牽引變電所27.5 kV所用變壓器電能凈化研究

文穩利

（中鐵十七局集團電氣化工程有限公司 工程管理中心，山西 太原 030032）

0 引言

作為電氣化鐵路的心臟，牽引變電所安全運行是保證電氣化鐵路安全有序運行的先決條件。機車運行產生的高次諧波對變電所二次回路的影響是牽引變電所安全運行的重要因素之一。在此重點探討利用高次濾波器凈化高次諧波，提高27.5 kV所用變壓器電能質量，提高電壓穩定性，消除諧波電壓對變電所二次設備的危害［1］。

1 高次諧波產生原因和影響

1.1 高次諧波產生原因

目前，我國電氣化鐵路牽引供電的主要供電方式為：AT供電和直供加回流。2種供電方式的原理都是將地方電源引入的220 kV（110 kV）三相平衡電源，通過牽引變電所變為55 kV的兩相交流電（或27.5 kV的單相交流電），通過接觸網供給電力機車，電力機車內部通過降壓-整流-逆變的過程，供給牽引電機再拖動機車運行，其中整流和逆變過程用到大量大功率晶閘管等電子元件，因此在供電電路中會產生17、19、21、23、25、27、29、31、33次［2］等更高次的有害諧波。

1.2 對牽引變電所設備的危害

高次諧波對牽引變電所的危害主要有以下方面：

（1）使主變壓器、27.5 kV所用變壓器的鐵損增加，出現過熱現象，縮短其使用壽命［3］。

（2）使電力線路的能耗增加，使計費的感應式電能表計量不準確。

（3）對二次設備的主要危害是使系統的繼電保護和自動化裝置發生誤動作。

（4）使系統發生電壓諧振，對附近通信設備和線路產生信號干擾，影響所內通信及SCADA遠動控制系統［4］。

（5）高次諧波的存在對電網的影響主要體現在線路無功功率增大，降低了牽引變電所的功率因數，從而造成電力資源浪費。

2 電能凈化裝置

2.1 概述

27.5 kV所用變壓器電能凈化裝置（見圖1）用于電氣化鐵路27.5 kV所用變壓器二次側交流供電系統的濾波。

圖1 27.5 kV所用變壓器電能凈化裝置示意圖

27.5 kV所用變壓器電能凈化裝置采用無源濾波凈化方式，安裝于27.5 kV所用變壓器引入交流屏進線側，并聯在交流屏進線端上，電能凈化裝置具備獨立開關，裝置故障或退出時不影響牽引變電所交流自用電系統的正常工作，不對所用電正常運行構成影響，最大程度保證交流所用電系統運行的可靠性。

27.5 kV所用變壓器電能凈化裝置采用阻波高通濾波的治理方式，電能凈化器濾波范圍為3～100次諧波，電能凈化裝置不產生額外無功功率，不會改變系統功率因數。

2.2 諧波濾波單元

電能質量凈化裝置的諧波濾波單元采用無源濾波凈化方式，系統的輸入電源來自27.5 kV/0.4 kV變壓器，采用由3臺獨立的單相諧波濾波器構成“Y”形三相濾波裝置，用于三相交流電源系統，實現濾除高、低次諧波，達到穩定電壓的作用。諧波濾波單元設計容量與27.5 kV所用變壓器容量匹配，滿足所用變壓器過載能力和時間的要求。諧波濾波單元回路內置控制電路，單元回路對外提供觸點信號，指示單元回路的工作或故障狀態。諧波濾波單元回路中還設置可不拆機更換的快速熔斷器，對濾波支路提供過電流保護。

單相諧波濾波器由電感和電容串聯構成（見圖2），通過電感和電容的串聯諧振（相當于短路）對電壓信號進行過濾，而將一定頻率的高次諧波過濾掉。其基本原理如下：

圖2 單相諧波濾波器電路

（1）利用電容器通高頻阻低頻的特性，將線路中的高頻干擾電流導入地線［5］。

（2）利用電感線圈的阻抗特性，將高頻干擾電流反射回干擾源［6］。

（3）利用電感線圈和電容線圈的串聯諧振來過濾掉不同頻率的高次諧波。

2.3 單相濾波器容量計算方法

式中：u為輸入電源電壓的有效值；ω為電壓的角頻率；t為時間；U為電壓的最大值，。

消除17、19、21、23、25、27、29、31、33次等更高次的有害諧波，電感L和電容C發生串聯諧振。以消除17次諧波為例，滿足式（2）的條件：

式中：角頻率ω=2πf，頻率f=50 Hz。

由式（2）可得電容與電感的關系，若已知電感L的大小，即可計算出電容C的大小。其他各次諧波消除的計算公式以此類推。

3 電能凈化效果試驗

3.1 試驗方法

電能凈化裝置應用和試驗地點選擇在北京供電段管內的灤平東牽引變電所。進行測試的牽引變電所外部電源采用220 kV供電，牽引變壓器接線方式為Vx接線方式，牽引變壓器為單相變壓器［7］。所內自用的1#變壓器為Dny11接線方式，測試點為Dny11變壓器380 V側電壓，測試儀器為FLUKE435。測試目的：對牽引變電所1#所用變壓器400 V側進行現場數據記錄。通過對實測數據的整理分析，驗證諧波濾波器投入前后的效果對比。評價諧波的主要依據包括諧波電壓綜合畸變率和各次諧波電壓含量，分別在濾波器投入前后，對以上2個指標進行測試。測試結果表明：

諧波電壓綜合畸變率由最大值18.90%下降至3.98%，國家標準為5%，滿足濾波要求。高次諧波中的各次諧波含量最大值由17%下降至4%，國家標準為4%，滿足濾波要求［8］。

3.2 測試數據

灤平東牽引變電所測試時間為2021年10月12—14日，其中10月12日12：00—10月13日12：00濾波器不投入運行，10月13日12：00—10月14日12：00濾波器投入運行。測試內容為濾波器進線即1#所用變壓器400 V側A、B、C三相電壓。

電能凈化裝置投入前后400 V側三相電壓的總波電壓綜合畸變率（THD）統計見表1，其實測數據見圖3—圖8。

表1 電能凈化裝置投入前后400 V側三相電壓THD統計 %

圖3 電能凈化裝置投入前A相電壓THD

圖4 電能凈化裝置投入后A相電壓THD

圖5 電能凈化裝置投入前B相電壓THD

圖6 電能凈化裝置投入后B相電壓THD

圖7 電能凈化裝置投入前C相電壓THD

圖8 電能凈化裝置投入后C相電壓THD

由上述數據可知，凈化裝置未投入時，若接觸網上無列車，考慮95%概率大值，1#所用變壓器400 V側A相電壓THD為1.95%，B相電壓THD為1.78%，C相電壓THD為2.06%，均小于5%的國家標準；若接觸網上有車輛通過，1#所用變壓器400 V側A相電壓THD最大值達到18.90%，B相電壓THD最大值達到12.16%，C相電壓最大達到14.82%，均超過5%的國家標準，不滿足設備用電要求，容易造成設備的干擾甚至燒損，對設備有很大威脅。

當凈化裝置投入后，若接觸網上無列車，考慮95%概率大值，1#所用變壓器400 V側A相電壓THD為1.29%，B相電壓THD為1.46%，C相電壓THD為1.50%，均小于5%的國家標準；若接觸網上有車輛通過，1#所用變壓器400 V側A相電壓THD最大值為4.79%，B相電壓THD最大值為3.98%，C相電壓最大為4.92%，均小于5%的國家標準［9］。

3.3 各次諧波含量對比分析

對電能凈化裝置投入前后各次諧波含量進行對比分析，尤其對該線路諧波含量較大的高次諧波進行比較。凈化裝置投入前后A、B、C相高次諧波含量對比見圖9—圖11。投入前A、B、C相電壓23、25、27次諧波最大值較大，最高達到17.11%，遠超過5%的國家標準；投入后A、B、C相電壓23、25、27次諧波最大值均顯著下降，達到國際標準，濾波效果明顯［10］。

圖9 電能凈化裝置投入前后A相高次諧波含量比較

圖10 電能凈化裝置投入前后B相高次諧波含量比較

圖11 電能凈化裝置投入前后C相高次諧波含量比較

4 結論

（1）電能凈化裝置未投入時，400 V側電壓畸變率較高，31、33、35、37次諧波含量相對于其他次諧波明顯偏高；

（2）電能凈化裝置投入后，400 V側電壓總畸變率和高次諧波電壓含有率顯著下降，尤其是31、33、35、37次等高次諧波含量明顯降低。投入凈化裝置后，變電所同時啟動空調、微波爐、電腦等用電設備，各項設備正常工作，未出現跳閘情況。