高次諧波過電壓對牽引變電設備的影響

許斌

摘要：隨著電氣化鐵路中交流和直流火車數量的增加，交流和直流火車帶來了諸如提高功率因數和調試后降低諧波電流等優點。不同類型的交流和直流電力火車在運行期間具有較高的諧波電流頻譜，該頻譜被饋送到牽引電源系統中。電力火車的運行條件（牽引、空轉、再生制動）也會影響將其饋入牽引電源系統的方式。本文通過對電力火車諧波過電壓的影響研究，進行了相應抑制措施的探討，希望為相應工作的處理提供思路與參考。

關鍵詞：電氣化鐵路;高次諧波;抑制技術

隨著電氣化鐵路中交流和直流火車數量的增加，交流和直流火車帶來了諸如提高功率因數和調試后降低諧波電流等優點。由于電流波動產生了很多不利局面，在這種情況下，會出現停車、部件燃燒甚至是爆炸的危險，嚴重影響電氣化鐵路正常運輸秩序[1]。盡管關于諧波過電壓問題的研究成果很多，但從技術實施的角度來看，仍然缺少針對某些領域的創新與技術措施改革。

1 牽引變電諧波過電壓的原理及影響分析

1.1牽引變電中引起過電壓的原理分析

在電力火車的運行期間，高次諧波的電流被饋入牽引網絡。這些高次諧波電流到了網絡，通過網絡最終匯入牽引變電站，然后經過使用中的變壓器影響牽引變電。在外部電源系統中，當電網中的高諧波電流在牽引變電中產生較高的諧波電壓，達到牽引網絡阻抗。牽引網絡是由分布式R，L和C組成的多組件系統。

對于火車的高次諧波電流源，可以使用圖1所示的簡化等效電路來表示其在牽引變電上的行為。牽引變電的等效諧波阻抗也會發生變化，因此，由注入的相同幅度的諧波電流產生的諧波電壓也會發生變化。同時，牽引變電的等效值會因頻率不同的諧波電流而變化，對應著不同的抗阻。網絡中電壓的大小與其對應的電流與位置都存在密切的關系。

通過戴維寧等效電路對其外部情況進行計算，電抗收到牽引影響出現了不規律的變化，牽引變電的電流量可以通過公式進行計算，通過對應T電路，對牽引變電的相關參數進行計算。網絡每公里分為一個部分，牽引網各部分的等效值為：對于π型電路，根據牽引網絡的導線參數和幾何形狀，使用多導體理論計算π型電路的參數[2]。

牽引變電是有牽引變壓器、網絡等效電路和外部系統一塊組成的。上面提到的級聯等效電路基于Matlab / Simulink平臺。將阻抗測量模塊放置在有效電路中需要測量的阻抗上，并在牽引網絡中的一定距離處掃描牽引變電的阻抗頻率，以獲得電源臂的阻抗特性曲線。曲線顯示：牽引變電在一定的頻率下達到最大阻抗。當電力火車的電流正好落在這些頻率范圍內，就會出現很高的波動以及諧波過電壓。該值的頻率不會因火車的位置不同而發生變化，即對于運行中的電力火車，牽引變電等的阻抗值對應一定的頻率，但是其在不同的位置因為性能不同體現了差異化的參數，電力火車在網絡中具有不同的電流消耗點并具有相應的更高階，諧波的高電壓電平也不同。通過在仿真模型中更改π型級聯等效電路圖中的阻抗測量模塊的訪問位置，應將抗阻設置在牽引變電不同的位置上，圖2 表明了相關參數下曲線的變化規律。等效抗阻在變化中依據一定的規律，在匯入點通過高次諧波造成了該位置電壓的不同。

1.2牽引變電諧波過電壓主要影響因素

有許多因素會影響牽引變電的諧波阻抗特性，并會從電力火車向牽引網絡注入更高次的諧波電流。考慮到牽引變電諧波過電壓水平的指標，這些是最重要的影響因素：（1）電力火車將諧波含量和頻譜注入牽引網絡。不同類型的交流和直流電力火車在運行期間具有較高的諧波電流頻譜，該頻譜被饋送到牽引變電中。電力火車的運行條件（牽引、空轉、再生制動）也會影響將其饋入牽引變電的方式。高次諧波電流的電平和頻譜會影響牽引變電的諧波過電壓電平。（2）牽引網絡的諧波阻抗特性有很多因素會影響牽引變電的諧波阻抗特性。出現最大阻抗的諧波頻率，這也影響了牽引變電的較高諧波過電壓電平。（3）外部電源。

2 牽引變電的諧波過電壓調節

如前所述，當將某些頻帶中的較高諧波電流饋入牽引變電中時，會產生較高的諧波過電壓。因此，可以采用在牽引變電中處理高次諧波的技術措施。次級諧波電源和牽引變電的阻抗特性從兩個方面進行：根據采取控制措施的具體安裝位置，在車輛的高次諧波控制措施中對它們進行了描述。高次諧波控制措施分。前者安裝在電源上，后者安裝在地面供電和轉換系統（例如變電站和分區）的火車上。

2.1車上諧波過電壓處理

對于每個牽引變電，基本定義了高次諧波阻抗的阻抗特性，即，基本定義了具有最高諧波特征阻抗的阻抗值的頻率。從理論上講，電力火車不會將高次諧波電流饋入牽引變電中，不會發生諧波過電壓現象，但是交、直流電力火車使用電子設備來校正牽引網絡中的交流電，從而確定控制類型[3]。類似于交流和直流電力火車，這也是不可能的，將高次諧波電流饋入牽引變電的頻率避免了牽引變電的峰值諧波特性阻抗。

濾波器對于降低饋入牽引變電的諧波電流具有重要的作用。但是，很難完全防止火車將高次諧波進入變電的過程。在這樣的條件下，因為火車種類較多，這項技術還能在諧波過電壓方面起到很好的調節頻率的作用，但仍可以饋入牽引變電。其對應著差異化的抗阻，因此，這也是測試處理火車高次諧波電流的技術措施有效性的重要因素[4]。

2.2地面高次諧波處理

可以通過在牽引變電中添加高通濾波器來實現高次諧波控制。本文僅說明無源高通濾波器。高通濾波器（一階高通濾波器和二階高通濾波器）都用于牽引變電中高階諧波的管理[5]。其他高通濾波器，例如三階高通濾波器和C型高通濾波器，由于濾波器的結構很復雜，在實際應用中較少。

如果上述無源高通濾波器與牽引變電站的牽引總線并聯連接，則整個牽引變電的諧波阻抗特性可以進行相應的分析。通過比較可以確定安裝了哪些高通濾波器。在發電機前面的牽引變電的等效最大阻抗大約為1300 Hz，模塊值大約為3100Ω。這意味著一階或二階高通濾波器投入運行后，牽引變電的諧波阻抗特性在兩個方面發生變化：首先，諧波阻抗的最大值變小，當相同的高諧波電流輸入時，諧波電壓降低。第二，發生最大諧波阻抗的頻率會降低到較低的頻率，從而可以有效地避免電力火車諧波電流的頻率并降低總體上較高的諧波電壓水平。

諧波阻抗特性是在未優化的一階和二階高通濾波器進行投資后獲得的，即在設計過程中未針對一階和二階高通濾波器的參數，這對檢測高通濾波器的操作沒有影響一階和二階抑制高階諧波過電壓[6]。

3結語

隨著電氣化鐵路中交流和直流火車數量的增加，交流和直流火車帶來了諸如提高功率因數和調試后降低諧波電流等優點。同時，牽引變電的等效值會因頻率不同的諧波電流而變化，對應著不同的抗阻。網絡中電壓的大小與其對應的電流與位置都存在密切的關系。本文通過對電力火車諧波過電壓的影響研究，進行了相應抑制措施的探討，通過研究得出以下結論：（1）通過改變牽引變電的高次諧波電流和諧波阻抗的特性，可以抑制過電壓。在牽引變電中安裝高通濾波器是處理的有效技術措施。（2）交、直流電力火車使用電子設備來校正牽引網絡中的交流電，從而確定控制類型。類似于交流和直流電力火車，這也是不可能的，將高次諧波電流饋入牽引電源系統的頻率避免了牽引電源系統的峰值諧波特性阻抗。（3）在牽引變電中進行高通濾波器的安裝工程時，應根據具體的項目運行模式，牽引變電的條件、運行維護條件、現場條件等來選擇高通濾波器的形狀和參數，并評估不同安裝位置的抑制效果完善的保護系統，并集成到遠程監控系統中進行監控。

參考文獻：

[1]中國鐵道科學研究院.京滬高鐵先導段試驗報告[R].北京：中國鐵道科學研究院，2011.

[2]邱忠才，肖建，郭冀嶺，等.火車變流器對高速鐵路牽引網諧振的影響[J].電氣傳動，2013（10）：32-39.

[3]孟志強.高次諧波對牽引網保護的危害及改進措施[J].電氣化鐵道，2006（Zl）：131-134.

[4]鄭瓊林.交流傳動HXD1電力火車諧振原因分析與對策[J].變頻器世界，2009（5）：41-44.

[5]劉建強，鄭瓊林，楊其林.高速列車牽引傳動系統與牽引諧振機理[J].電工技術學報，2013（4）：221-227.

[6]張培.AT牽引網諧波諧振規律及其抑制技術研究[D].成都：西南交通大學，2017.