電氣化鐵路牽引變電所所用電源高次諧波治理

于桂華

（南寧局集團(tuán)公司供電處 工程師 廣西 南寧 530029）

0 引言

現(xiàn)在我國(guó)電力機(jī)車(chē)的種類(lèi)較多，高次諧波頻譜分布較寬。當(dāng)牽引供電系統(tǒng)的自然頻率和電力機(jī)車(chē)的諧波頻譜有相同的部分時(shí)，可能引起高次諧波發(fā)生諧振情況，以致產(chǎn)生諧振過(guò)電壓和諧振過(guò)電流［1］。由于不同型號(hào)電力機(jī)車(chē)混跑以及高次諧波電流時(shí)常被放大，使得牽引網(wǎng)上的諧波次數(shù)更加豐富。

牽引網(wǎng)中的各次諧波很容易通過(guò)牽引變電所中的兩相—三相配電變壓器滲透到其低壓配電系統(tǒng)中，如果低壓配電系統(tǒng)的諧波電壓含量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致低壓配電系統(tǒng)的電壓嚴(yán)重畸變，甚至引起過(guò)電壓，使?fàn)恳冸娝鶅?nèi)用電設(shè)備損壞或壽命縮短，容易影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。由于牽引變電所內(nèi)低壓配電系統(tǒng)三相電壓中的高次諧波含量太大，目前一些牽引變電所已經(jīng)出現(xiàn)了多起牽引所內(nèi)大量交流柜、家用電器等用電設(shè)備被燒損的事故，牽引變電所內(nèi)用電設(shè)備的運(yùn)行受到了很大的影響［2］。因此有必要對(duì)牽引變電所內(nèi)低壓配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行研究，并提出綜合治理。

國(guó)內(nèi)外的許多文獻(xiàn)對(duì)牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的治理大多是對(duì)接觸網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量的治理，研究鐵路牽引變電所內(nèi)低壓配電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理這方面的文獻(xiàn)還較少，涉及到鐵路牽引變電所低壓配電系統(tǒng)的文獻(xiàn)包括關(guān)于其可靠性研究、配電自動(dòng)化等方面。如文獻(xiàn)［3］提出了一種降低電壓不平衡和波動(dòng)的鐵路靜態(tài)功率調(diào)節(jié)器（RPC），其通過(guò)平衡不同相位的有效功率和補(bǔ)償無(wú)功功率與諧波來(lái)降低電壓不平衡和波動(dòng)。文獻(xiàn)［4］通過(guò)研究接觸網(wǎng)產(chǎn)生諧振的原理，提出了一種適用于高鐵系統(tǒng)的可以對(duì)高次諧波進(jìn)行治理和對(duì)諧振進(jìn)行抑制的阻波高通濾波器。文獻(xiàn)［1］通過(guò)對(duì)幾種不同的高通濾波器建模，并對(duì)這幾種不同的高通濾波器的特性進(jìn)行對(duì)比，提出了阻波高通濾波方案，并且基于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)阻波高通濾波器方案的作用進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)［6］為了減小牽引供電系統(tǒng)中的負(fù)序、諧波和無(wú)功功率，提出了基于模塊化多電平換流器的兩相三橋臂功率調(diào)節(jié)裝置。國(guó)內(nèi)外許多文獻(xiàn)都提出了對(duì)牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的治理措施，其中大部分是在牽引網(wǎng)側(cè)治理諧波，但是其成本相對(duì)較高。并且諧波對(duì)高壓三相系統(tǒng)的影響還未顯現(xiàn)出來(lái)，反而是低壓三相系統(tǒng)的影響更為嚴(yán)重［2］，因此可以先考慮對(duì)低壓配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行治理，采用在牽引變電所內(nèi)低壓三相系統(tǒng)的負(fù)載側(cè)并聯(lián)一個(gè)Y型高通阻波濾波器來(lái)濾除高次諧波。

1 牽引配電兩相三相變壓器變換分析

Scott 接線牽引變壓器是平衡變壓器的一種，具有變壓和換相的功能，可以在一定程度上削弱牽引負(fù)荷中負(fù)序不平衡對(duì)電力系統(tǒng)的影響。而逆scott接線變壓器是鐵路牽引變電所配電系統(tǒng)中常用的兩相-三相變壓器，可以把牽引側(cè)的相和相對(duì)稱(chēng)兩相電壓轉(zhuǎn)換成a、b、c對(duì)稱(chēng)三相電壓。逆Scott接線變壓器的接線方式如圖1 所示，可以看成是由兩個(gè)單相變壓器組成，鐵芯結(jié)構(gòu)可以是單鐵芯或雙鐵芯。

圖1中，M變壓器和T變壓器高壓側(cè)繞組匝數(shù)均為n1，T 變壓器低壓側(cè)ad 繞組匝數(shù)為3n2/2，端子o接于ad 繞組的2/3 處，端子d 與M 變壓器bc 繞組中點(diǎn)相連，bc繞組匝數(shù)為為三相對(duì)稱(chēng)電壓。

圖1 逆Scott變壓器結(jié)構(gòu)

牽引變壓器兩相電壓可視為逆Scott 變壓器的電源，由逆Scott變壓器將牽引變壓器兩相正交電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿鄬?duì)稱(chēng)電壓，低壓三相諧波電壓與牽引網(wǎng)兩相諧波電壓關(guān)系為

由式（1）可知，牽引網(wǎng)中的諧波電壓可通過(guò)逆Scott變壓器滲透到低壓三相系統(tǒng)中，如果牽引網(wǎng)諧波電壓含量較高，則會(huì)造成低壓三相系統(tǒng)電壓諧波含量增加。

2 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的牽引配電變壓器

2.1 諧波實(shí)測(cè) 組織有關(guān)人員對(duì)南昆鐵路田林牽引變電所27.5 kV 供電臂進(jìn)行測(cè)試，其波形、畸變率和諧波含量如圖2～圖4所示。

圖2 27.5 kV側(cè)實(shí)測(cè)波形

圖3 27.5 kV側(cè)電壓畸變率

圖4 27.5 kV側(cè)諧波含有率

同時(shí)對(duì)田林牽引變電所低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，其A、B、C 三相電壓畸變率情況如圖5～圖7 所示。測(cè)試結(jié)果表明，該低壓配電系統(tǒng)主要諧波含量分布在31-41次，諧波畸變率最大值高達(dá)28%，95%概率值15%，遠(yuǎn)超5%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 A相電壓畸變率

圖6 B相電壓畸變率

圖7 C相電壓畸變率

3 牽引配電變壓器諧波治理

牽引側(cè)電壓產(chǎn)生畸變的主要原因是高次諧波含量過(guò)高，對(duì)于諧波的治理主要是對(duì)高次諧波的治理。在某些高壓系統(tǒng)的線路中，高次諧波產(chǎn)生的影響還沒(méi)有完全暴露出來(lái)，但在低壓三相系統(tǒng)中已經(jīng)出現(xiàn)了大量用電設(shè)備由于高次諧波過(guò)高而引起的燒損線損，所以可以先考慮在牽引所低壓側(cè)安裝阻波高通濾波器來(lái)治理高次諧波帶來(lái)的危害。

3.1 低壓三相系統(tǒng)高次諧波濾波方案 將三個(gè)二階阻波高通濾波器按照星型接法進(jìn)行連接后，構(gòu)成了一個(gè)三相Y 型阻波高通濾波器，將其并聯(lián)接入牽引變電所的低壓配電三相系統(tǒng)中，接法如圖8所示。

圖8 牽引變電所低壓配電系統(tǒng)系統(tǒng)濾波方案

圖8 中三個(gè)二階阻波高通濾波器一頭分別接在a、b、c 三相端子，另一頭與端子o 相接，并聯(lián)接入低壓配電三相系統(tǒng)，用以濾除掉牽引網(wǎng)通過(guò)逆scott變壓器滲透到低壓配電三相系統(tǒng)的高次諧波。

阻波高通濾波器由電容器C和電抗器L并聯(lián)后再與電阻器R串聯(lián)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 阻波高通濾波器結(jié)構(gòu)

阻波高通濾波器的阻抗為

在工頻電壓下，可認(rèn)為阻波高通濾波器為開(kāi)路狀態(tài)，無(wú)工頻電流流過(guò)，對(duì)外不交換無(wú)功功率，不消耗有功功率，具有阻波特性；隨著ω的增大，Z(ω)迅速減小，在高頻下呈現(xiàn)低阻抗，為高次諧波提供通路，濾除高次諧波。

3.2 濾波效果分析 對(duì)安裝在某高鐵牽引變電所的諧波濾波裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)投入濾波器和不投入濾波器時(shí)段內(nèi)的牽引變電所低壓配電系統(tǒng)電壓電能質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)試。治理前后A、B、C 相電壓畸變率對(duì)比分別如圖10（a）～圖10（b）所示。其中11：27～13:35濾波器投入，13:35后切除。從圖中可以看出，濾波器投入使用期間，諧波畸變率小于3%。濾波器未投入使用時(shí)，A、B、C相中諧波畸變率最大曾達(dá)到過(guò)5.8%、11.7%、6.05%。綜上所述，所內(nèi)安裝的諧波濾波器對(duì)變電所內(nèi)低壓配電系統(tǒng)的諧波治理是有效的，有利于保障所內(nèi)用電設(shè)備的安全，下一階段，計(jì)劃在新線牽引變電所推廣使用，并逐步對(duì)管內(nèi)牽引變電所、AT所、分區(qū)所加裝該濾波裝置。

圖10 （a）A相電壓畸變率

圖10 （b）B相電壓畸變率

圖10 （c）C相電壓畸變率

4 結(jié)束語(yǔ)

牽引網(wǎng)中的高次諧波很容易通過(guò)牽引所內(nèi)的兩相—三相變壓器滲透到低壓配電三相系統(tǒng)，對(duì)配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量造成影響。本文的主要目的是對(duì)鐵路配電系統(tǒng)的諧波進(jìn)行治理，可以得到如下結(jié)論:

1）通過(guò)分析了逆scot接線方式的兩相—三相變壓器的電壓、電流變換關(guān)系，表明諧波可以通過(guò)高壓側(cè)滲透到配電變壓器低壓側(cè)。

2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得數(shù)據(jù)表明，高次諧波可以通過(guò)兩相—三相變壓器滲透到低壓配電側(cè)，對(duì)低壓配電側(cè)的電能質(zhì)量造成了影響，當(dāng)高次諧波含量過(guò)高時(shí)會(huì)造成電壓畸變。

3）在牽引所低壓配電負(fù)載側(cè)并聯(lián)一個(gè)Y型阻波高通濾波器對(duì)諧波進(jìn)行治理，在負(fù)載側(cè)取得了良好的濾波效果。

將上述結(jié)論運(yùn)用于實(shí)踐，能夠有效地濾除高次諧波，達(dá)到治理諧波的效果，對(duì)于確保設(shè)備和行車(chē)安全具有積極的促進(jìn)作用。