下幾點：

(1)諧振引起的過電壓，會使電氣設備的絕緣擊穿而導致這些設備損毀。 (2)諧波諧振會產生高于電源數倍的電壓，最大可高達相電壓的3倍左右。商電壓可引起電流互感器、電壓互感器、避雷器、絕緣子的瓷裙表面閃絡而巧炸，嚴重時甚至會形成短路。

3 、鐵路牽引供電系統諧波諧振抑制方法

3.1 地面處加裝濾波裝置

3.1.1 無源電力濾玻器。無源電力濾波器((Passive Power Filter，以下簡稱為PPF)由于具有結構相對簡易、運行穩定、裝置造價低等優點，在電力系統中的諧波治理得到廣泛使用。PPF是由電感L、電容C和電阻R按照一定的參數配置和一定的拓撲結構連接而成。將無源濾波器與諧波源并聯，利用RLC電路串聯諧振特性，對特定次諧波電流形成低阻抗支路，從而實現對某些次諧波電流的吸收，減小流向電網的諧波電流，以達到諧波抑制的作用。

3.1.2 有源電力濾波器。有源電力漣波器(Active Power Filter，以下簡稱為APF)是電力電子裝里集成設備，主要用于動態抑制諧波和補償無功，它能夠實時地對大小和頻率都變化諧波進行抑制和對變化的無功進行補償。與傳統的濾波器相對比，有源電力濾波器能夠實時快速地補償無功，不易引起系統諧振，并且可以同時濾除多次諧波。

3.2 機車上加裝濾波裝置

而加裝有源濾波器，則需要更多設備，成本也很高，而在機車內的牽引變壓器輔助繞組上加裝濾波裝里，能達到同樣的諧波抑制效果且易于實現。對于這種方法，加裝有源濾波器實現起來比較困難，而加裝無源濾波器相對容易實現。濾波器的電感可用變壓器的漏感代替，具有成本低。這種方法從源頭上治理諧波電流，當設計方法恰當時，濾波效果將非常明顯。

3.3 用于機車上的無源濾渡器

當濾波器基波電壓不變時，濾波器消耗的有功功率與通過濾波器的基波電流共軛值實部大小成正比，而濾波器消耗的無功功率則與基波電流共軛值虛部大小成正比，將基波電流共軛值實部定義為有功電流，而將基波電流共軛值虛部定義為無功電流，此來表示濾波器消耗的有功功率和無功功率。

總之，當牽引供電系統參數滿足一定條件時，相應次數的諧波便會發生諧振，產生的過電壓和過電流危害牽引供電系統運行的安全性和穩定性，因此進一步加強對其的研究非常有必要。

[1]吳波.高鐵牽引供電系統電磁諧振抑制技術研究[A].陜西省電網節能與電能質量技術學會.2015年電網節能與電能質量論文集[C].陜西省電網節能與電能質量技術學會：2015：5.

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