京哈線牽引供電系統(tǒng)高次諧波治理研究

劉星，魏宏偉，楚振宇

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055）

京哈線牽引供電系統(tǒng)高次諧波治理研究

劉星，魏宏偉，楚振宇

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055）

京哈線是中國重要鐵路干線，牽引負荷較重。京哈線牽引供電系統(tǒng)采用自耦變壓器供電方式，供電臂較長。由于線路上多種類型電力機車同時運行，實際運行中出現(xiàn)了牽引供電系統(tǒng)的高次諧振現(xiàn)象，嚴重危及牽引供電設備的運行安全。針對京哈線某牽引變電所增加饋線工程后發(fā)生的諧振現(xiàn)象，提出了適用于本線的高次諧波治理思路及工程技術方案，并對其他電氣化鐵路高次諧波的治理具有一定的借鑒意義。

京哈線；牽引供電系統(tǒng)；高次諧振；濾波裝置

0 引言

京哈線是連接華北和東北地區(qū)的重要繁忙鐵路干線，其牽引供電系統(tǒng)采用自耦變壓器AT（auto-transformer）供電方式，供電臂較長。目前，京哈線上運行的電力機車種類繁多，由于機車的傳動方式、電氣參數(shù)、諧波頻譜不同[1]，當在某個牽引變電所供電范圍內出現(xiàn)多種類型的機車時，在各種因素的共同作用下，牽引供電系統(tǒng)發(fā)生高次諧振的風險大大增加。AT饋線，饋線類型為長距離電纜。工程投產后，僅一個月就出現(xiàn)了數(shù)次牽引供電線系統(tǒng)異常現(xiàn)象，牽引變電所內保護動作，系統(tǒng)報警，不僅新增的電纜饋線無法正常投入使用，還影響到了牽引變電所內自用電變壓器、交直流系統(tǒng)及綜合自動化設備的安全運行。

現(xiàn)場測試新增饋線電纜空載電壓、T線電流總有效值及高次諧波有效值的分布情況。測試結果如圖1、圖2所示。

1 諧振現(xiàn)象測試數(shù)據(jù)與分析

以京哈線某牽引變電所為例，該所采用斯科特結線牽引變壓器，55 kV側母線采用單母線分段形式，饋線數(shù)目為八回。2014年該所新增一回

圖1 饋線電纜電壓及高次諧波有效值

圖2 饋線電纜T線電流及高次諧波有效值

根據(jù)測試結果，諧振期間變壓器T座電壓有效值達到60 kV，峰值達到110 kV；新增饋線電纜T線空載電流有效值達到130 A，15次諧波電壓有效值達到20 kV，電流有效值達到120 A。牽引變電所主變二次側T座電壓、新增饋線電纜T線電流的曲線及其諧波頻譜如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

圖3 主變T座電壓曲線

圖4 主變T座電壓諧波頻譜

圖5 新增饋線電纜T線電流曲線

圖6 新增饋線電纜T線電流諧波頻譜

牽引變電所主變T座、M座母線電流的諧波頻譜及24 h內基波電流有效值、11～31次奇次諧波電流總有效值和功率及功率因數(shù)的測試結果如表1、表2所示。

表1 T座統(tǒng)計結果

表2 M座統(tǒng)計結果

根據(jù)測試結果得出以下結論。

a）新增饋線電纜的13、15、17次諧波電壓、電流在17∶33到17∶36分之間出現(xiàn)了明顯增高。

b）在同一時刻母線13、15、17次諧波電壓較大，15次諧波電流較大，顯然測試期間該時刻內牽引供電系統(tǒng)發(fā)生了15次諧振。

c）由于新增饋線為長距離供電電纜，該電纜的容性阻抗對既有牽引供電系統(tǒng)的阻抗特性產生了較大影響，是導致諧振發(fā)生的主要原因。

2 諧振治理措施研究

2.1 諧振治理措施

2.1.1 消除諧波源

消除諧波源，即改善引起高次諧波諧振的電力機車的諧波特性，使其諧波含量降低到不足以激發(fā)諧振的水平，或把其電流諧波成分移頻錯開牽引供電系統(tǒng)的諧振頻率。

2.1.2 裝設濾波裝置

在牽引供電系統(tǒng)裝設各種有源、無源電力濾波裝置和無功補償裝置，以達到抑制諧波、提高功率因數(shù)的目的[2]。

2.2 措施分析

消除諧波源方案由于受電力機車數(shù)量、改造成本等因素的制約，短期內不易實現(xiàn)。因此，在實際的應用和工程主要以牽引變電所亭內治理方案為主，即在牽引變電所、分區(qū)所、AT所內安裝無源或有源電力濾波裝置，從而對諧波和無功進行綜合治理。

根據(jù)以上分析，為保證京哈線牽引變電所的正常供電，應在牽引變電所內安裝無源或有源電力濾波裝置。有源濾波器投資較高、研發(fā)及安裝周期較長，維護管理較為負責，而無源濾波器相對于有源濾波器來說，無論從研發(fā)、安裝到使用維護都有巨大的成本優(yōu)勢，因此，為解決高次諧振現(xiàn)象，本工程中選擇無源濾波器更為合適。

3 諧波治理工程方案

無源濾波器主要是利用了電路的諧振原理，濾波裝置對發(fā)生諧振時的某次諧波電流形成低阻抗通路，使得某次諧波電流被無源濾波器分流從而達到濾波的目的[3，4]。最為常用的無源濾波器為二階阻尼濾波器和單調諧濾波器。

根據(jù)本工程的測試結果，諧波電流在牽引網中的諧波含有率主要在諧振頻率處(即15次諧波)較大。結合牽引供電系統(tǒng)的經濟技術條件，濾波方案主要考慮的因素有以下幾點。

a）牽引供電系統(tǒng)的諧波諧振頻率隨著系統(tǒng)的主要元件如：供電臂長度、外部電源短路容量、牽引變壓器、AT變壓器等參數(shù)的確定而基本確定，因此從系統(tǒng)的角度結合成本考慮，直接針對諧振頻率處的諧波電流進行濾除就會對諧波諧振產生抑制。

b）從系統(tǒng)的諧波阻抗頻率特性來看，在諧振點頻率處系統(tǒng)的諧波阻抗最大，結合無源濾波器對系統(tǒng)阻抗頻率特性的影響，在設計之初考慮在加入無源濾波器后使得系統(tǒng)的諧振頻率向高頻方向發(fā)生移動，因為線路趨膚效應的影響高次諧波電流較小，從而也能達到抑制諧波諧振的效果。

c）無源濾波器無需控制設備，具有結構簡單、設備容量小、維護成本低等優(yōu)勢，在解決問題的前提下，可以從成本等角度出發(fā)考慮選擇合適濾波器以達到抑制諧波諧振的目的[5]。

因此，要減少諧波電流含量，降低諧波電流畸變率，可在牽引變電所內采用以下兩種濾波方案，如圖7、圖8所示。

圖7 諧濾抑制裝置原理圖（方案一）

圖8 諧濾抑制裝置原理圖（方案二）

表3 濾波方案主要技術指標對照表

以上兩個方案均能滿足該牽引變電所諧波治理的需要。兩個方案相比，方案一采用55 kV電氣設備，絕緣水平遠高于方案二，設備投資較大，占地面積較?。环桨付捎?組27.5 kV設備組成背靠背結構，具備一定的互備性，設備成熟，結合既有場坪占地面積增加不多。綜合以上因素，本次設計推薦方案二，濾波器具體參數(shù)見表4。其中，考慮到電抗器的可靠性，實際容量選取稍大一級。

表4 推薦方案的主要技術參數(shù)

該裝置自2014年5月現(xiàn)場投運后，諧振現(xiàn)象得到消除，牽引變電所二次及交直流設備無異常出現(xiàn)，設備運行效果良好。

4 結論

本文通過對京哈線某牽引變電所新增電纜饋線投入后發(fā)生的諧振現(xiàn)象進行測試分析，提出了京哈線牽引供電系統(tǒng)高次諧波治理思路及濾波裝置工程技術方案，并對其他電氣化鐵路高次諧波的治理具有一定的借鑒意義。

[1]解紹鋒，李群湛，趙麗平.電氣化鐵道牽引負載諧波分布特征與概率模型研究[J].中國電機工程學報，2005，25(16):79-83.

[2]李群湛，賀建閩.單調諧濾波器優(yōu)化設計及濾波效果[J].鐵道學報，1995(A01):15-21.

[3]吳命利，李群湛.電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)三相諧波模型[J].鐵道學報，1999(1):44-47.

[4]賀建閩，黃治清.關于諧波治理可行性的認識[J].電氣化鐵道，2003(2):1-5.

[5]段然.高速鐵路牽引饋線采用單相電纜相關問題研究[D].北京:北京交通大學，2014.

Study on Higher Harmonic Control of Traction Power Supply System of Beijing-Harbin Railway

LIU Xing,WEI Hongwei,CHU Zhenyu
（China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China）

Beijing-Harbin line is China's major railway line,so that the traction load is heavier.The traction power supply system of Beijing-Harbin railway adopts AT power supply mode,and the power supply arm is longer.Since electric locomotives running on the lines are various,higher-harmonic resonance occurs during the operation of traction power supply system,which seriously endangers the safe operation of traction power supply equipment.In view of the resonance phenomenon after the feeder line added in a traction substation in Beijing-Harbin railway line,technical scheme on higher-harmonic control is put forward for Beijing-Harbin line,and it has certain reference significance for higher harmonic elimination of other electrified railways.

Beijing-Harbin railway;traction power supply system;higher-harmonic resonance;filter

U223.5+2

A

1671-0320（2017）01-0054-04

2016-09-22，

2016-11-10

劉星（1985），男，遼寧大連人，2010年畢業(yè)于西南交通大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士，高級工程師，從事鐵道電氣化設計工作；魏宏偉（1968），男，河南鄭州人，1991年畢業(yè)于西南交通大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士，教授級高級工程師，從事鐵道電氣化設計工作；楚振宇（1971），男，河南洛陽人，1996年畢業(yè)于西南交通大學鐵道電氣化專業(yè)，碩士，教授級高級工程師，從事鐵道電氣化設計工作。