高次谐波对牵引供电系统的影响和应对策略

【摘 要】近年以来，牵引供电系统发生的高次谐波谐振，导致电力机车高压跳主断，牵引变电所主变低压侧过电压跳闸，甚至烧损机车、接触网电气设备，严重干扰正常运输秩序，需引起牵引供电从业人员高度关注，深入分析牵引网谐振机理，研究谐振抑制对策，采取被动和主动的防御手段，确保牵引供电安全。

【关键词】高次谐波；牵引网谐振；供电安全；防御策略

0 引言

我国电气化铁路发展初期，电力机车大量使用国产韶山系列直流传动机车，其主流技术采用多段式半控桥整流，通过调节晶闸管导通角来实现机车出力的调节，其谐波成分主要集中在3、5、7、9等低次谐波，15次以上含量很小，尽管网侧电流畸变严重，谐波含量大，但波形整体平稳，电力机车不易引发牵引网系统谐振。

伴随我国铁路事业的高速发展，大功率和谐交流传动机车大量上线运行，由于交流传动机车网侧采用脉宽调制整流电路，网侧电流谐波含量小但谐波频谱较宽，在不恰当的电气匹配条件下，容易引发牵引供电系统高次谐波谐振，威胁供电安全。因此，我们将交流传动机车引发的高次谐波谐振和防御策略作为重点研究探讨的方向。

1 谐波的产生

受电力机车整流装置、网侧变流器等非线性负载的影响，反映到机车主变压器原边的牵引电流波形发生畸变，为周期性的非正弦波，利用傅立叶级数可将其分解为基波（50HZ）电流分量和若干频率为基波频率整数倍的谐波电流分量的叠加。

2 谐波对电气化铁路牵引供电系统的影响

2.1 网压升高机车跳主断

2.1.1 焦柳线郜营站机车跳主断

2016年3月5日22时30分，焦柳线T10次，机车号HXD3C-0210，运行至郜营站-耿坡站间上行线K476+093处，司机报告接触网网压高跳主断，停车位置距供电臂末端分区所2.207公里。该区段供电方式为直供加回流方式，变电所值班员巡视检查110KV进线电压及27.5KV馈线电压均正常，故障时间段未出现太大波动，符合《铁路技术管理规程》（普速铁路部分）第197条中“接触网最高工作电压为27.5KV，短时（5min）最高工作电压为29KV，最低工作电压为19KV”的规定，但分区所电压在22时20分作业出现33KV以上峰值。

绿色为变电所馈出母线电压，黄色为分区所母线电压

2.1.2 2016年2月11日，武九线K1586次，机车号HXD3C-0524，阳新站开车时，司机报告接触网网压过高，发生过电压保护跳主断路器，停车位置距离供电臂末端分区所1.694公里。该区段为直供加回流供电方式，故障时段该变电所馈线电压峰值为29.15KV。

2.2 牵引变电所主变二次侧过电压跳闸

2010年2月22日至3月29日，合武线彭岗变电所接连发生30起主变二次侧过电压保护跳闸。3月27日至29日，在彭岗牵引变电所、K71AT所（麻武线）和新横店分区所同时组织了实时录波测试，共记录4次彭岗变电所发生主变二次侧过电压跳闸时的故障录波数据，以下对3月28日18：13：19第1次跳闸的测试数据进行分析。

T母线电压有效值29.25kV，基波28.73kV，19次谐波含量18.44%，5.30kV F母线电压有效值29.97kV

武汉方向T母线电压频谱（18时13分）

T线电流有效值48.09A，基波12.01A，19次谐波含量368.7%，44.28A

武汉方向主变二次T线电流频谱（18时13分）

跳闸时段内合武线无动车组运行，麻武联络线上有51010次单机运行，HXD3机车。从测试结果来看，跳闸时段18时13分彭岗变电所武汉方向供电臂发生了19次谐波谐振，谐振发生时变电所内T母线电压有效值29.25kV，19次谐波含量18.44%，5.30kV；主变二次T线电流测有效值T线电流有效值48.09A，基波12.01A，19次谐波含量368.7%，44.28A。

测试结果表明，19次高次谐波放大彭岗变电所T母线供电臂谐振，主变二次侧母线电压升高，达到过电压保护启动定值，触发过电压保护出口跳闸。

根据对彭岗变电所发生的30起主变二次侧过压保护跳闸分析，跳闸时段T母线供电臂范围内多有麻武线HXD3单机运行，说明 HXD3交流机车单机运行工况下，网侧电流高次谐波含量较高，与T母线供电臂发生不恰当电气匹配关系的概率较大，须引起我们高度关注。

2.3 烧损直流机车RC回路电阻

自2011年武汉北枢纽电化开通投入运行以来，由于交流电力机车产生高次谐波，引发供电系统谐振，网压升高导致抗冲击能力弱且功率相对较小的SS6B型直流电力机车的“RC”回路电阻多次烧损，严重干扰影响正常运输秩序。

2.4 高次谐报谐振烧损接触网设备

2008年12月合武客专合肥至长安集供电臂由合宁客运专线龙城变电所越区供电，供电距离约50km。谐振事故发生期间共先后造成8台接触网避雷器爆炸，最后一次发生在12月25日，在变电所测试时，捕捉到事故发生时的电压电流波形。当时D477次CRH2型动车组运行于合肥至龙城间下行方向，出现较大的17次谐波电流放大现象，最大电流总畸变率达220%，导致接触网出现较大的谐波过电压，峰值达92KV，最大电压总畸变率达121%。取消龍城至长安集的越区供电后，合肥至龙城间产生谐波电流放大次数23次，但并不严重，未出现明显的谐波过电压。

测试龙城至合肥及龙城至长安集牵引网谐波电流放大现象。

25日8：33断路器跳闸时接触网电压参数：

有效值：55kV，

峰值：92kV，

电压综合畸变率：121%

其中17次谐波含有率：118%。

8：33龙城变电所合肥方向下行馈线断路器跳闸前，长安集变电所下行接触网电压波形见图1。

8：33龙城变电所合肥方向下行馈线断路器跳闸前，长安集变电所下行接触网电压波形中2～61次谐波电压含有率见图2。

3 谐振产生原因

电气化铁道牵引供电系统是一个特殊的高压输配电网络，电力系统阻抗和变压器阻抗呈现电感性质，而接触网呈现分布电容性质，因此，牵引网存在由电感和电容决定的一个固有谐振频率。

受电力机车整流装置、网侧变流器等非线性负载的影响，反映到網侧的牵引电流波形发生畸变，含丰富的谐波分量，当某次谐波电流分量与牵引网固有频率同步，形成不恰当电气匹配关系时，就会引发牵引供电系统谐振。

4 谐波应对策略

4.1 车载策略

1）调整牵引传动系统控制参数，抑制谐波电流分量。

2）改变整车不同动力单元（牵引变流器）的控制策略，比如调整多重化移相角度，使谐波电流频谱避开牵引网的谐振频率。

3）在动车组主电路上（高压或低压侧）增设RC吸收滤波装置，减少网侧高次谐波含量。

4.2 地面策略

1）被动策略

a.改变供电运行方式，AT供电方式可考虑投入和退出AT变运行，直供电方式可考虑改变末端并联方式，通过改变系统阻抗来破坏原牵引网谐振环境。

b.牵引变电所倒换进线电源，通过改变系统阻抗来改变原牵引网谐振条件。

c.在满足最恶劣情况下末端网压的前提下，对牵引变电所主变分接开关位置进行调整，一是通过改变系统阻抗改变系统谐振条件，二是通过调整分接开关降低主变二次测电压，减少谐振过电压触发过电压保护出口的机会，避免影响行车。

d.改变运输组织模式，通过调整牵引机型、交路、牵引工况，改变网侧电流谐波分量，避免与牵引网发生谐振。

2）主动策略

对于较大枢纽站区，交直流机车混跑区段，谐波电流频谱非常宽，低次、高次谐波含量均比较高，需要对不同频段的谐波采取不同手段分别进行滤波处理。

a.变电所安装LC滤波器主要滤去3次谐波。

b.安装有源滤波装置APF主要滤去2、4-12次谐波。

c.安装二阶高通无源滤波器HPF主要滤去13次及以上的高次谐波。

对于交流机车和动车径路，优先考虑安装二阶高通无源滤波HPF，对13次及以上的高次谐波进行滤除。南车株洲所对武汉北地区HPF装置投入和撤除运行后的网压和谐波频谱进行了测试，测试数据表明HPF投入运行后，对高次谐波起到了明显的抑制作用，同时网压降低明显。

5 结束语

牵引供电系统的谐振很难预测，根本困难在于牵引变电所外部电力系统的阻抗、频率特性很难确定，高压电网结构以及谐波行为的复杂性使得无法通过给定的网络拓扑和电气参数准确计算其9次谐波以上的阻抗。因此，谐振发生时的应急处置尤为重要，及时调整改变供电运行方式，倒换进线电源，不失为有效的应急手段，但要从根本上解决谐波问题，需要强化车载策略的源头治理和地面安装谐波滤波装置。

【参考文献】

[1]电气化铁道供电系统，中国铁道出版社，李鲁华主编，2011年.

[2]动车组与牵引供电系统高次谐波谐振机理与对策，北京交通大学，2011年1月15日.

[责任编辑：田吉捷]

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