朔黃線牽引供電諧波對(duì)通信、信號(hào)設(shè)備的干擾及治理方法探討

于國(guó)旺

（神華朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北省肅寧縣，062350）

朔黃線作為國(guó)家繼大秦鐵路之后的第二條西煤東運(yùn)的大通道，使用電力牽引是滿足重載鐵路運(yùn)輸任務(wù)和環(huán)境保護(hù)要求的首選，但不論哪種型號(hào)的電力機(jī)車，都會(huì)使用大功率的換流裝置，諧波的產(chǎn)生是一個(gè)不可回避的問題。朔黃線的貫通、自閉10 kV 電源，一路從牽引27.5kV 母線降壓至10kV獲得，另一路取自地方10kV 電源，肅北地區(qū)的兩路10kV 電源均通過(guò)110kV 電源降壓后直接獲得，但110kV 進(jìn)線電源與牽引進(jìn)線電源并接。與牽引網(wǎng)電源有關(guān)聯(lián)的10kV 電力電源均受到了牽引網(wǎng)諧波的干擾。隨著運(yùn)量的不斷提升，電力機(jī)車上線運(yùn)行的數(shù)量不斷增加，諧波含量也不斷加大，電能質(zhì)量下降問題越來(lái)越突出，對(duì)通信、信號(hào)設(shè)備產(chǎn)生了不小的干擾，比如，肅北通信樓機(jī)房開關(guān)電源頻繁上報(bào) “交流輸入電壓超限報(bào)警”；信號(hào)樓區(qū)間電源屏多次出現(xiàn) “穩(wěn)壓模塊保險(xiǎn)熔斷”；鐵路沿線使用的自閉線路因電源電壓的大幅波動(dòng) （超過(guò)25%，電源電壓瞬間低于165V）、閃變?cè)斐尚盘?hào)電源自動(dòng)倒路等，都不同程度地對(duì)運(yùn)輸產(chǎn)生了一定的影響。本文通過(guò)分析通信、信號(hào)設(shè)備故障現(xiàn)象與牽引網(wǎng)諧波之間的聯(lián)系，找出特征諧波對(duì)電氣參數(shù)的影響并制定相應(yīng)的對(duì)策加以制止，以滿足運(yùn)輸生產(chǎn)的需要。

1 通信、信號(hào)設(shè)備的故障現(xiàn)象及電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)結(jié)果

1.1 肅北站通信電源屏故障報(bào)警

1.1.1 故障現(xiàn)象

2013年7月26日，通信電源AC 相高壓瞬間報(bào)警，作業(yè)組用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試，電壓值正常。

2013年7月27日，供電部門使用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試，結(jié)果顯示電壓值正常。通信工程師與供電工程師測(cè)試結(jié)果相同，遂通知電源屏生產(chǎn)廠家共同判斷，初步定性為通信電源屏的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)部件出現(xiàn)故障。

2013年7月30日，通信電源柜廠家對(duì)監(jiān)測(cè)板進(jìn)行了更換，在觀察新板運(yùn)行狀況過(guò)程中，高壓報(bào)警又頻繁發(fā)出，經(jīng)過(guò)分析懷疑電能質(zhì)量有問題。

1.1.2 電源質(zhì)量測(cè)試

2013年7月30日，通過(guò)對(duì)肅寧北站通信電源電壓質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)通信主用電源波形嚴(yán)重失真，諧波含量較高。通過(guò)與洛陽(yáng)電源屏廠家對(duì)神池南站信號(hào)引入電源測(cè)試波形分析的比對(duì)看，肅寧北站的電源失真度更為嚴(yán)重，神池南站信號(hào)引入的電源失真度在14%～17% （標(biāo)準(zhǔn)是不大于5%），波形如圖1～圖4所示。

通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，肅寧北站AC相出現(xiàn)的高壓是由于外電網(wǎng)造成，捕捉到的高壓值瞬間達(dá)到709V，如圖5所示。

1.1.3 處理措施

2013年7月31日，通信電源屏供電電源倒接至備用2路試驗(yàn)，通過(guò)觀察試驗(yàn)未發(fā)生高壓報(bào)警。與供電部門聯(lián)系，2013年8月13日，利用天窗點(diǎn)再次對(duì)主用1路電源質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，如圖5所示。波形相對(duì)正常，在合格范圍內(nèi)，天窗點(diǎn)測(cè)試的波形如圖6所示。

圖1 肅寧北站通信主用三相電源波形圖

圖2 肅寧北站通信主用三相電源諧波圖

圖3 洛陽(yáng)電源屏廠家測(cè)試的神池南站的單相電源波形圖

1.2 肅北站信號(hào)樓區(qū)間電源屏故障

1.2.1 故障現(xiàn)象

2013年8月18日，肅寧北站舊信號(hào)樓區(qū)間電源屏報(bào)警，穩(wěn)壓模塊保險(xiǎn)熔斷。查看設(shè)備記錄，在7月29號(hào)也發(fā)生過(guò)穩(wěn)壓模塊保險(xiǎn)熔斷。

圖4 洛陽(yáng)電源屏廠家測(cè)試的神池南站的諧波圖

圖5 肅寧北站通信電源屏電壓質(zhì)量監(jiān)視圖

圖6 肅寧北站通信電源屏主用1路電源天窗點(diǎn)波形圖

1.2.2 電源電壓質(zhì)量測(cè)試

經(jīng)過(guò)測(cè)試，電壓波形及諧波同通信樓一樣。

1.2.3 初步判斷

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，通信的主用1路電源由肅北變電所334開關(guān)供電，舊信號(hào)樓1路、由肅北變電所338供電，三處設(shè)備電源雖然供電開關(guān)編號(hào)不一致，但334、338 開關(guān)由同一臺(tái)動(dòng)力變壓器供電，電壓波形一致也就順理成章。

切換至不與牽引變壓器并聯(lián)使用110kV 電源的備用2路電源，情況明顯好轉(zhuǎn)，且電源電壓波形圖與天窗點(diǎn) （圖6）基本一致。

1.3 肅寧北更新改造的區(qū)間電源屏故障

2013年10 月20 號(hào)，肅寧北對(duì)更新改造區(qū)間電源屏借用空調(diào)電源進(jìn)行上電調(diào)試，通電后多個(gè)軌道模塊出現(xiàn)保護(hù)狀態(tài)，電源無(wú)輸出。

通過(guò)用示波器監(jiān)測(cè)空調(diào)電源，發(fā)現(xiàn)空調(diào)電源瞬間B相電壓較低，峰值160V 左右，有效值120V左右，A、C相電壓較高，相電壓峰值達(dá)到430V，有效值310V 左右，諧波含量較高，如圖7所示。

圖7 肅寧北站信號(hào)樓空調(diào)電源電壓波形圖

通過(guò)對(duì)信號(hào)1、2路電源的比對(duì)測(cè)試，1 路電源與空調(diào)電源波形一致，如圖8所示。

圖8 肅寧北站信號(hào)1路電源電壓波形圖

肅寧北站信號(hào)樓2路電源波形如圖9所示。

通過(guò)與廠家共同分析，出現(xiàn)模塊保護(hù)的主要因是外電網(wǎng)引入的電源的質(zhì)量問題導(dǎo)致。

圖9 肅寧北站信號(hào)2路電源電壓波形圖

出現(xiàn)波形異常的原因，經(jīng)過(guò)與供電詢問，空調(diào)電源使用的是站饋4，信號(hào)1 路使用的是站饋8，信號(hào)2路使用的是站饋3 （由肅寧北變電所1號(hào)動(dòng)力變供電），當(dāng)時(shí)肅寧北變電所內(nèi)牽引變壓器是2號(hào)變向牽引網(wǎng)供電，與供給站饋4、站饋8的2號(hào)動(dòng)力變共用110kV 進(jìn)線電源。確定出現(xiàn)波形異常的電源主要來(lái)自與2號(hào)動(dòng)力變供電的系統(tǒng)。

1.4 其他車站信號(hào)電源屏故障

為了驗(yàn)證諧波的影響，對(duì)沿線車站自閉電源使用情況進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)。

2013年6月6日，滄州西站微機(jī)監(jiān)測(cè)報(bào)警窗口頻繁出現(xiàn) “三相電源錯(cuò)序Ⅰ路錯(cuò)序”報(bào)警提示，如圖10所示。

圖10 滄州西站信號(hào)電源監(jiān)測(cè)提示窗

“三相電源錯(cuò)序Ⅰ路錯(cuò)序”發(fā)生無(wú)規(guī)律性，發(fā)生周期不定，每次從發(fā)生到恢復(fù)的時(shí)間有長(zhǎng)有短，長(zhǎng)則超過(guò)3min，短則10s左右。且區(qū)間電源屏由Ⅰ路電源主供時(shí)，多次出現(xiàn)自動(dòng)由Ⅰ路電源倒至Ⅱ路電源供電的現(xiàn)象。經(jīng)查看Ⅰ、Ⅱ路電源質(zhì)量監(jiān)測(cè)曲線，無(wú)論是相電壓、線電壓還是相位角，Ⅰ路電源波動(dòng)都較大，特別是相位角的波動(dòng)已超出了微機(jī)監(jiān)測(cè)設(shè)置的上下限，造成微機(jī)監(jiān)測(cè)頻繁出現(xiàn)報(bào)警提示。同時(shí)區(qū)間電源屏由Ⅰ路電源供電時(shí)會(huì)自動(dòng)切換到Ⅱ路電源供電，也極有可能是因?yàn)閰^(qū)間電源屏相序盒監(jiān)測(cè)到輸入電源波動(dòng)較大造成的。相反，Ⅱ路電源的各種參數(shù)曲線均較平滑，無(wú)劇烈波動(dòng)，供電質(zhì)量遠(yuǎn)高于Ⅰ路電源。如圖11、圖12、圖13、圖14所示。

圖11 1路電源相電壓波形

圖12 2路電源相電壓波形

圖13 1路電源相位波形

2013年10月19日07：01分，蠡縣車站信號(hào)電源報(bào)警，經(jīng)檢查確認(rèn)區(qū)間、站內(nèi)電源屏1、2路電源正常，站內(nèi)電源屏故障燈亮紅燈，DHXDSD1-2模塊 （直流轉(zhuǎn)轍機(jī)電源2）、DHXD-SH1-1模塊 （穩(wěn)壓備用電源的備用模塊）和DHXDSH1-3 （聯(lián)鎖電源備用模塊）的面板保護(hù)指示燈均亮黃燈，模塊保護(hù)無(wú)輸出，由于都是備用，未發(fā)生設(shè)備影響，以上現(xiàn)象持續(xù)幾分鐘后恢復(fù)，7：01至8：00期間出現(xiàn)三次。通過(guò)與供電詢問，出現(xiàn)問題的信號(hào)1路是由肅北311供電，311是由2號(hào)動(dòng)力變供電，牽引變壓器是2號(hào)變向牽引網(wǎng)供電，通過(guò)分析導(dǎo)致智能屏3個(gè)模塊出現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)的主要原因是由于肅北電網(wǎng)質(zhì)量問題導(dǎo)致，10月19日利用天窗時(shí)間對(duì)區(qū)間電源屏和智能電源屏進(jìn)行I路轉(zhuǎn)換至II路使用，進(jìn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)問題。天窗結(jié)束后，問題重復(fù)出現(xiàn)，原因是II路由安國(guó)變電所貫通線供電，貫通電源來(lái)自安國(guó)變電所27.5kV 母線降壓至10kV 獲得，同樣受到干擾。改用安國(guó)自閉線向蠡縣車站信號(hào)供電，故障消除，蠡縣自閉電源直接取自地方10kV 電源線。

圖14 2路電源相位波形

2 諧波干擾來(lái)源分析

2.1 諧波與非諧波

在電力系統(tǒng)諧波問題中，要特別強(qiáng)調(diào)諧波的次數(shù)n為正整數(shù)。實(shí)際上在電力系統(tǒng)中有時(shí)也存在一些頻率不是基波頻率整倍數(shù)的正弦分量。為區(qū)別起見，稱這些正弦分量為非諧波或稱為分?jǐn)?shù)諧波。

2.2 諧波產(chǎn)生原因

在供電系統(tǒng)中波形畸變問題主要由兩大因素所造成。

（1）大功率換流設(shè)備和調(diào)壓裝置等的廣泛應(yīng)用。大量家用電器如：電視機(jī)、電磁爐、變頻空調(diào)和調(diào)光燈等普遍采用晶閘管以及各種非線性負(fù)荷的增加導(dǎo)致波形畸變。

（2）設(shè)備設(shè)計(jì)思想的改變。過(guò)去傾向于采用在額定情況以下工作或余量較大的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在為了競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)電工設(shè)備傾向于采用在臨界情況下的設(shè)計(jì)。例如有些設(shè)計(jì)者為節(jié)省材料使磁性材料工作在磁化曲線的深飽和區(qū)段，在此區(qū)段內(nèi)運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致激磁電流波形嚴(yán)重畸變。

由此可見，非線性負(fù)荷接至供電系統(tǒng)，以及供電系統(tǒng)本身存在非線性元件，是造成電力網(wǎng)電壓波形畸變的根本原因。

2.3 諧波源分析

2.3.1 發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波

發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱，鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致，造成發(fā)電源多少也會(huì)產(chǎn)生一些諧波，但一般來(lái)說(shuō)相對(duì)很少。

2.3.2 輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波

輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密度選擇在磁化曲線的近飽和區(qū)段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達(dá)額定電流0.5%。

2.3.3 用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波

晶閘管整流設(shè)備。由于晶閘管整流在電力機(jī)車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等許多方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。我們知道，晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達(dá)基波的30%；接容性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5 次及以上奇次諧波電流；如果是12脈沖整流器，也還有11 次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。

3 諧波治理對(duì)策

3.1 諧波治理基本思路

3.1.1 優(yōu)先采用諧波含量符合標(biāo)準(zhǔn)的電源

按照 “TB／10008-2006 鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范”電源及供電系統(tǒng)規(guī)定： “鐵路供配電系統(tǒng)的電源，應(yīng)優(yōu)先采用公共電網(wǎng)可靠電源。在電氣化區(qū)段，技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理時(shí)可與牽引變電站共用電源或接觸網(wǎng)供電作為備用電源”的原則。

作為用戶，如果有條件，貫通、自閉電源應(yīng)直接從電能質(zhì)量較高的地方10kV 電源引入兩路獨(dú)立電源，或者通過(guò)更高等級(jí)的電源降壓獲得。鑒于27.5kV 母線降壓至10kV 電源存在的諧波含量高、網(wǎng)壓波動(dòng)大的問題，盡量避免使用。

3.1.2 僅對(duì)重要敏感的設(shè)備進(jìn)行諧波治理

受電源條件限制，根據(jù)朔黃線AT 改造設(shè)計(jì)的主接線方式，即使采用110kV 降壓獲得自閉、貫通的10kV 電源，也不可避免的要和牽引電源共用一條進(jìn)線，諧波的存在不可避免。所以，為了避免諧波對(duì)通信、信號(hào)設(shè)備的干擾，諧波治理應(yīng)遵守效益最大化的原則。并非所有用電設(shè)備都對(duì)諧波特別敏感，如果供電部門進(jìn)行綜合治理，勢(shì)必投入設(shè)備的容量會(huì)很大。如果只對(duì)通信、信號(hào)乃至特殊用戶的設(shè)備進(jìn)行前端諧波治理，則需要的容量就會(huì)很小，經(jīng)濟(jì)效益明顯，所以，誰(shuí)敏感、誰(shuí)加治理設(shè)備的方式更好。

3.2 諧波治理的方法

3.2.1 采用無(wú)源濾波裝置

無(wú)源濾波器主要由濾波電容器，濾波電抗器等適當(dāng)組合成LC 濾波裝置，濾波器除起濾波作用外，還兼作無(wú)功補(bǔ)償作用。這種濾波器最早出現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，運(yùn)行可靠性高，應(yīng)用較為廣泛。但也存在一些問題，如當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或參數(shù)發(fā)生變化或?yàn)V波器本身參數(shù)變化時(shí)，濾波器可能產(chǎn)生諧波放大，而且這種濾波器對(duì)電壓波動(dòng)負(fù)序等不能綜合治理。

3.2.2 采用有源濾波裝置

隨著大功率電力電子器件技術(shù)的突破與發(fā)展，ABB公司推出了采用脈沖寬度調(diào)制 （PWM）技術(shù)構(gòu)成的有源諧波濾波器，如：“有源動(dòng)態(tài)濾波器PQFM，可以實(shí)現(xiàn)濾除2～50次諧波和無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)哪康摹?。其基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行很好的補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不會(huì)改變，阻抗特性不會(huì)受到影響。當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，裝置本身不存在諧振問題，其補(bǔ)償諧波的性能不變，同時(shí)還能抑制串、并聯(lián)諧振，因而受到了廣泛的重視，并且已獲得應(yīng)用。

3.2.3 采用交直交電源供電

為了解決信號(hào)供電因諧波含量較高，影響信號(hào)供電的問題，將380V 電源側(cè)改為交-直-交的供電方式，這種供電方式在西歐一些國(guó)家已經(jīng)有了十年的運(yùn)行時(shí)間，其效果較好。

4 針對(duì)朔黃線的改進(jìn)措施

通過(guò)對(duì)以上3種常見的諧波治理方法的分析可以看出，這3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)朔黃線負(fù)荷特性要想從根本上治理牽引供電的諧波污染，在對(duì)諧波較敏感的設(shè)備處采用有源濾波器相對(duì)效果較好。當(dāng)有源濾波器從電網(wǎng)中檢測(cè)到諧波電流時(shí)，補(bǔ)償裝置會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與電網(wǎng)諧波電流大小相等但極性相反的電流，以此抵消諧波污染目的。其優(yōu)勢(shì)顯而易見：能補(bǔ)償各次諧波；濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，不會(huì)與系統(tǒng)發(fā)生諧振；具有良好的自適應(yīng)功能，能跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波，具有可控性和快速響應(yīng)性，該特點(diǎn)對(duì)于朔黃鐵路牽引負(fù)荷不斷變化來(lái)說(shuō)顯得尤為適合。

但是有源濾波器本身價(jià)格較高，加之牽引電網(wǎng)容量很大，使得補(bǔ)償裝置造價(jià)更高。筆者認(rèn)為采用有源濾波與無(wú)源濾波結(jié)合組成混合補(bǔ)償器的方案比較合理。可以利用無(wú)源濾波器來(lái)消除電流中含量較高的諧波，同時(shí)采用有源濾波器來(lái)消除無(wú)源濾波器沒有過(guò)濾掉的電流諧波。這樣既充分發(fā)揮無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、成本低的優(yōu)勢(shì)，又利用了有源濾波器補(bǔ)償性能好的優(yōu)點(diǎn)，克服了單純采用大容量有源濾波器成本高的缺點(diǎn)?；旌涎a(bǔ)償使得在工程總造價(jià)較低的基礎(chǔ)上使整個(gè)裝置獲得優(yōu)良的性能，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理。

5 結(jié)論

諧波在目前的電力能源供給方式中是不可避免的。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，各行業(yè)對(duì)電力能源依賴度的提高，諧波不僅僅單純來(lái)自工業(yè)用電，為了節(jié)能和電氣運(yùn)行平穩(wěn)性的要求，家用電氣設(shè)備也越來(lái)越多的使用整流和變頻技術(shù)，如節(jié)能燈、電磁爐、變頻洗衣機(jī)、空調(diào)、電視及微波爐等，干擾源來(lái)自用戶，用戶與用戶之間互相干擾，在供電方集中治理已不太可能。除非將傳統(tǒng)的輸電方式改為直流輸電方式，用戶可根據(jù)自己使用的頻率來(lái)逆變，也就是“交直交”模式，否則諧波將在用戶間互相干擾。諧波的治理要本著區(qū)別對(duì)待，減少用戶的投入，使用戶獲得最大收益為原則。對(duì)于諧波的治理不能遵循一成不變的原則，而一定要濾波。如何把諧波的污染降到最低程度，又不要花太多的錢，是值得同行們一起探討和研究的問題。

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