鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波諧振和抑制對策分析

晏健欣

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

鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波諧振和抑制對策分析

晏健欣

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

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使高速運(yùn)輸?shù)男枨笠搽S之增大.為了緩解電氣化鐵路運(yùn)輸壓力以及提高鐵路的運(yùn)輸能力,我國近年來加大了對高速鐵路的建設(shè),從而使其得到了快速的發(fā)展.但是如果鐵路供電系統(tǒng)不能正常安全穩(wěn)定的運(yùn)行,其勢必會影響到鐵路運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)量和效率,所以要重視起鐵路上供電系統(tǒng)運(yùn)行問題.本文介紹鐵路牽引供電系統(tǒng)的特性以及供電方式,分析了鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波與諧振所對鐵路運(yùn)輸帶來的危害,探討了鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波諧振的抑制對策.

鐵路牽引供電系統(tǒng);諧波諧振;抑制對策

目前,交直電力傳動機(jī)車和交直交電力傳動機(jī)車是在我國電氣鐵路上應(yīng)用最為廣泛的兩種機(jī)車.因?yàn)檫@兩種機(jī)車在工作原理和方式上的不同,所以在機(jī)車的牽引供電系統(tǒng)中注入了大量的諧波,并且分布很是廣泛,這在一定程度上影響著牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定性.因此對鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波諧振的相關(guān)問題進(jìn)行分析和研究,對鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩兄匾淖饔煤鸵饬x.

1 鐵路牽引供電系統(tǒng)

1.1 鐵路牽引供電系統(tǒng)特性

鐵路牽引供電系統(tǒng)是諧波危害的對象,牽引網(wǎng)是諧波傳輸?shù)穆窂?牽引供電系統(tǒng)的高含量的諧波,將會降低電能質(zhì)量,損傷牽引網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的原件和設(shè)備,給空間通信造成了一定的干擾.當(dāng)在牽引供電系統(tǒng)中分布廣泛的諧波參數(shù)達(dá)到一定的條件時,就會使得相應(yīng)的次數(shù)諧波產(chǎn)生諧波諧振,成倍地增大了諧波的電流,從而會出現(xiàn)像跳閘、避雷器爆炸以及變壓器被過電流和電壓給擊穿等嚴(yán)重影響和危害供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的一些故障.在已有的牽引網(wǎng)傳輸線模型上,再結(jié)合數(shù)學(xué)知識來間接得到牽引網(wǎng)單位長度等效阻抗和導(dǎo)納,并將牽引供電系統(tǒng)簡化為等值電路模型,最后再利用模型詳細(xì)地研究諧波在倩影網(wǎng)的傳輸特性,為后續(xù)諧波抑制方法提供理論基礎(chǔ).

1.2 牽引供電系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

一次供電系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)是鐵路供電的兩大系統(tǒng),必須使兩者共同配合才能實(shí)現(xiàn)電氣化鐵道供電.一次供電系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)分別是指向電氣化鐵道供電和電力機(jī)車供電,其中牽引供電系統(tǒng)是由鐵路部門進(jìn)行管轄.一次供電系統(tǒng)主要包括兩方面:一是地方變電站或發(fā)電廠,二是交流高壓輸電線.在一般情況下,電壓使用的是110kV或220kV兩個等級.牽引供電體系則主要由交流電力機(jī)車、牽引變電所以及牽引網(wǎng)等部分組成.其中牽引變電所是由AT所、分區(qū)所以及開閉所等構(gòu)成;牽引網(wǎng)主要包括地理線、饋電線、鋼鐵、接觸線以及保護(hù)線等.

1.3 鐵路牽引供電方式

電力牽引供電系統(tǒng)主要有兩種:一是直流制;二是交流制,有工頻和低頻兩種單相交流制.單相工頻交流制,一般被我國鐵路牽引供電采用.它主要是一種采用單相雙繞組主變壓器的方式,其主要有簡單單相和v/v兩種接線方式.其中簡單單相接線的設(shè)備簡單經(jīng)濟(jì),并且主變壓器容量利用率高.目前我國電力牽引供電主要分為同軸電力電纜、自耦變壓器(AT)、直接供電以及吸流變壓器(BT)這四種.其中自耦變壓器(AT)供電方式又包括了單線自耦變壓器(AT)牽引網(wǎng)、復(fù)線自耦變壓器(AT)牽引網(wǎng)和全網(wǎng)聯(lián)自耦變壓器(AT)牽引網(wǎng)這種三種模式.

2 鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波與諧振危害

2.1 諧波危害

諧波對電力系統(tǒng)的危害主要分為直接和間接兩種影響,其中直接影響則主要是對系統(tǒng)元件、測控裝置以及其他電子設(shè)備造成損傷.系統(tǒng)元件則主要包括補(bǔ)償裝置、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、輸電線路以及變壓器四種;測控裝置則主要包括電氣計(jì)量儀表、繼電保護(hù)以及自動裝置三種,而電子設(shè)備則主要指的是微電子裝置.如果諧波干擾了附近的通信系統(tǒng)傳播的信號,屬于間接影響.其危害表現(xiàn)在以下幾點(diǎn).(1)損耗變壓器中諧波電流,甚至?xí)斐勺儔浩骼@組以及鐵芯發(fā)熱等現(xiàn)象,從而使得變壓器的絕緣保護(hù)材料加速老化,降低變壓器的工作效率.(2)諧波電壓或電流會加大發(fā)電機(jī)定子以及轉(zhuǎn)子的鐵芯損害程度,使發(fā)電機(jī)整體或局部的溫度偏高,從而影響電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行.(3)在輸電線路上,諧波電流會增加熱度以及交流電阻,加快其損耗的速度,如果采用的是電纜輸電,那么諧波電壓將會使周圍介質(zhì)的電場強(qiáng)度變大,從而縮短了電纜的使用生命周期,增加安全事故發(fā)生的次數(shù)、維修費(fèi)用.(4)當(dāng)諧波的頻率到達(dá)諧振的頻率時,就會突然增大諧波的電流造成電容器以及串聯(lián)電抗損壞,甚至是擊穿電纜.(5)在繼電保護(hù)和自動裝置的整定值小、靈敏度高,因此其很容易受到諧波的影響,從而發(fā)出錯誤的保護(hù)模式,影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行.(6)諧波產(chǎn)生的電流會干擾周圍附近的通訊系統(tǒng),從而阻斷信號的傳送.

2.2 諧振危害

諧振是由于諧波在電力系統(tǒng)中的躥動而引起的,通常分為并聯(lián)和串聯(lián)兩種諧振.諧波電流會在發(fā)生諧振時成倍的增大,從而增大了諧波的電壓,并使其疊加在基波電壓上,對設(shè)備的安全性造成了影響.諧波諧振所帶來的危害表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)上.(1)電氣的絕緣保護(hù)裝置會因?yàn)橹C振引起的過電壓而被擊穿,從而致使設(shè)備發(fā)生損毀.(2)諧波諧振產(chǎn)生的電壓將是電源電壓的三倍左右,這些過高的電壓會使得絕緣子、電流互感器、避雷器以及電壓互感器的瓷裙表面出現(xiàn)閃光而發(fā)生爆炸,甚至是造成短路.(3)諧振會使變壓器、電壓互感器以及電流互感器等這樣帶有鐵芯的電氣設(shè)備中的鐵芯發(fā)生改變,從而影響使用;(4)當(dāng)產(chǎn)生諧波諧振時,會使值班人員對電網(wǎng)中存在的不正常情況無法做出正確的判斷,從而致使安全事故的發(fā)生.(5)諧振會使諧波的范圍擴(kuò)大,已有的諧波和附加的諧波將會加大公用電網(wǎng)中的元件損害程度,降低了電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率.(6)被放大的諧波電流會使電機(jī)、電容器以及電纜等電氣設(shè)備的局部或整體過熱,老化了絕緣保護(hù)材料、減少了其使用的生命周期,從而使其無法正常工作.

3 鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波諧振抑制方法

3.1 地面處加裝濾波裝置

在地面上加裝濾波裝置一般有兩種:無源電力濾波器和有源濾波器.前者是由電容、電阻以及電感所組成的,后者則是由大功率電力電子器件而構(gòu)成的.

3.1.1 無源電力過濾器

這種濾波器又被稱為LC濾波器,其英文學(xué)名是:Passive Power Filter.它具有裝置結(jié)構(gòu)比較簡單、運(yùn)行速度和方式也比較穩(wěn)定以及裝置設(shè)備造價(jià)也較低等優(yōu)點(diǎn),所以其被廣泛地使用在電力系統(tǒng)中諧波的處理上.LC濾波器是由電阻(R)、電感(L)以及電容(C)按照相應(yīng)的參數(shù)配置和一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接而成.LC濾波器的工作原理是:先將其與諧波進(jìn)行并聯(lián),然后再利用電阻、電感和電阻在電路中串聯(lián)而產(chǎn)生出的諧振特性形成帶有低電阻的性質(zhì)的支路,阻斷特定次諧波電流的串流并完成吸收的功能,從而起到抑制諧波造成電網(wǎng)損毀的作用.

3.1.2 有源電力濾波器

這種濾波器的英文學(xué)名是:Active Power Filter,其英文簡稱是APF.APF是一種電力電子裝置,主要是由于動態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功.它不僅能對大小和頻率都發(fā)生變化的諧波進(jìn)行抑制,而且還能對變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償.它的優(yōu)點(diǎn)就是能夠多次且快速的濾除諧波,同時不引起系統(tǒng)發(fā)生諧振現(xiàn)象.

3.2 機(jī)車上加裝濾波裝置

在機(jī)車內(nèi)加裝濾波裝置,也能起到得對諧波起到抑制的作用,而且與需要花費(fèi)更高成本的有源濾波器所產(chǎn)生的效果是一樣的,并且這種濾波的裝置還更容易實(shí)現(xiàn).在機(jī)車上加裝濾波裝置,對于有源濾波器來說,困難較大不容易實(shí)現(xiàn),但是如果加裝無源濾波裝置的話,其相對于有源濾波器來說,濾波器的電感,則可以使用變壓器的漏感,從而使得裝置所花費(fèi)的成本較低,也更容易實(shí)現(xiàn).

4 結(jié)語

由以上所述可知,目前交直電力傳動機(jī)車和交直交電力傳動機(jī)車在我國電氣化鐵路運(yùn)輸上已被廣泛的使用起來,諧波的危害率也從以前的低頻率而轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的高頻率,從而危害到電氣化鐵路運(yùn)輸中電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,同時也危害到鐵路行業(yè)的發(fā)展,因此,對鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波諧振進(jìn)行詳細(xì)的研究是一項(xiàng)重要的工作,只有在此基礎(chǔ)上才能提出相應(yīng)的抑制措施,才能保證電氣化鐵路的實(shí)現(xiàn).

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1671-0711(2017)11(上)-0073-02