牽引變電所自用電諧波影響分析及治理方法研究

吳利仁，唐志能，李 威，郭欲平，黃世付，劉志謙

0 引言

電氣化鐵路牽引變電所（分區所、開閉所）自用交流電取自接觸網系統，由于接觸網機車負載非線性特點的影響使得自用交流電源成為諧波源，對要求精密工作電源的所內設備測控系統產生嚴重的干擾破壞，已經成為現場設備運行的一大安全隱患。本文將對一種牽引變電所用新型兩相/三相消諧自用變壓器的原理、性能及實際使用效果進行闡述，提出一種改善變電所電能質量的新方法。

1 牽引變電所自用交流電諧波特點及危害

1.1 牽引變電所內自用交流電源的諧波來源

牽引變電所內自用交流電源的諧波來源主要有兩方面：一方面是變電所內高頻整流電源、電磁爐、日光燈等電容輸入型非線性負載產生的諧波，諧波主要集中在3、5、7、11、13次，其可視為諧波電流源Ih，但由于其負載容量小，諧波電流值較小，基本可以忽略；另一主要方面來源于接觸網的諧波電壓Ush和諧波電流Ish，主要集中在31～35 次，41～47次等高次諧波。變電所內諧波源可以簡化如圖1所示。

圖1 變電所諧波源簡化示意圖

1.2 牽引變電所自用交流電諧波電壓源分析

以2015年在中國鐵路廣州局長沙供電段管內京廣線各牽引變電所進行的綜合自動化系統裝置改造（牽引主變為平衡變）為例，淘汰了以前普遍使用的相控整流直流電源裝置，裝配了以高頻開關電源直流充電機為核心設備的直流供電系統。該裝置投入使用后，只要使用所內27.5 kV自用電源即規律性發生所內交流電諧振過電壓故障，充電模塊輸入端口過壓保護單元器件燒毀，所內用電設施如燈具、空調等無法正常使用。對某變電所現場跟蹤測試，所內交流電壓最高時達600～700 V，同時對所內27.5 kV自用電進行電能質量跟蹤測試，測試顯示27.5 kV電源電壓波形如圖2所示，發現電壓源諧波含量豐富，主要集中在33～35次附近，與變電所交流電源在35次附近發生了諧振，諧波電壓和電流均被放大，相電壓峰值已經達到450 V，電流峰值達到20 A（正常情況下，電壓峰值僅為320 V左右，電流峰值僅為4 A）。該變電所內高頻充電模塊、變頻空調、電磁爐、日光燈等設施無法正常使用，且經常發生因高次諧波諧振損壞低壓設備的情況。

圖2 某變電所內二次電壓、電流波形

2 所用電諧波治理思路

對牽引變電所內設備而言，其諧波源主要由接觸網的諧波電壓源和恒流諧波源的疊加形成，其諧波潮流與單純由非線性負載引起的諧波潮流分布不同，因為此時的電壓波形已不是正弦波，而是一個諧波源。因此，對牽引變電所用電的諧波治理必須采用新的方法。

圖3所示為變電所二次諧波等效電路，通過疊加原理可以得出所內負載端的諧波電流。

圖3 變電所二次諧波等效電路

由諧波電壓在所內產生的負載諧波電流為

進入到二次負載的由非線性負載的Ih引起的諧波電流為

負載中的電流為

負載端電壓為

式中：ΔUh為回路的諧波電壓降；Zs′h、Zk′h分別為折算至變壓器二次側的阻抗。

由此可知，牽引變電所內二次電壓中既有來自于接觸網的諧波電壓，也有諧波電流引起的諧波電壓；負載電流中既有來自于接觸網的諧波電流，也有諧波電壓所引起的諧波電流。要改善變電所內電能質量就必須根據所內諧波的這些特點采取針對性措施，可以通過加大回路中串聯電抗以增大回路諧波電壓降ΔUh，降低負載端諧波電壓，同時在負載端并聯濾波支路以分流諧波電流。

本文通過對一臺50 kV·A，27.5 kV/0.4 kV的新型兩相/三相消諧自用變壓器的原理分析[1]、樣機研制及試運行效果的總結，提出采用消諧自用變壓器+專用濾波裝置改善變電所內電能質量的方法。

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3 新型接線兩相/三相消諧自用變壓器原理及性能分析

3.1 原理介紹

新型消諧自用變壓器高壓側采用帶延伸繞組的三角形接法，形成兩相對稱結構，圖4為高壓側電壓向量圖。低壓側采用Z型接線[2]。眾所周知，對于兩相/三相平衡接線的變壓器，當原邊一次側兩相電壓對稱時，副邊三相側中性點的零序電流iN= 0。不對稱延伸繞組的零序磁勢與三角形繞組的零序磁勢相平衡，變壓器原邊正、負序磁勢由副邊繞組平衡[3]。由于副邊繞組為Z型連接且中性點直接接地，由三相不對稱負載產生的零序電流可以在副邊繞組中流通，但只要副邊每相兩線圈耦合緊密，可保證零序電流在每相繞組中感應的磁通互相抵消，副邊三相繞組中將不會感應出零序電壓，因此副邊三相輸出電壓的平衡性也將不受影響[4]。

圖4 高壓側電壓向量

通過建立消諧自用變壓器仿真模型[5]，以驗證該接線方式的正確性。經對圖5和圖6所示的電壓波形進行比較可知，新型消諧自用變壓器完全能夠實現兩相/三相的平衡變換，滿足牽引變電所的使用要求。

圖5 原邊27.5 kV側α、β相電壓波形

圖6 副邊400 V側a、b、c三相空載電壓波形

3.2 性能分析

本節分析變壓器的短路阻抗值與諧振點的關系及對降低諧波電壓的作用。

圖7所示為變電所內設備單相諧波等值參數電路，在圖7所示的RLC串聯電路中，電抗XL對負載設備串聯分壓，將減少負載設備上的諧波電壓，同時因為電抗XL的加入，整個回路的諧振頻率也將改變。

圖7 諧波等值參數電路

串聯電抗加入前的回路電抗X1=Xs+Xk+Xf，串聯電抗加入后的回路電抗X2=X1+XL。加入串聯電抗前后電路的諧振次數分別為h01和h02，則有阻抗比k=X2/X1= (h01/h02)2。因此，只需選擇合適的串聯電抗XL就可以使得諧振次數由h01降為h02。假如已知現有諧振次數h01= 35次，為將諧振次數降為h02=25次，則k= 1.96，即將整個變電所內二次回路阻抗增大為原來的2倍即可實現。由于二次電壓中的25次諧波電壓很低，新的電壓諧振對設備運行基本沒有影響。串聯電抗XL也可以合并為自用變壓器短路阻抗內，本項目是通過調整新型消諧自用變壓器的短路阻抗值從而達到改變實際電壓諧振點的目的[2]。

基于變電所原逆斯科特自用變壓器的參數建立仿真模型[5]，模擬電壓諧振現象，通過調整負載參數使得400 V負載端電壓諧振頻率約為1732 Hz，諧振次數約為35次（圖8）。保持負載參數不變，將模型中自用變壓器結構及參數按新型消諧自用變壓器樣機參數進行調整，仿真得到400 V負載端電壓諧振頻率約為1244 Hz，諧振次數約為25次（圖9）。

圖8 使用原自用變時諧振頻率

圖9 使用新型自用變時諧振頻率

由于串聯電抗XL的存在，一部分諧波電壓降落在其上，使得負載端的諧波電壓得以減小，從而達到既降低所內負載端諧波電壓又能改變電壓諧振點的目的。

圖10為兩種不同結構自用變壓器分別仿真運行時負載電壓諧波頻譜比較。采用原逆斯科特自用變壓器時，29～37次高次諧波電壓放大嚴重，且可能發生35次電壓諧振，其幅值被嚴重放大。采用新型消諧自用變壓器時，通過選擇合適的等值參數，諧振電壓次數降低，電壓諧振幅值大幅減小，高次諧波電壓得到有效抑制；雖然部分較低次諧波有放大，但實際中這些諧波含量均較小，對運行影響不大。

圖10 不同自用變壓器負載電壓諧波頻譜

樣機自2016年3月投運至今的實際運行情況表明，新型消諧自用變壓器投運后，二次電壓的諧振現象得以消除，變電所內的電磁爐、日光燈、空調及充電模塊等基本可以正常使用。現場運行的新型消諧自用變壓器如圖11所示。

圖11 新型消諧自用變壓器

4 整體改善變電所電能質量的措施

由于所用電諧波源是由接觸網諧波電壓和諧波電流組成的一個混合諧波源，僅依靠消諧自用變壓器雖然能調整電壓諧振點并部分降低負載電壓諧波含量，但不能全面改善變電所電壓波形，因此有必要設置合適的濾波支路，減少流向變電所所用電設備的諧波電流。濾波支路的設置及參數選擇可根據變電所的具體情況而定。由于新型消諧自用變壓器本身帶有角接的線圈且二次側繞組為Z型接線，為使濾波裝置結構簡單而有效，本次濾波裝置僅設置了5、7次單調諧支路。現場測試數據表明，附加濾波裝置投入后，變電所內電能質量基本達到了國標要求。圖12所示為附加濾波裝置投入前后變電所負載電壓諧波實測值。

圖12 附加濾波裝置投入前后負載電壓諧波含量

5 結論

（1）新型消諧自用變壓器可以實現兩相/三相的平衡變換，通過調整短路阻抗值且因原邊帶有角接繞組，可消除變電所內電壓諧振，部分降低負載端諧波電壓，改善變電所供電質量。

（2）消諧自用變壓器+濾波裝置的供電方式可比較全面地改善變電所的電能質量，不失為一種提高變電所內設備運行安全性和可靠性的好方法。

（3）本文所述原理和方法也可在Vv和單相供電方式系統中推廣使用。