朔黄铁路牵引供电系统谐波分析.pdf

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机车车辆与电气化铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2006（增）朔黄铁路牵引供电系统谐波分析曹广河（朔黄铁路公司肃宁分公司河北肃宁062350）摘要随着电气化铁路的迅速发展,电铁牵引负荷产生的高次谐波,除了对牵引供电系统造成危害外,还会造成电力系统谐波污染,因而,电铁的谐波危害已成为制约我国电气化铁道发展的重要因素。

介绍电力系统的谐波定义以及国家对谐波的限制标准,结合朔黄铁路牵引供电系统的概况分析了电铁谐波对铁路运输的影响,提出了抑制电铁谐波的方法和措施。

关键词电气化铁路牵引供电系统消除谐波影响收稿日期:

2005-10-201电力系统谐波的定义电力系统谐波的定义是:

一个非正弦、周期性的电气量（电压、电流、磁通等）,用傅立叶级数的方法分解,得到频率与原波形工频相同的正弦波分量称为基波（分量）,而频率为基波频率整数倍（大于1）的正弦波分量称为谐波（分量）。

谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数。

电网中有时也存在非整数倍谐波,称为非谐波（Non-harmon2ics）或分数谐波。

应该注意,电力系统所指的谐波是稳态的工频整数倍数的波形,电网暂态变化诸如涌流、各种干扰或故障引起的过压、欠压均不属谐波范畴;谐波与不是工频整倍数的次谐波（频率低于工频基波频率的分量）和分数谐波（频率非基波频率整倍数的分数）有定义上的区别。

电力系统的工频电源主要为发电厂中的同步发电机,由于采取了一系列削弱高次谐波的措施,其产生的谐波电势极为微小,与日益增长的系统谐波水平相比,可以忽略不计。

因此,可以认为电力系统的电源是频率为工频、波形为正弦波、三相对称的电压源,是系统中一切工频电能（电功率）的来源。

谐波产生的根本原因是系统中某些设备和负荷的非线性特性,即所加电压与电流不成线性（正比）关系而造成的波形畸变,当系统的正弦波形电压施加其上时,产生的电流为非正弦波,波形畸变,产生了谐波。

2谐波限制标准国际上对电力谐波问题的研究大约起源于20世纪五六十年代,当时的研究主要是针对高压直流输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题。

进入70年代后,随着电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用,谐波问题日趋严重,从而引起世界各国的高度重视。

各种国际学术组织如电气与电子工程师协会（IEEE）、国际电工委员会（IEC）和国际大电网会议（CIGRE）相继各自制定了包括供电系统、各项电力和用电设备以及家用电器在内的谐波标准。

我国国家技术监督局于1993年颁布了国家标准GB/T14549-93电能质量公用电网谐波,标准给出了公用电网谐波电压、谐波电流的限制值。

公用电网谐波电压（相电压）限制值见表1。

表1公用电网谐波电压（相电压）电网标称电压/kV电压总谐波畸变形/%各次谐波电压含有率/%奇次偶次0.385.04.02.06104.03.21.635663.02.41.21102.01.60.848机车车辆与电气化铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2006（增）公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）不应超过表2中规定的允许值。

表2谐波电流允许值A标准电压/kV基准短路容量/MVA谐波次数2345678910111213141516171819200.381078623962264419211628132411129.7188.6167.8610043342134142411118.5167.1136.16.85.3104.794.310100262013208.5156.46.85.19.34.37.93.74.13.262.85.42.63525015127.7125.18.83.84.13.15.62.64.72.22.51.93.61.73.21.56650016138.1135.49.34.14.33.35.92.752.32.623.81.83.41.6110750129.669.646.833.22.44.323.71.71.91.52.81.32.51.2注:

220kV基准短路容量取2000MVA。

当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时,按下式修正表2中的谐波电流允许值Ih=Sk1Sk2Ihp式中:

SK1公共连接点的最小短路容量,MVA;SK2基准短路容量,MVA;Ihp短路容量为SK1时的第h次谐波电流允许值。

3朔黄铁路牵引供电系统概况作为跨世纪工程的运煤第二大通道朔黄电气化铁路全长近600km,电气化工程从2000年开始建设,2001年12月19日开通了神肃段复线电气化铁路,计9个牵引变电所、9个分区所和2个AT区段的开闭所;2002年11月1日,开通了肃黄段单线电气化铁路,计4个牵引变电所;2003年9月30日开通了肃黄段复线电气化铁路。

采用的牵引变压器是Ynd11的接线方式,牵引网是直供+回流,还有60多km的AT线路。

牵引变压器安装容量最大为25MVA,最小为16MVA,在27.5kV侧有12个牵引变电所采用牵引侧27.5kV两相设有固定并联无功补偿装置,并联支路电容采用单台8.4kV、100kVar、4.51F的电铁专用电容器,电容器组4并4串;串联电抗器感容抗比为0.12,以无功补偿为主,兼顾三次谐波滤波。

东冶变电所（2003年技改）采用了在牵引网侧滞后相降压加装动态电容自动投切装置。

牵引机车是SS4B和SS4G型八轴重载货运机车,主传动采用传统的交直传动方式,使用传统的串励式脉流牵引电动机。

使用了不等分三段顺控半控桥装置、变流系统及劈相机。

机车采用可控硅全控整流桥和半控整流桥相结合的二段桥可控整流调压方式。

牵引工况时,两级桥串联,向2台牵引电动机供电;再生制动时,全控桥作为再生逆变桥,半控桥为励磁控制桥。

4朔黄电铁谐波对铁路运输的影响

（1）使牵引变电所并联补偿装置的部分电容器因电介质击穿,造成容值增大引发电容系统的差压保护动作;电容器无法继续使用,目前朔黄线已经损坏电容器76台。

（2）干扰电铁远动遥测、遥信系统,造成误传信息。

（3）引起铁路电力系统的谐振,产生系统过电压或过电流保护误动作。

主要是因为目前电气化铁路采用了在27.5kV牵引网T接了27.5kV/10kV动力变压器,作为铁路电力系统的一路主供电源,给自闭或贯通线路供电;在10kV系统中产生丰富的11次、13次谐波,其13次谐波电压含量高达76%,通过调压变压器进行放大,再加上目前铁路自闭或贯通回路都是轻负荷线路,特别是自闭线路负荷最轻（仅为11%）,线路基本是接近空载,因此整个线路呈容性,在用户端本应为220V电压,可就会出现电压在170350V之间变化,有时会在高电压350V处持续近1min（上述数据是我们实测的结果）,造成铁路行车信号电源无法正常使用。

（4）造成铁路配电系统的微机保护误动作,保护定值丢失。

（5）由27.5kV动力变供电的10kV电力系统电压波动大,信号电源质量差,重者无法使用,影响行车安全。

58机车车辆与电气化铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2006（增）（6）使自闭、贯通自动调压变压器频繁动作（平均一天动作100余次）造成调压开关烧损。

5抑制电铁谐波的方法和措施

（1）电力机车增加3次、5次、7次滤波装置;改进传动电机设计,产生较高的效率,但不得增加谐波。

（2）牵引变电所在经过测量计算后,由固定并联电容补偿改为动态补偿,即采用并联无功补偿电容加磁阀式可控电抗器方案。

（3）采用交流电机牵引技术。

（4）主要是从变流装置本身出发,通过变流装置的结构设计和增加辅助控制策略来减少或消除谐波,目前采用的技术主要有以下几个方面。

多脉波变流技术大功率电力电子装置常将原来6脉波的变流器设计成12脉波或24脉波变流器以减少交流侧的谐波电流含量。

理论上讲,脉波越多,对谐波的抑制效果越好,但是脉波数越多整流变压器的结构越复杂,体积就大,变流器的控制和保护变得困难,成本增加。

脉宽调制技术脉宽调制技术的基本思想是控制PWM输出波形的各个转换时刻,保证1/4波形的对称性。

根据输出波形的傅立叶级数展开式,使需要消除的谐波幅值为0、基波幅值为给定量,达到消除指定谐波和控制基波幅值的目的。

目前采用的PWM技术有最优脉宽调制、改进正弦脉宽调制、调制、跟踪型PWM调制和自适应PWM控制等。

多电平变流技术针对各种电力电子变流器（对于电压型的变流器必须用联接电感与交流电源相连）,采用移相多重法、顺序控制和非对称控制多重化等方法,将方波电流或电压叠加,使得变流器在网侧产生的电流或电压为接近正弦的阶梯波,且与电源电压保持一定的相位关系。

功率因数预调整器在电力电子装置中加入高功率因数预调整器,在预调整器的直流侧通过DC/DC变换控制入端电流,保证电力电子装置从电网中获取的电流为正弦电流并与电网电压同相。

此方法控制简单,可同时消除高次谐波和补偿无功电流,使电力电子装置输入端的功率因数接近于1。

无源滤波器（PF）无源滤波器通常采用电力电容器、电抗器和电阻器按功能要求适当组合,在系统中为谐波提供并联低阻通路,起到滤波作用。

无源滤波器的优点是投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便,因此无源滤波是目前广泛采用的抑制谐波及进行无功补偿的主要手段。

无源滤波器的缺点在于其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定,只能消除特定的几次谐波,而对其它次谐波会产生放大作用,在特定情况下可能与系统发生谐振;谐波电流增大时滤波器负担随之加重,可能造成滤波器过载;有效材料消耗多,体积大。

有源滤波器（APF）APF通过检测电路检测出电网中的谐波电流,然后控制逆变电路产生相应的补偿电流分量,并注入到电网中,以达到消谐的目的。

APF滤波特性不受系统阻抗影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险。

与无源滤波器相比,具有高度可控性和快速响应性,不仅能补偿各次谐波,还可抑制电压闪变、补偿无功电流,性价比较为合理。

另外,APF具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波。

APF按与系统连接方式分类,可分为串联型、并联型、混合型和串-并联型。

并联型APF可等效为一受控电流源,主要适用于感性电流源负载的谐波补偿。

它能对谐波和无功电流进行动态补偿,并且补偿特性不受电网阻抗影响。

目前这类APF技术已相当成熟,大多数工业运行的APF多属此类滤波器。

串联型APF可等效为一受控电压源,主要用于消除带电容滤波的二极管整流电路等电压型谐波源负载对系统的影响,以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。

由于此类APF中流过的电流为非线性负载电流,因此损耗较大;此外串联APF的投切、故障后的退出等各种保护也较并联APF复杂,所以目前单独使用此类APF的案例较少,国内外的研究多集中在其与LC无源滤波器构成的混合型APF上。

混合型APF就是将常规APF上承受的基波电压移去,使有源装置只承受谐波电压,从而可显著降低有源装置的容量,达到降低成本、提高效率的目的。

其中LC滤波器用来消除高次谐波,APF用来补偿低次谐波分量。

（5）加大电网容量,增加供电网络间的联络支路,以提高电网的抗波能力。

（6）由电力系统采用集中式补偿,统一治理。

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