電氣化鐵路牽引變電所所用電源高次諧波治理

于桂華

（南寧局集團公司供電處 工程師 廣西 南寧 530029）

0 引言

現(xiàn)在我國電力機車的種類較多，高次諧波頻譜分布較寬。當牽引供電系統(tǒng)的自然頻率和電力機車的諧波頻譜有相同的部分時，可能引起高次諧波發(fā)生諧振情況，以致產(chǎn)生諧振過電壓和諧振過電流［1］。由于不同型號電力機車混跑以及高次諧波電流時常被放大，使得牽引網(wǎng)上的諧波次數(shù)更加豐富。

牽引網(wǎng)中的各次諧波很容易通過牽引變電所中的兩相—三相配電變壓器滲透到其低壓配電系統(tǒng)中，如果低壓配電系統(tǒng)的諧波電壓含量過高，會導致低壓配電系統(tǒng)的電壓嚴重畸變，甚至引起過電壓，使牽引變電所內(nèi)用電設備損壞或壽命縮短，容易影響系統(tǒng)的安全運行。由于牽引變電所內(nèi)低壓配電系統(tǒng)三相電壓中的高次諧波含量太大，目前一些牽引變電所已經(jīng)出現(xiàn)了多起牽引所內(nèi)大量交流柜、家用電器等用電設備被燒損的事故，牽引變電所內(nèi)用電設備的運行受到了很大的影響［2］。因此有必要對牽引變電所內(nèi)低壓配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題進行研究，并提出綜合治理。

國內(nèi)外的許多文獻對牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的治理大多是對接觸網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量的治理，研究鐵路牽引變電所內(nèi)低壓配電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理這方面的文獻還較少，涉及到鐵路牽引變電所低壓配電系統(tǒng)的文獻包括關于其可靠性研究、配電自動化等方面。如文獻［3］提出了一種降低電壓不平衡和波動的鐵路靜態(tài)功率調(diào)節(jié)器（RPC），其通過平衡不同相位的有效功率和補償無功功率與諧波來降低電壓不平衡和波動。文獻［4］通過研究接觸網(wǎng)產(chǎn)生諧振的原理，提出了一種適用于高鐵系統(tǒng)的可以對高次諧波進行治理和對諧振進行抑制的阻波高通濾波器。文獻［1］通過對幾種不同的高通濾波器建模，并對這幾種不同的高通濾波器的特性進行對比，提出了阻波高通濾波方案，并且基于現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)對阻波高通濾波器方案的作用進行了驗證。文獻［6］為了減小牽引供電系統(tǒng)中的負序、諧波和無功功率，提出了基于模塊化多電平換流器的兩相三橋臂功率調(diào)節(jié)裝置。國內(nèi)外許多文獻都提出了對牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的治理措施，其中大部分是在牽引網(wǎng)側(cè)治理諧波，但是其成本相對較高。并且諧波對高壓三相系統(tǒng)的影響還未顯現(xiàn)出來，反而是低壓三相系統(tǒng)的影響更為嚴重［2］，因此可以先考慮對低壓配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量進行治理，采用在牽引變電所內(nèi)低壓三相系統(tǒng)的負載側(cè)并聯(lián)一個Y型高通阻波濾波器來濾除高次諧波。

1 牽引配電兩相三相變壓器變換分析

Scott 接線牽引變壓器是平衡變壓器的一種，具有變壓和換相的功能，可以在一定程度上削弱牽引負荷中負序不平衡對電力系統(tǒng)的影響。而逆scott接線變壓器是鐵路牽引變電所配電系統(tǒng)中常用的兩相-三相變壓器，可以把牽引側(cè)的相和相對稱兩相電壓轉(zhuǎn)換成a、b、c對稱三相電壓。逆Scott接線變壓器的接線方式如圖1 所示，可以看成是由兩個單相變壓器組成，鐵芯結(jié)構(gòu)可以是單鐵芯或雙鐵芯。

圖1中，M變壓器和T變壓器高壓側(cè)繞組匝數(shù)均為n1，T 變壓器低壓側(cè)ad 繞組匝數(shù)為3n2/2，端子o接于ad 繞組的2/3 處，端子d 與M 變壓器bc 繞組中點相連，bc繞組匝數(shù)為為三相對稱電壓。

圖1 逆Scott變壓器結(jié)構(gòu)

牽引變壓器兩相電壓可視為逆Scott 變壓器的電源，由逆Scott變壓器將牽引變壓器兩相正交電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿鄬ΨQ電壓，低壓三相諧波電壓與牽引網(wǎng)兩相諧波電壓關系為

由式（1）可知，牽引網(wǎng)中的諧波電壓可通過逆Scott變壓器滲透到低壓三相系統(tǒng)中，如果牽引網(wǎng)諧波電壓含量較高，則會造成低壓三相系統(tǒng)電壓諧波含量增加。

2 基于實測數(shù)據(jù)的牽引配電變壓器

2.1 諧波實測 組織有關人員對南昆鐵路田林牽引變電所27.5 kV 供電臂進行測試，其波形、畸變率和諧波含量如圖2～圖4所示。

圖2 27.5 kV側(cè)實測波形

圖3 27.5 kV側(cè)電壓畸變率

圖4 27.5 kV側(cè)諧波含有率

同時對田林牽引變電所低壓配電系統(tǒng)進行測試，其A、B、C 三相電壓畸變率情況如圖5～圖7 所示。測試結(jié)果表明，該低壓配電系統(tǒng)主要諧波含量分布在31-41次，諧波畸變率最大值高達28%，95%概率值15%，遠超5%的國家標準。

圖5 A相電壓畸變率

圖6 B相電壓畸變率

圖7 C相電壓畸變率

3 牽引配電變壓器諧波治理

牽引側(cè)電壓產(chǎn)生畸變的主要原因是高次諧波含量過高，對于諧波的治理主要是對高次諧波的治理。在某些高壓系統(tǒng)的線路中，高次諧波產(chǎn)生的影響還沒有完全暴露出來，但在低壓三相系統(tǒng)中已經(jīng)出現(xiàn)了大量用電設備由于高次諧波過高而引起的燒損線損，所以可以先考慮在牽引所低壓側(cè)安裝阻波高通濾波器來治理高次諧波帶來的危害。

3.1 低壓三相系統(tǒng)高次諧波濾波方案 將三個二階阻波高通濾波器按照星型接法進行連接后，構(gòu)成了一個三相Y 型阻波高通濾波器，將其并聯(lián)接入牽引變電所的低壓配電三相系統(tǒng)中，接法如圖8所示。

圖8 牽引變電所低壓配電系統(tǒng)系統(tǒng)濾波方案

圖8 中三個二階阻波高通濾波器一頭分別接在a、b、c 三相端子，另一頭與端子o 相接，并聯(lián)接入低壓配電三相系統(tǒng)，用以濾除掉牽引網(wǎng)通過逆scott變壓器滲透到低壓配電三相系統(tǒng)的高次諧波。

阻波高通濾波器由電容器C和電抗器L并聯(lián)后再與電阻器R串聯(lián)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 阻波高通濾波器結(jié)構(gòu)

阻波高通濾波器的阻抗為

在工頻電壓下，可認為阻波高通濾波器為開路狀態(tài)，無工頻電流流過，對外不交換無功功率，不消耗有功功率，具有阻波特性；隨著ω的增大，Z(ω)迅速減小，在高頻下呈現(xiàn)低阻抗，為高次諧波提供通路，濾除高次諧波。

3.2 濾波效果分析 對安裝在某高鐵牽引變電所的諧波濾波裝置進行現(xiàn)場測試，對投入濾波器和不投入濾波器時段內(nèi)的牽引變電所低壓配電系統(tǒng)電壓電能質(zhì)量進行了測試。治理前后A、B、C 相電壓畸變率對比分別如圖10（a）～圖10（b）所示。其中11：27～13:35濾波器投入，13:35后切除。從圖中可以看出，濾波器投入使用期間，諧波畸變率小于3%。濾波器未投入使用時，A、B、C相中諧波畸變率最大曾達到過5.8%、11.7%、6.05%。綜上所述，所內(nèi)安裝的諧波濾波器對變電所內(nèi)低壓配電系統(tǒng)的諧波治理是有效的，有利于保障所內(nèi)用電設備的安全，下一階段，計劃在新線牽引變電所推廣使用，并逐步對管內(nèi)牽引變電所、AT所、分區(qū)所加裝該濾波裝置。

圖10 （a）A相電壓畸變率

圖10 （b）B相電壓畸變率

圖10 （c）C相電壓畸變率

4 結(jié)束語

牽引網(wǎng)中的高次諧波很容易通過牽引所內(nèi)的兩相—三相變壓器滲透到低壓配電三相系統(tǒng)，對配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量造成影響。本文的主要目的是對鐵路配電系統(tǒng)的諧波進行治理，可以得到如下結(jié)論:

1）通過分析了逆scot接線方式的兩相—三相變壓器的電壓、電流變換關系，表明諧波可以通過高壓側(cè)滲透到配電變壓器低壓側(cè)。

2）現(xiàn)場實測所得數(shù)據(jù)表明，高次諧波可以通過兩相—三相變壓器滲透到低壓配電側(cè)，對低壓配電側(cè)的電能質(zhì)量造成了影響，當高次諧波含量過高時會造成電壓畸變。

3）在牽引所低壓配電負載側(cè)并聯(lián)一個Y型阻波高通濾波器對諧波進行治理，在負載側(cè)取得了良好的濾波效果。

將上述結(jié)論運用于實踐，能夠有效地濾除高次諧波，達到治理諧波的效果，對于確保設備和行車安全具有積極的促進作用。