高次諧波過(guò)電壓對(duì)牽引變電設(shè)備的影響

許斌

摘要：隨著電氣化鐵路中交流和直流火車(chē)數(shù)量的增加，交流和直流火車(chē)帶來(lái)了諸如提高功率因數(shù)和調(diào)試后降低諧波電流等優(yōu)點(diǎn)。不同類(lèi)型的交流和直流電力火車(chē)在運(yùn)行期間具有較高的諧波電流頻譜，該頻譜被饋送到牽引電源系統(tǒng)中。電力火車(chē)的運(yùn)行條件（牽引、空轉(zhuǎn)、再生制動(dòng)）也會(huì)影響將其饋入牽引電源系統(tǒng)的方式。本文通過(guò)對(duì)電力火車(chē)諧波過(guò)電壓的影響研究，進(jìn)行了相應(yīng)抑制措施的探討，希望為相應(yīng)工作的處理提供思路與參考。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路;高次諧波;抑制技術(shù)

隨著電氣化鐵路中交流和直流火車(chē)數(shù)量的增加，交流和直流火車(chē)帶來(lái)了諸如提高功率因數(shù)和調(diào)試后降低諧波電流等優(yōu)點(diǎn)。由于電流波動(dòng)產(chǎn)生了很多不利局面，在這種情況下，會(huì)出現(xiàn)停車(chē)、部件燃燒甚至是爆炸的危險(xiǎn)，嚴(yán)重影響電氣化鐵路正常運(yùn)輸秩序[1]。盡管關(guān)于諧波過(guò)電壓?jiǎn)栴}的研究成果很多，但從技術(shù)實(shí)施的角度來(lái)看，仍然缺少針對(duì)某些領(lǐng)域的創(chuàng)新與技術(shù)措施改革。

1 牽引變電諧波過(guò)電壓的原理及影響分析

1.1牽引變電中引起過(guò)電壓的原理分析

在電力火車(chē)的運(yùn)行期間，高次諧波的電流被饋入牽引網(wǎng)絡(luò)。這些高次諧波電流到了網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)最終匯入牽引變電站，然后經(jīng)過(guò)使用中的變壓器影響牽引變電。在外部電源系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)中的高諧波電流在牽引變電中產(chǎn)生較高的諧波電壓，達(dá)到牽引網(wǎng)絡(luò)阻抗。牽引網(wǎng)絡(luò)是由分布式R，L和C組成的多組件系統(tǒng)。

對(duì)于火車(chē)的高次諧波電流源，可以使用圖1所示的簡(jiǎn)化等效電路來(lái)表示其在牽引變電上的行為。牽引變電的等效諧波阻抗也會(huì)發(fā)生變化，因此，由注入的相同幅度的諧波電流產(chǎn)生的諧波電壓也會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)，牽引變電的等效值會(huì)因頻率不同的諧波電流而變化，對(duì)應(yīng)著不同的抗阻。網(wǎng)絡(luò)中電壓的大小與其對(duì)應(yīng)的電流與位置都存在密切的關(guān)系。

通過(guò)戴維寧等效電路對(duì)其外部情況進(jìn)行計(jì)算，電抗收到牽引影響出現(xiàn)了不規(guī)律的變化，牽引變電的電流量可以通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)應(yīng)T電路，對(duì)牽引變電的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)絡(luò)每公里分為一個(gè)部分，牽引網(wǎng)各部分的等效值為：對(duì)于π型電路，根據(jù)牽引網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)線(xiàn)參數(shù)和幾何形狀，使用多導(dǎo)體理論計(jì)算π型電路的參數(shù)[2]。

牽引變電是有牽引變壓器、網(wǎng)絡(luò)等效電路和外部系統(tǒng)一塊組成的。上面提到的級(jí)聯(lián)等效電路基于Matlab / Simulink平臺(tái)。將阻抗測(cè)量模塊放置在有效電路中需要測(cè)量的阻抗上，并在牽引網(wǎng)絡(luò)中的一定距離處掃描牽引變電的阻抗頻率，以獲得電源臂的阻抗特性曲線(xiàn)。曲線(xiàn)顯示：牽引變電在一定的頻率下達(dá)到最大阻抗。當(dāng)電力火車(chē)的電流正好落在這些頻率范圍內(nèi)，就會(huì)出現(xiàn)很高的波動(dòng)以及諧波過(guò)電壓。該值的頻率不會(huì)因火車(chē)的位置不同而發(fā)生變化，即對(duì)于運(yùn)行中的電力火車(chē)，牽引變電等的阻抗值對(duì)應(yīng)一定的頻率，但是其在不同的位置因?yàn)樾阅懿煌w現(xiàn)了差異化的參數(shù)，電力火車(chē)在網(wǎng)絡(luò)中具有不同的電流消耗點(diǎn)并具有相應(yīng)的更高階，諧波的高電壓電平也不同。通過(guò)在仿真模型中更改π型級(jí)聯(lián)等效電路圖中的阻抗測(cè)量模塊的訪(fǎng)問(wèn)位置，應(yīng)將抗阻設(shè)置在牽引變電不同的位置上，圖2 表明了相關(guān)參數(shù)下曲線(xiàn)的變化規(guī)律。等效抗阻在變化中依據(jù)一定的規(guī)律，在匯入點(diǎn)通過(guò)高次諧波造成了該位置電壓的不同。

1.2牽引變電諧波過(guò)電壓主要影響因素

有許多因素會(huì)影響牽引變電的諧波阻抗特性，并會(huì)從電力火車(chē)向牽引網(wǎng)絡(luò)注入更高次的諧波電流?？紤]到牽引變電諧波過(guò)電壓水平的指標(biāo)，這些是最重要的影響因素：（1）電力火車(chē)將諧波含量和頻譜注入牽引網(wǎng)絡(luò)。不同類(lèi)型的交流和直流電力火車(chē)在運(yùn)行期間具有較高的諧波電流頻譜，該頻譜被饋送到牽引變電中。電力火車(chē)的運(yùn)行條件（牽引、空轉(zhuǎn)、再生制動(dòng)）也會(huì)影響將其饋入牽引變電的方式。高次諧波電流的電平和頻譜會(huì)影響牽引變電的諧波過(guò)電壓電平。（2）牽引網(wǎng)絡(luò)的諧波阻抗特性有很多因素會(huì)影響牽引變電的諧波阻抗特性。出現(xiàn)最大阻抗的諧波頻率，這也影響了牽引變電的較高諧波過(guò)電壓電平。（3）外部電源。

2 牽引變電的諧波過(guò)電壓調(diào)節(jié)

如前所述，當(dāng)將某些頻帶中的較高諧波電流饋入牽引變電中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較高的諧波過(guò)電壓。因此，可以采用在牽引變電中處理高次諧波的技術(shù)措施。次級(jí)諧波電源和牽引變電的阻抗特性從兩個(gè)方面進(jìn)行：根據(jù)采取控制措施的具體安裝位置，在車(chē)輛的高次諧波控制措施中對(duì)它們進(jìn)行了描述。高次諧波控制措施分。前者安裝在電源上，后者安裝在地面供電和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（例如變電站和分區(qū)）的火車(chē)上。

2.1車(chē)上諧波過(guò)電壓處理

對(duì)于每個(gè)牽引變電，基本定義了高次諧波阻抗的阻抗特性，即，基本定義了具有最高諧波特征阻抗的阻抗值的頻率。從理論上講，電力火車(chē)不會(huì)將高次諧波電流饋入牽引變電中，不會(huì)發(fā)生諧波過(guò)電壓現(xiàn)象，但是交、直流電力火車(chē)使用電子設(shè)備來(lái)校正牽引網(wǎng)絡(luò)中的交流電，從而確定控制類(lèi)型[3]。類(lèi)似于交流和直流電力火車(chē)，這也是不可能的，將高次諧波電流饋入牽引變電的頻率避免了牽引變電的峰值諧波特性阻抗。

濾波器對(duì)于降低饋入牽引變電的諧波電流具有重要的作用。但是，很難完全防止火車(chē)將高次諧波進(jìn)入變電的過(guò)程。在這樣的條件下，因?yàn)榛疖?chē)種類(lèi)較多，這項(xiàng)技術(shù)還能在諧波過(guò)電壓方面起到很好的調(diào)節(jié)頻率的作用，但仍可以饋入牽引變電。其對(duì)應(yīng)著差異化的抗阻，因此，這也是測(cè)試處理火車(chē)高次諧波電流的技術(shù)措施有效性的重要因素[4]。

2.2地面高次諧波處理

可以通過(guò)在牽引變電中添加高通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)高次諧波控制。本文僅說(shuō)明無(wú)源高通濾波器。高通濾波器（一階高通濾波器和二階高通濾波器）都用于牽引變電中高階諧波的管理[5]。其他高通濾波器，例如三階高通濾波器和C型高通濾波器，由于濾波器的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中較少。

如果上述無(wú)源高通濾波器與牽引變電站的牽引總線(xiàn)并聯(lián)連接，則整個(gè)牽引變電的諧波阻抗特性可以進(jìn)行相應(yīng)的分析。通過(guò)比較可以確定安裝了哪些高通濾波器。在發(fā)電機(jī)前面的牽引變電的等效最大阻抗大約為1300 Hz，模塊值大約為3100Ω。這意味著一階或二階高通濾波器投入運(yùn)行后，牽引變電的諧波阻抗特性在兩個(gè)方面發(fā)生變化：首先，諧波阻抗的最大值變小，當(dāng)相同的高諧波電流輸入時(shí)，諧波電壓降低。第二，發(fā)生最大諧波阻抗的頻率會(huì)降低到較低的頻率，從而可以有效地避免電力火車(chē)諧波電流的頻率并降低總體上較高的諧波電壓水平。

諧波阻抗特性是在未優(yōu)化的一階和二階高通濾波器進(jìn)行投資后獲得的，即在設(shè)計(jì)過(guò)程中未針對(duì)一階和二階高通濾波器的參數(shù)，這對(duì)檢測(cè)高通濾波器的操作沒(méi)有影響一階和二階抑制高階諧波過(guò)電壓[6]。

3結(jié)語(yǔ)

隨著電氣化鐵路中交流和直流火車(chē)數(shù)量的增加，交流和直流火車(chē)帶來(lái)了諸如提高功率因數(shù)和調(diào)試后降低諧波電流等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，牽引變電的等效值會(huì)因頻率不同的諧波電流而變化，對(duì)應(yīng)著不同的抗阻。網(wǎng)絡(luò)中電壓的大小與其對(duì)應(yīng)的電流與位置都存在密切的關(guān)系。本文通過(guò)對(duì)電力火車(chē)諧波過(guò)電壓的影響研究，進(jìn)行了相應(yīng)抑制措施的探討，通過(guò)研究得出以下結(jié)論：（1）通過(guò)改變牽引變電的高次諧波電流和諧波阻抗的特性，可以抑制過(guò)電壓。在牽引變電中安裝高通濾波器是處理的有效技術(shù)措施。（2）交、直流電力火車(chē)使用電子設(shè)備來(lái)校正牽引網(wǎng)絡(luò)中的交流電，從而確定控制類(lèi)型。類(lèi)似于交流和直流電力火車(chē)，這也是不可能的，將高次諧波電流饋入牽引電源系統(tǒng)的頻率避免了牽引電源系統(tǒng)的峰值諧波特性阻抗。（3）在牽引變電中進(jìn)行高通濾波器的安裝工程時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的項(xiàng)目運(yùn)行模式，牽引變電的條件、運(yùn)行維護(hù)條件、現(xiàn)場(chǎng)條件等來(lái)選擇高通濾波器的形狀和參數(shù)，并評(píng)估不同安裝位置的抑制效果完善的保護(hù)系統(tǒng)，并集成到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)控。

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