和諧電力機車供電繞組阻尼電路參數匹配

杜子峰

摘要 根據和諧電力機車列車供電系統的工作原理，研究了供電繞組阻尼電路的工作特點，給出了阻尼電容及電阻功耗的計算方法，推薦能兼顧輸入諧波、滿足阻尼器件和列車供電系統安全工作的阻尼電路參數。

[關鍵詞]和諧電力機車 列車供電控制系統供電繞組 阻尼電路

從2010年開始，和諧電力機車（HXD3C、HXD3D和HXDID）列車供電系統向旅客列車進行直供電的運用越來越廣泛，己逐漸成為鐵路干線運輸的主力車型。和諧電力機車牽引系統使用的交流傳動技術，在提高運力、提升運輸效益的同時也帶來了電網諧波成分更復雜等新問題，容易產生電網電壓諧振、變電所設備損壞、電力機車阻尼電路燒損等不良后果。

1 系統簡介

和諧電力機車列車供電系統由兩套完全獨立的供電回路組成，其電路結構完全相同，其主電路形式如圖1所示：列車供電繞組（a7-x7），經接觸器KM與快熔FU到全波半控整流橋，通過平波電抗器L和濾波電容器C輸出直流600V，同時設有控制用電壓傳感器SV1和接地檢測用電壓傳感器SV2。在供電繞組a7-x7側設置了Rl、Cl組成的過壓吸收阻尼電路。

2 問題分析

近年來多個機務段反饋，和諧電力機車列車供電系統的阻尼器件損壞較多，表現為電容器鼓脹、漏液、電容量下降，電阻器過熱，聯線點燒熔開路、絕緣破損等，有時還會引起列供接地等伴生故障，導致整個列供系統無法正常工作，嚴重影響了旅客乘車的舒適性。

針對現場反饋的問題，通過在和諧電力機車上加裝設備對供電繞組進行了測試，發現部分電氣化區段諧波情況非常嚴重，有的地方諧波含量高達30%。如圖2所示。

而在某些電氣化區段，和諧電力機車列車供電繞組輸出波形相對好很多。如圖3所示。

諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數分解，其余大于基波頻率的電流產生的電量。從廣義上講，由于接觸網有效分量為工頻50Hz單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波。由于機車運行密度和功率都很大，再加上和諧電力機車和韶山電力機車混跑，使得接觸網諧波頻譜更加復雜。

3 解決措施

為了防止諧波對列車供電系統的破壞，最常用、最經濟的方法就是在該機車上優化列車供電繞組阻尼電路參數，用于吸收特定頻率或一定頻率范圍內的諧波電流，同時提高阻尼器件的耐受性。

該阻尼電路的作用是吸收供電繞組側的高頻諧波，同時吸收操作過電壓和全波半控整流橋的換向過電壓。

3.1 阻尼電路電阻的分析

電阻的標稱功率計算公式：

Un為第n階諧波有效值;

fn為第n階諧波頻率;

c為阻尼電路的吸收電容;

R為阻尼電路的吸收電阻。

自然冷卻時，電阻標稱功率在空間允許的情況下應盡量選擇較大倍數的持續功率，同時要考慮電阻溫度對周圍器件的影響，必要時采取隔離措施。

電阻器選型需執行標準GB/T 5729-2003，GB/T 5732-1985。電阻器工程化應用時，要求電阻器持續功率大、重量輕、過載能力強，性能穩定可靠，使用方便，而且在電容器擊穿短路時能快速熔斷，切斷短路回路，能避免發生惡性故障。

3.2 阻尼電路電容的分析

電容標稱電流計算公式：

I。=U/R

式中：

I一一電容電流有效值;

P一一串聯電阻上的總功耗;

I。一一電容周期性最大換向電流峰值;

U一一輸入電壓的峰值;

R一一吸收電阻阻值。

此電容參與了全波半控整流橋中整流元件的換向，最大換向電流是有效值的10倍以上，所以在選用電容時要考慮降額使用。

電容器工程化應用時，要求能吸收各種因素產生的沖擊電壓，能對列車供電系統主電路中的器件起到良好的保護作用，其端子機械強度、抗腐蝕能力、密封性能、過載能力、耐久性能等均符合GB/T 25121-2010《軌道交通機車車輛設備電力電子電容器》的標準要求。

3.3 參數分析

在實際應用中，往往從限制過電壓方面考慮得比較多，而對阻尼器件的安全運用常被忽視。從理論上講，阻尼電路中電容量越大，電阻值越小，則限制過電壓的效果越佳，于是實用中出現一種趨勢，盡量加大電容量，減小電阻值，未更多考慮帶來的不良后果。但是需要在輸入諧波、滿足阻尼器件和列車供電系統安全工作的基礎上，對阻尼電路參數綜合考慮。

經過試驗和使用驗證，列車供電系統中供電繞組中阻尼電路參數的優化值推薦為：電容器Cl為6μF，電阻器R1為10Q。

以某型和諧電力機車列車供電系統現場試驗為例：圖4 （a）是列車供電系統的輸入端接觸器KM未合上，即阻尼電路未投入。當司機按緊急制動時，在列車供電系統輸入端產生了3000V以上的高頻諧波（電壓最大值為3.156kV、電壓最小值為-3.165KV）;圖4（b）是列車供電系統的輸入端接觸器KM閉合后，即阻尼電路己投入，當司機按緊急制動時，在列供輸入端產生的的高頻諧波被吸收殆盡，較好地保護了列車供電系統主電路的元件，大幅減少了元件擊穿的可能性，提高了列車供電系統的整體可靠性。

4 結論

針對和諧電力機車供電繞組阻尼電路參數不匹配的問題，本文結合實例，具體研究了供電繞組阻尼電路的電流及電阻功耗特征，給出了計算試驗方法，提出了器件選型的必要技術條件。從限制諧波含量、保證阻尼器件和列車供電系統的安全運用的角度，推薦了合適的參數取值范圍。

從目前的現場應用看，電容器（Cl）6Fμ，電阻器（Rl） 10Q和機車列車供電系統匹配較好，體積相對較小，解決成本也較為低廉，滿足了列車供電系統實際應用，目前已經批量推廣。

參考文章

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