交直交電力牽引諧波的影響與改進

趙朝蓬，田旭東

0 引言

近3年來，交直交動車組、大功率電力機車已成為上海鐵路局京滬線、合寧、合武等客運專線的主要牽引負荷，在工程試驗和運行中陸續(xù)發(fā)生一些故障，如：牽引變電所亭交直流屏上的充電模塊出現(xiàn)燒損、接觸網(wǎng)避雷器爆炸、牽引變電所過電壓跳閘、動車組變流器故障、動車組避雷器爆炸等。

通過鐵道科學院在上海鐵路局南翔、三界牽引變電所及其相鄰分區(qū)所進行諧波測試，參與客運專線聯(lián)調(diào)聯(lián)試，牽引變電所過電壓跳閘后的專題測試，聯(lián)系動車組廠家進行的專項測試等工作，掌握了大量第一手數(shù)據(jù)與波形，獲得了一些交直交機車的諧波頻譜、電鐵諧波的特性、變電所無功動態(tài)補償裝置的補償效果等資料，經(jīng)分析得出一些結論。本文簡要介紹CRH2型動車組、HXD3型電力機車的諧波特性及其對牽引供電系統(tǒng)、動車組運行的影響，針對運行中出現(xiàn)的故障研究采取的技術措施。

1 諧波特性

（1）電鐵系統(tǒng)中奇次諧波含量，如圖1、圖2所示，其中3，5，7次諧波為含量較多的諧波，交直交牽引如CRH2動車組、HXD3型電力機車，在17～21、41～51次區(qū)域諧波明顯存在。

圖1 南翔牽引變電所27.5 kV a相諧波電壓圖

圖2 南翔牽引變電所27.5 kV b相諧波電壓圖

（2）南翔牽引變電所所用變壓器（27.5 kV逆斯科特變壓器）輸出電壓、電流諧波含量較大，如圖3、圖4所示。

圖3 南翔所用變壓器輸出電壓諧波圖

圖4 南翔所用變壓器電流諧波圖

2 避雷器爆炸與電壓跳閘原因與改進措施

2.1 客運專線接觸網(wǎng)避雷器爆炸分析

2008年12月，在合寧客運專線龍城牽引變電所越區(qū)供電至合武客運專線長安集變電所狀態(tài)下，供電距離約51 km，某CRH2型動車組位于供電臂中部運行（合肥站附近）時先后造成7次接觸網(wǎng)避雷器爆炸事件。其中1次測試結果表明：供電臂中部的三十里鋪 AT所兼分區(qū)所，2#AT吸上電流中17次諧波電流明顯放大，引起諧振過電壓導致避雷器爆炸。動車組通過調(diào)整牽引變流器工作狀態(tài)獲得不同的功率和速度，即變頻調(diào)速控制。當接觸網(wǎng)阻抗參數(shù)同動車組匹配造成了諧波電流放大時，放大了的諧波電流引起電壓畸變，畸變的電壓進一步使動車組或機車諧波電流增大，這樣，就形成了一個類似于正反饋的互相激勵過程，很快使接觸網(wǎng)形成諧振過電壓，引起設備燒損。

2.2 變電所過電壓跳閘分析

合武線牽引變電所2009年4月16日、4月27日、5月9日、5月10日等7次發(fā)生牽引變電所主變壓器低壓側過電壓保護跳閘，跳閘時供電臂內(nèi)均有CRH2型動車組在運行。過電壓保護跳閘時綜合自動化裝置系統(tǒng)捕捉的諧波過電壓波形如圖 5所示，2009年5月9日13時35分，六安變電所低壓側α相過壓保護動作時的主變壓器故障錄波圖。

圖5 變電所低壓側過壓保護動作的主變壓器故障錄波圖

圖6為D5478次、D5484次（CRH2-114B）運行時因21次諧波電流放大引起長安集牽引變電所母線電壓升高而跳閘的諧波測試圖。

圖6 跳閘時的母線電壓突變曲線圖

對 7次跳閘的分析表明，因動車組運行時的17次諧波或19次諧波或21次諧波產(chǎn)生諧振電壓，引起變電所母線電壓高于設定的整定值而跳閘，造成上下行接觸網(wǎng)全部停電，同時動車組頻繁報變流器故障，其中有一次造成動車組上的避雷器絕緣擊穿，牽引變流器退出運行。

2.3 在動車組上采取的改進措施

經(jīng)分析判斷動車組產(chǎn)生的諧波是諧振源后，由上海鐵路局機務處和車輛處、鐵道科學研究院、青島四方機車車輛有限公司、日本日立公司等單位組成了試驗小組，到合武線經(jīng)常跳閘處所進行了過電壓和諧波問題專項攻關，測得相關數(shù)據(jù)，采取相應措施后成效明顯。

具體采取的措施是：將試驗對象 CRH2-115B動車組的牽引變流器ROM（程序芯片）更換為四象限整流電流控制增益為0.5的新ROM后（原控制增益為 1），問題得到解決。更換后進行了非載客、載客試驗，試驗條件包括正常供電和越區(qū)供電2種方式，經(jīng)過試驗表明更換牽引變流器ROM后，效果較好，無網(wǎng)壓諧振等現(xiàn)象。日前，廠家已將這項技術推廣應用到該廠的所有動車組上，改進后沒有再發(fā)生故障與跳閘。

3 交直流屏燒損原因與改進措施

3.1 交直流屏燒損原因

交直流屏充電模塊的輸入端為橋式整流部分，對諧波電壓抑制功能較差，完全靠母線電解電容來承受。整流模塊工作時自身會產(chǎn)生較大的電流畸變，這個畸變電流在流經(jīng)電網(wǎng)時又會額外地產(chǎn)生新的諧波電壓，反過來作用于模塊輸入，進一步影響了模塊工作。傳統(tǒng)的交直流屏交流電源進線處針對3，5，7次諧波而設置了濾波裝置，已不適用于交直交動車組產(chǎn)生的高次諧波（15～51次諧波），高次諧波電壓直接疊加在交流屏的元器件上，整流模塊上的電容因長時間在過電壓狀態(tài)下運行而燒損，進而導致整個整流模塊燒損。

3.2 對交直流屏采取的改進措施

一是更換交流側電容器，提高其額定電壓值，該方法簡單易行，能保證短期效果。二是在交流屏上設置有源濾波回路，有針對性地對交流電源進線高次諧波進行濾除，徹底有效地改善電源質(zhì)量。具體作法是：

（1）將交直流屏母線電解電容器更換成額定電壓更高的電容器。常規(guī)交直流屏的母線電解電容直接承受來自電網(wǎng)的各種沖擊，包括電壓應力和溫度應力。原電解電容設計額定工作電壓為400 V，耐溫為85°。通過提高電解電容額定電壓（450 V）及溫度（105°），其所承受的各種應力相對變小，從而延長了電解電容的使用壽命。

（2）在交直流屏上設置有源濾波器（PFC）。有源濾波器是新型電力諧波治理專用設備。它由指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路 2個主要部分組成。指令電流運算電路實時監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號轉換為數(shù)字信號，送入高速數(shù)字信號處理器（DSP）對信號進行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制（PWM）信號形式向補償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動脈沖，驅(qū)動功率模塊生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網(wǎng)，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波。另外，經(jīng) PFC的處理，模塊從電網(wǎng)攝取的電流是純正弦波，流經(jīng)電網(wǎng)時不會額外地產(chǎn)生各高次諧波電壓。

以上對交直流屏的技術改進經(jīng)京滬線南翔、昆山變電所近一年的試運行，結果表明新的模塊能夠適應在牽引供電系統(tǒng)交直交牽引負荷的工作環(huán)境，改進效果良好。

4 結束語

交直交動車組、大功率電力機車上線運行后，出現(xiàn)牽引變電所亭設備燒損、過電壓跳閘、接觸網(wǎng)避雷器爆炸、動車組變流器故障等問題，經(jīng)測試分析均與其產(chǎn)生的諧波有關，采取針對性措施可以解決這個問題。