電氣化鐵路車網(wǎng)電氣匹配問題

李 強(qiáng)

0 引言

國內(nèi)電氣化鐵路多年來一直使用交直傳動(dòng)型電力機(jī)車，國產(chǎn)韶山系列電力機(jī)車全部采用交直傳動(dòng)系統(tǒng)。隨著我國鐵路第六次大提速的實(shí)施、高速鐵路建設(shè)步伐的加快和重載運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展，這一狀況有了極大的改觀。通過引進(jìn)技術(shù)消化吸收再創(chuàng)新，在高速客運(yùn)領(lǐng)域，從2007 年開始，CRH 系列4 型動(dòng)車組先后投入運(yùn)用；在重載貨運(yùn)領(lǐng)域，HXD系列3 型大功率電力機(jī)車陸續(xù)投入運(yùn)用。CRH 系列動(dòng)車組和HXD系列大功率電力機(jī)車全部采用交直交傳動(dòng)系統(tǒng)。

新型電力機(jī)車和動(dòng)車組的運(yùn)用，也帶來了一些新問題。由于交直交傳動(dòng)系統(tǒng)目前普遍采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，控制系統(tǒng)要比傳統(tǒng)交直傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，相對(duì)而言，控制策略和控制參數(shù)對(duì)外部電源條件更為敏感。由于牽引供電系統(tǒng)與電力機(jī)車或動(dòng)車組電氣上緊密耦合，在電路上是一個(gè)整體，電能傳遞過程是連續(xù)的、密不可分的。一旦機(jī)車車輛與外部供電網(wǎng)的參數(shù)匹配不合適，容易引發(fā)車網(wǎng)匹配問題。最近幾年國內(nèi)的電氣化鐵道出現(xiàn)的高次諧波諧振、網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖等問題，在CRH 系列動(dòng)車組和HXD系列大功率電力機(jī)車上均有發(fā)生。本文對(duì)這2 類車網(wǎng)電氣匹配問題，結(jié)合實(shí)際案例，進(jìn)行分析，探討其發(fā)生機(jī)理，并給出治理對(duì)策。

1 交直交傳動(dòng)系統(tǒng)

交直交電力機(jī)車及動(dòng)車組主電路原理如圖1所示。25 kV 接觸網(wǎng)電壓經(jīng)車載牽引變壓器降壓后，由二次側(cè)牽引繞組給四象限PWM 脈沖整流器供電，脈沖整流器把交流變換成直流，然后經(jīng)輸出電壓和頻率均可控的逆變器變換成三相交流，供給牽引電機(jī)—三相異步電機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。再生制動(dòng)時(shí)則能量流動(dòng)方向相反，牽引電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，發(fā)出的三相交流電被逆變器整流成直流，再被脈沖整流器逆變成單相交流，反饋給接觸網(wǎng)。整流器、中間直流環(huán)節(jié)和逆變器構(gòu)成了牽引變流器，牽引變流器、牽引電機(jī)和控制系統(tǒng)構(gòu)成了整個(gè)交直交傳動(dòng)系統(tǒng)。

交直交傳動(dòng)電力機(jī)車及動(dòng)車組在運(yùn)行中，靠逆變器輸出電壓幅值和頻率均可變的三相電壓，對(duì)牽引電機(jī)進(jìn)行速度和轉(zhuǎn)矩調(diào)整，同時(shí)要盡量保持中間直流環(huán)節(jié)電壓的穩(wěn)定，通過控制四象限PWM 脈沖整流器，根據(jù)能量流動(dòng)方向，通過脈寬調(diào)制技術(shù)和多重化技術(shù)，使電力機(jī)車或動(dòng)車組從接觸網(wǎng)吸取的電流與網(wǎng)壓同相或反相，并盡量削減網(wǎng)側(cè)電流諧波含量。理想的交直交傳動(dòng)電力機(jī)車或動(dòng)車組牽引時(shí)功率因數(shù)為1，再生制動(dòng)時(shí)為-1，并且電流不含諧波成分。實(shí)際的機(jī)車車輛，功率因數(shù)一般能達(dá)到0.97 以上，電流綜合畸變率在5%以下，通常僅在整流管開關(guān)頻率附近存在一些可測(cè)諧波。

圖1 交直交傳動(dòng)機(jī)車（動(dòng)車組）主電路示意圖

2 高次諧波諧振

2.1 高次諧波諧振案例

自交直交電力機(jī)車和動(dòng)車組在國內(nèi)投入運(yùn)用以來，引發(fā)的牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振案例已有數(shù)起，如，2007 年7—8 月間京哈線薊縣南變電所供電區(qū)段，2008 年8 月京津城際鐵路武清變電所至永樂分區(qū)所（ATS3）區(qū)間，2009 年4 月合武客專長安集變電所至合肥西區(qū)間，2010 年3—5 月間合武客專麻武聯(lián)絡(luò)線彭崗變電所供電區(qū)段等。現(xiàn)對(duì)京哈線諧振案例進(jìn)行分析。

2007 年4 月國內(nèi)鐵路實(shí)施第六次大提速后，京哈線開始開行動(dòng)車組，7—8 月間京哈線北京——秦皇島間增開CRH2重聯(lián)動(dòng)車組，以滿足暑期旅游需要，薊縣南變電所供電區(qū)段開始頻繁出現(xiàn)CRH2動(dòng)車組引發(fā)的牽引網(wǎng)高次諧波諧振。這是國內(nèi)首例交直交動(dòng)車組引發(fā)的牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振案例。

具體案情：7 月13 日燕郊至大廠間上行線路接觸網(wǎng)避雷器爆炸1 臺(tái)，造成D502 動(dòng)車組停車；7 月15 日D502 動(dòng)車組燕郊至大廠間上行線路接觸網(wǎng)相鄰位置避雷器又爆炸1 臺(tái)；7 月29 日燕郊分區(qū)所下行F 線供電線所外上網(wǎng)點(diǎn)管型避雷器動(dòng)作，火花間隙擊穿，斷路器跳閘并重合失??；8 月10日燕郊分區(qū)所所內(nèi)上行T 線進(jìn)線桿上避雷器爆炸。

現(xiàn)場(chǎng)值班員發(fā)現(xiàn)這些事故伴隨有母線電壓異常波動(dòng)，電壓表指針與正常值偏離較大，同時(shí)主變壓器、自耦變壓器、自用電變壓器的噪音顯著增強(qiáng)，甚至發(fā)出刺耳嘯叫聲。進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在電壓異常時(shí)，變電所供電區(qū)段范圍內(nèi)均有CRH2動(dòng)車組運(yùn)行，通常無其他類型電力機(jī)車，且電壓異常時(shí)饋線電流一般不大。

2.2 高次諧波諧振測(cè)試波形

圖2 顯示了2007 年8 月在薊縣南變電所實(shí)測(cè)到的某次動(dòng)車組通過時(shí)，引起牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振，從而導(dǎo)致55 kV 母線電壓從正常的50 kV升高到60 kV 的情況。圖3 為諧振時(shí)實(shí)測(cè)電壓波形，圖4 為其頻譜圖。

2007 年8 月測(cè)試結(jié)果表明，薊縣南變電所2個(gè)供電臂均可能由CRH2動(dòng)車組引發(fā)諧振，諧振頻率一般在17～23 次間，并不固定。

圖2 京哈線薊縣南變電所諧振母線電壓有效值升高圖

圖3 實(shí)測(cè)諧振母線電壓波形圖

圖4 諧振母線電壓頻譜圖

2.3 高次諧波諧振原因分析

電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)是一個(gè)特殊的高壓輸配電網(wǎng)絡(luò)。電力系統(tǒng)阻抗和變壓器阻抗呈現(xiàn)電感性質(zhì)，而接觸網(wǎng)則具有分布電容，因此牽引網(wǎng)存在由電感和電容決定的一個(gè)固有諧振頻率，由于電力系統(tǒng)運(yùn)行方式可能會(huì)調(diào)整，該諧振頻率很難預(yù)測(cè)，并且不是一個(gè)固定值。交直交動(dòng)車組和電力機(jī)車，網(wǎng)側(cè)采用脈寬調(diào)制整流電路，網(wǎng)側(cè)電流諧波含量小但諧波頻譜較寬。在不恰當(dāng)?shù)碾姎馄ヅ錀l件下，牽引供電系統(tǒng)與動(dòng)車組容易發(fā)生800～2 000 Hz 的高次諧波諧振。國內(nèi)大量使用的韶山（SS）系列電力機(jī)車，采用二極管或晶閘管單相整流，盡管網(wǎng)側(cè)電流畸變嚴(yán)重，諧波含量大，但主要集中在3 次、5次、7 次、9 次等低次諧波，15 次以上諧波含量很小，反而不易引起諧振，國內(nèi)電氣化鐵道近50 年的運(yùn)行實(shí)際證明了這一點(diǎn)。

牽引網(wǎng)的高次諧波諧振會(huì)引起諧波電流放大和諧振過電壓，實(shí)際發(fā)生的案例表明，牽引網(wǎng)諧振過電壓峰值甚至可達(dá)60～70 kV，嚴(yán)重影響動(dòng)車組和牽引供電設(shè)備的安全運(yùn)行。

3 網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖

3.1 網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖案例

2007 年12 月26 日，太原鐵路局湖東機(jī)務(wù)段和湖東一場(chǎng)、二場(chǎng)出現(xiàn)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓振蕩，HXD1 型機(jī)車牽引封鎖無法運(yùn)行情況，特別是2008 年1 月2 日全天發(fā)生牽引封鎖13 次，機(jī)車無法正常出入庫，嚴(yán)重干擾了運(yùn)輸秩序。

2010 年5—6 月間在北京西站區(qū)段，2010 年9月在青島動(dòng)車所，出現(xiàn)CRH5動(dòng)車組引起接觸網(wǎng)網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖現(xiàn)象，多次導(dǎo)致線路上運(yùn)行的動(dòng)車組停車或車站?？康膭?dòng)車組無法按時(shí)發(fā)車。

3.2 網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖測(cè)試波形

圖5 和圖6 為2008 年1 月在湖東變電所測(cè)到的網(wǎng)壓振蕩時(shí)，所內(nèi)T 座母線電壓和265 饋線T線電流波形及有效值。母線電壓波動(dòng)范圍52.2～57.4 kV，饋線T 線電流波動(dòng)范圍135～873 A。

圖5 網(wǎng)壓振蕩時(shí)湖東變電所T 座母線電壓波形及有效值圖

圖6 網(wǎng)壓振蕩時(shí)湖東變電所相關(guān)饋線電流波形及有效值圖

圖7 為2010 年9 月在青島動(dòng)車所測(cè)到的7 組CRH5動(dòng)車組升弓上電司機(jī)推牽引時(shí)發(fā)生牽引封鎖的動(dòng)車組上測(cè)到的網(wǎng)壓、網(wǎng)流和中間直流環(huán)節(jié)電壓波形。圖8 為該時(shí)對(duì)應(yīng)變電所測(cè)得的母線電壓和饋線電流波形圖。

圖7 7組動(dòng)車組上電網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖時(shí)車上測(cè)試波形圖

圖8 滄口變電所相關(guān)母線電壓饋線電流波形圖

3.3 網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖原因分析

分析網(wǎng)壓振蕩時(shí)車上和車下（變電所）測(cè)試結(jié)果，從電壓電流波形可以看出，網(wǎng)壓升高發(fā)生在電流相位超前電壓的周波，網(wǎng)壓降低發(fā)生在電流相位滯后電壓的周波。由于從電源到機(jī)車負(fù)荷，存在電力系統(tǒng)、變壓器和牽引網(wǎng)的阻抗，電流的波動(dòng)必然引起網(wǎng)壓的波動(dòng)。詳細(xì)計(jì)算表明，網(wǎng)壓振蕩實(shí)際上是由電流波動(dòng)及電流相位變化造成的，而電流的波動(dòng)及相位變化，則是由動(dòng)車組自身牽引傳動(dòng)系統(tǒng)及其控制策略決定的。當(dāng)電源阻抗相對(duì)較大時(shí)，不恰當(dāng)?shù)目刂撇呗跃蜁?huì)引起控制回路的失穩(wěn)。同時(shí)升弓上電的電力機(jī)車或動(dòng)車組達(dá)到一定數(shù)目時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)壓振蕩。振蕩幅度過大時(shí)，電力機(jī)車或動(dòng)車組就發(fā)生牽引封鎖現(xiàn)象。

湖東機(jī)務(wù)段和青島動(dòng)車所2 個(gè)案例的實(shí)測(cè)表明，同時(shí)升弓上電的HXD1 電力機(jī)車或CRH5動(dòng)車組數(shù)達(dá)到7 臺(tái)或7 組時(shí)，就會(huì)引發(fā)網(wǎng)壓振蕩，進(jìn)而牽引封鎖。這一臨界條件實(shí)際上與供電系統(tǒng)容量、等值電源阻抗大小和交直交傳動(dòng)系統(tǒng)總功率有關(guān)。

4 車網(wǎng)電氣匹配技術(shù)對(duì)策

由于車網(wǎng)電氣匹配問題涉及車和網(wǎng)2 個(gè)方面，其治理技術(shù)對(duì)策一般也可從車、網(wǎng)兩方面著手。

4.1 高次諧波諧振

諧波的源是車，如果能改善或調(diào)整動(dòng)車組或電力機(jī)車的電流頻譜特性，使其高次諧波含量減少，或使其諧波頻譜避開所運(yùn)行線路牽引網(wǎng)的諧振頻率，則可從根源上消除諧振現(xiàn)象。

在牽引供電系統(tǒng)治理諧振，就要設(shè)法改變牽引網(wǎng)諧振頻率，通?？稍诠╇姳勰┒朔謪^(qū)所安裝二階阻尼濾波裝置。京哈線薊縣南供電區(qū)段諧振治理時(shí)，在兩供電臂末端（燕郊分區(qū)所和韓家林分區(qū)所）分別安裝了阻尼濾波裝置，2008 年7 月投運(yùn)后，該區(qū)段沒有發(fā)生過諧振事故。

4.2 網(wǎng)壓振蕩

根據(jù)外部電源條件，通過調(diào)整交直交傳動(dòng)系統(tǒng)的控制策略，避免中間直流環(huán)節(jié)電壓的波動(dòng)，改善其空載下的取流特性，從而可從根源上避免網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖事故的發(fā)生。2008 年1 月在湖東機(jī)務(wù)段所進(jìn)行的HXD1 電力機(jī)車控制調(diào)整，證明該解決思路十分有效，不需增加硬件投資。

理論上講，增大牽引供電容量，減小等值電源阻抗，可以緩解網(wǎng)壓振蕩現(xiàn)象。如果在變電所增設(shè)穩(wěn)壓裝置，提供一個(gè)電流波動(dòng)的能量緩沖環(huán)節(jié)，使波動(dòng)的網(wǎng)流不至引起網(wǎng)壓波動(dòng)，也可以有效抑制這一現(xiàn)象。但這種地面解決方案，或者投資太大，或者技術(shù)難度高，并不適宜在實(shí)際線路中采用。

5 結(jié)論

交直交電力機(jī)車及動(dòng)車組投運(yùn)以來出現(xiàn)的牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振以及網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖現(xiàn)象，都屬車網(wǎng)電氣匹配問題。高次諧波諧振是由于電力機(jī)車或動(dòng)車組的網(wǎng)流諧波頻譜與牽引網(wǎng)固有諧振頻率重疊造成的。網(wǎng)壓振蕩牽引封鎖是因?yàn)殡娏C(jī)車或動(dòng)車組牽引傳動(dòng)控制策略與外部供電系統(tǒng)電源條件不匹配引起的。解決這類車網(wǎng)電氣匹配問題，理論上可從車、網(wǎng)兩方面著手，調(diào)整某一方的電氣特性，破壞引發(fā)匹配問題的觸發(fā)條件即可。選擇最佳解決方案，以整體最小的投入，確保電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)和電力機(jī)車、動(dòng)車組的運(yùn)行安全。

[1] 連級(jí)三.電力牽引控制系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，1994.

[2] 北京鐵路局，北京交通大學(xué)，中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，中國鐵道科學(xué)研究院.京哈線薊縣南牽引變電所供電區(qū)段電壓異常測(cè)試分析與治理方案研究（研究報(bào)告），2007.

[3] 北京交通大學(xué).彭崗變電所主變牽引側(cè)過電壓跳閘測(cè)試分析（研究報(bào)告），2010.

[4] 中國鐵道科學(xué)研究院，太原鐵路局，北京交通大學(xué)，株洲電力機(jī)車研究所.大秦線HXD1 型機(jī)車車網(wǎng)匹配關(guān)系測(cè)試報(bào)告（研究報(bào)告），2008.

[5] 北京交通大學(xué).CRH5 動(dòng)車組網(wǎng)壓振蕩牽引丟失測(cè)試分析報(bào)告（研究報(bào)告），2010.