城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)諧波分析

王丹陽

【摘 ?要】城市軌道交通需要依賴供電系統(tǒng)的運(yùn)行，供電系統(tǒng)連接各種電力設(shè)備，在傳輸電能時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波，對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響，城市軌道交通也必然受到影響。論文針對(duì)牽引供電系統(tǒng)高次諧波過電壓的影響因素進(jìn)行分析，提出治理牽引供電系統(tǒng)高次諧波過電壓的有效措施。

【Abstract】Urban rail transit needs to rely on the operation of power supply system. Power supply system connected to a variety of power equipment， in the transmission of power will produce harmonics， have a negative influence ?on the power supply system， and urban rail transit is bound to be affected. This paper analyzes the influencing factors of high order harmonic overvoltage in traction power supply system， and puts forward the effective measures to control the high order harmonic overvoltage in traction power supply system.

【關(guān)鍵詞】城市軌道交通;牽引供電系統(tǒng);諧波

【Keywords】urban rail transit; traction power supply system; harmonics

【中圖分類號(hào)】U231+.8 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2020）02-0180-02

1 引言

由于交-直-交電力機(jī)車功率因數(shù)比較高，而且諧波電流含量低，因此，在交通領(lǐng)域得到青睞。牽引供電系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，隨著高次諧波電流的注入，電壓瞬間升高，導(dǎo)致列車停止運(yùn)行，甚至燒毀車頂安裝的避雷器，嚴(yán)重的后果是避雷器爆炸，正常的交通運(yùn)行秩序受到影響。在對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行研究的過程中，雖然已經(jīng)獲得了一些成果，但是并沒有徹底解決諧波過電壓的問題[1]。下面提出一些技術(shù)方案，僅供參考。

2 造成牽引供電系統(tǒng)高次諧波過電壓的影響因素

當(dāng)機(jī)車被注入了諧波電流之后，電壓會(huì)瞬間升高而產(chǎn)生過電壓，對(duì)供電系統(tǒng)上連接的設(shè)備造成損壞，甚至?xí)?dǎo)致機(jī)車的運(yùn)行癱瘓。

電力機(jī)車處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，在牽引網(wǎng)上的取流點(diǎn)會(huì)在機(jī)車的運(yùn)動(dòng)作用下發(fā)生改變，所以，機(jī)車受流點(diǎn)觀測到的等效電路參數(shù)也會(huì)有所變化。

機(jī)車運(yùn)行期間，過分降壓將會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，影響機(jī)車系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

機(jī)動(dòng)電車使用直流電牽引期間，內(nèi)部通過整流回路控制電流流向，調(diào)整晶閘管整流方式以及輸出的波形，但是因?yàn)榻涣麟姷恼也y以完整吸收，剩余的波形與正弦波對(duì)撞，從而影響直流電電壓與電流的輸出質(zhì)量。

對(duì)直流電的帶電能進(jìn)行直流電與交流電交換工作時(shí)，需要在逆變電路中，完成電能量轉(zhuǎn)變工作，但是受到慣性的影響，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械力，使電荷攜帶電勢能。

3 治理牽引供電系統(tǒng)高次諧波過電壓的有效措施

正如前面所言，當(dāng)牽引供電系統(tǒng)中被注入了某些頻段的高次諧波電流之后，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)就會(huì)受到影響。在諧波的干擾下，系統(tǒng)很有可能出現(xiàn)安全問題。所以，要保證牽引供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，就要對(duì)高次諧波采用科學(xué)有效的治理措施，從技術(shù)層面解決這個(gè)問題，具體如下。

3.1 對(duì)車上高次諧波過電壓問題采取技術(shù)策略

從理論角度而言，只要電力機(jī)車不向牽引供電系統(tǒng)注入高次諧波電流，就不會(huì)出現(xiàn)高次諧波過電壓的現(xiàn)象，但交-直-交電力機(jī)車采用電力電子裝置與牽引網(wǎng)輸入交流電的方式相同，如果交-直-交電力機(jī)車注入諧波電流且避開了諧波特性阻抗的峰值，那么高次諧波電流的作用就會(huì)導(dǎo)致諧波過電壓瞬間降低[2]。

電力機(jī)車加裝濾波器可以有效地降低高次諧波電流水平，為了防止高次諧波電流繼續(xù)注入牽引供電系統(tǒng)當(dāng)中，就要采取必要的技術(shù)措施。將多重整流技術(shù)應(yīng)用到電力機(jī)車上，使得注入牽引供電系統(tǒng)的高次諧波電流水平大大降低，而且高次諧波的頻率也會(huì)有所降低[3]。但是，牽引供電系統(tǒng)中注入高次諧波電流的問題依然不能徹底解決。由于各個(gè)牽引供電系統(tǒng)諧波都有自己的特點(diǎn)，阻抗特性各有不同，就需要具有針對(duì)性地采取高次諧波電流抑制措施。

3.2 治理高次諧波的有效方法

論文主要探討無源高通濾波器，這種設(shè)備能夠有效地控制牽引供電系統(tǒng)的高次諧波。當(dāng)無源高通濾波器與牽引變電所的牽引母線采用并聯(lián)的方式連接，整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的諧波特性就會(huì)呈現(xiàn)出來。在沒有安裝高通濾波器的情況下，牽引供電系統(tǒng)的等效阻抗最大值可以達(dá)到1200Hz，而且模值可以達(dá)到3000SZ。將高通濾波器安裝到牽引供電系統(tǒng)上，阻抗最大值為900Hz，模值大約為1800SZ。通過安裝通濾波器，牽引供電系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，諧波阻抗特性就會(huì)有所改變。第一個(gè)改變是諧波阻抗值變小，注入高次諧波電流的過程中，高次諧波電壓明顯降低;第二個(gè)改變是諧波阻抗的頻率已經(jīng)從原有的高頻移向低頻，可以將電力機(jī)車諧波電流產(chǎn)生的頻率避開，高次諧波的電壓水平會(huì)有所降低[4]。

3.3 治理高次諧波過電壓的實(shí)施方案

牽引供電系統(tǒng)有所不同，被注入諧波電流之后，所呈現(xiàn)出來的諧波特性阻抗也會(huì)有所不同，在高次諧波治理方面需要充分考慮參數(shù)的差異，具有針對(duì)性地制定實(shí)施方案進(jìn)行解決[5]，具體的工作需要采取如下方式：

第一，牽引供電系統(tǒng)并聯(lián)到高通濾波器上是抑制高次諧波過電壓的有效技術(shù)措施。在電能供應(yīng)范圍內(nèi)，機(jī)車型號(hào)存在差異，運(yùn)行特性也存在差異，為了做好這方面的工作，就需要對(duì)具體的工程數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集，主要包括牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀以及諧波處理現(xiàn)狀，要對(duì)諧波進(jìn)行有效控制需要采用外接電的方式，測量牽引供電系統(tǒng)的電流傳輸狀態(tài)和電壓傳輸狀態(tài)，并深入分析，將高次諧波的頻譜確定下來，還要明確其含量，高通濾波器的形式以及有關(guān)的參數(shù)確定下來，才能對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行有效解決[6]。

第二，從理論角度而言，安裝濾波器可以對(duì)高次諧波過電壓起到一定的抑制作用，使得過電壓的水平有所降低，對(duì)高次諧波也可以起到很好的抑制效果。過濾器的使用過程中，要使其持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)揮最好的性能，就要做好技術(shù)維護(hù)工作，定期巡檢，還要采取必要的保護(hù)措施。安裝變電站和變電所的過濾器之后，還要做好調(diào)試工作，對(duì)其進(jìn)行技術(shù)評(píng)估，將過濾器的正確安裝位置確定下來，避免由于差異問題導(dǎo)致高次諧波過電壓水平提高。

第三，安裝濾波器之后就要投入使用，其是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分。高通濾波器在牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的過程中發(fā)揮作用，會(huì)產(chǎn)生諧波電流，經(jīng)過電阻傳輸?shù)浇拥叵到y(tǒng)中[7]。諧波電流經(jīng)過電阻器的過程中會(huì)有很多的熱量產(chǎn)生，這就需要對(duì)熱量進(jìn)行評(píng)估，保證其不會(huì)影響到電阻器的正常運(yùn)行。如果濾波器在使用的過程中有故障發(fā)生，就要快速與牽引供電系統(tǒng)之間隔離開，確保不會(huì)影響到供電系統(tǒng)。

第四，從當(dāng)前電氣化鐵路的運(yùn)行狀態(tài)來看，可以監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，而且是遠(yuǎn)動(dòng)化監(jiān)控。在工程實(shí)施的過程中，要充分考慮高次諧波過電壓抑制方面的問題，并納入遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中，從宏觀的角度進(jìn)行研究，規(guī)避其弊端，使其優(yōu)勢充分發(fā)揮出來[8]。

4 結(jié)語

通過上面的研究可以明確，通過改變牽引供電系統(tǒng)的高次諧波電流特性和諧波阻抗特性，可以起到高次諧波過電壓的抑制作用。在牽引供電系統(tǒng)中安裝高通濾波器，需要考慮到軌道交通運(yùn)行的模式、牽引供電系統(tǒng)情況以及現(xiàn)場的環(huán)境和運(yùn)行維護(hù)條件，選擇合適的高通濾波器參數(shù)以及濾波的形式，完善保護(hù)系統(tǒng)配置，監(jiān)視遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，可以起到有效的控制作用。牽引供電系統(tǒng)高次諧波過電壓抑制工作是非常復(fù)雜的，牽引供電系統(tǒng)存在特殊性，如牽引變電所不僅為正線電氣化鐵路提供電能，還為短線所提供電能，這就需要從工作實(shí)際出發(fā)進(jìn)一步研究高次諧波過電壓的問題。

【參考文獻(xiàn)】

【1】陶海東，胡海濤，朱曉娟，等.車網(wǎng)耦合下的牽引供電系統(tǒng)諧振不穩(wěn)定機(jī)理分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2019，（39）：23-24.

【2】劉秋降，吳命利，張俊騏，等.基于分層控制策略的牽引供電系統(tǒng)諧波阻抗測試裝置[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，33（13）：198-208.

【3】公冶如晶，顧世帥.STATCOM對(duì)電鐵牽引供電系統(tǒng)諧波補(bǔ)償效果的研究[J].黑龍江電力，2018，40（06）：31-36.

【4】郭敏，金慶忍，陳衛(wèi)東.城市軌道交通牽引供電電纜諧振抑制方法研究[C]//第九屆電能質(zhì)量研討會(huì).2017.

【5】張培，黃彥全，蘆思為.AT供電系統(tǒng)阻抗頻率特性及諧波電流放大分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（02）：41-42.

【6】邵洋，陳麗華，胡海濤，等.基于C型與單調(diào)諧濾波器組合的高鐵牽引供電系統(tǒng)諧波治理方法[J].鐵道學(xué)報(bào)，2018，246（04）：55-62.

【7】羅世界，王維博，劉勇，等.高速牽引供電系統(tǒng)建模及其運(yùn)行參數(shù)對(duì)電網(wǎng)諧波的影響[J].電氣技術(shù)，2017（02）：65-66.

【8】宋平崗，林家通，李云豐，等.采用MMC-RPC治理牽引供電系統(tǒng)負(fù)序和諧波的PIR控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2017（12）：23-24.