高次谐波过电压对牵引变电设备的影响

摘 要： 由于陇海线新增HXD1C型交直交机车与HXD3、S7D、S7E、S4型机车混合牵引后产生高次谐波，直接影响牵引变电系统设备的正常运行。通过分析高次谐波的产生原因，提出相应的治理措施和彻底根治高次谐波对变电设备危害的两种建议方案，消除高次谐波过电压对变电设备的影响，提高设备运行的可靠性。

关键词： 高次谐波；变电设备；危害；治理措施；建议方案

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0720164-01

0 引言

自2011年陇海线新增HXD1C型交直交机与HXD3、S7D、S7E以及S4型机车混合牵引以来，牵引变电系统设备故障明显增加，多次烧损变电设备：烧损系统电脑3次、烧损交流盘信号灯10次、直流模块2次、引起并电容系统跳闸39次，引起断路器故障3次。并电容系统故障占总故障数的60%，是需要首要解决的问题。对并电容保护装置故障报告进行重点分析后发现，并电容跳闸时谐波电流含量最低10.7%，最高77.8%。经分析引起基波谐振的根源是HXD机车，通过与厂家对变电设备现场监测后结果统计分析，制定整治措施，消除了谐波过电压对变电设备的影响，提高设备运行的可靠性。

1 牵引供电系统产生高次谐波过电压的原因

谐波是指频率为基波谐波整数倍的一种正弦波，因为在电力系统中经常有一些设备和负荷存在非线性特性，也就是所负载的电压与产生的电流成非线性的关系从而造成波形畸变。牵引供电方式产生非正弦畸变波产生的原因有三类：

1）机车降压变在机车运行过程中过分相时断电又带电产生的励磁涌流。

2）直流牵引机车整流回路采用晶闸管整流，控制极靠导通角输出脉冲调节直流输出电压、电流的质量，交流正弦波不能被全波吸收，残留波对正弦波的冲击。

3）有源逆变即再生制动和直流电机在发电机状态运行时，惯性机械力产生的电势。

由于铁路的多次提速及客货运输运量的不断增加，畸变波的谐波成分复杂化，基波峰值及谐波的速率进一步提高，电气铁道是当前中压供电系统中典型的三相不平衡谐波源。

2 高次谐波对变电设备危害

由于变电设备对于电磁波的感应灵敏度较高，所以一旦机车牵引的过程中产生高次谐波，就会严重的危害变电设备的正常运行，下面笔者将结合工作经验，列举几种常见危害：

1）当高次谐波对设备性能的影响。当高次谐波中的电流超过一定限度时会引起变压器、电动机损失增大，产生过热；高次谐波电压还能引起设备异常震动，继电器保护误动，计量误差大，晶闸管装置失控和影响通讯质量；高次谐波电流、电压更容易使电力电容器产生严重过负荷和谐振，致使设备损坏。

2）高次谐波对交直流屏影响。充电模块的输入端为桥式整流部分，对谐波电压的拟制功能较差，完全由滤波电解电容来承受。直流盘一般只对3、5、7次谐波设置了滤波装置，对交直交机车产生的高次谐波（31～35次，37～41次谐波）无法滤除。当高次谐波电压直接叠加在充电模块、交流盘灯具、接触器、继电器等元器件上因长期过电压运行造成发热、过载而损坏。

3）高次谐波对对避雷器的影响。在线路有HXD1C机车运行时，分别在新丰5、6号馈线，窑村分区所观测到：新丰方向上下行避雷器泄露电流由正常的0.5mA急剧增大为2mA。在华县变电所同样观测到馈线避雷器电流最大超过2mA。

HXD机车运行时产生大量的20次以上高次谐波，当接触网阻抗参数与机车参数匹配时造成了谐波电流放大，发大了的谐波电流引起电压畸变，畸变的电压进一步使机车谐波电流增大，形成了一个类似于正反馈的互相激励过程，很快时接触网形成谐振过电压，引起避雷器泄露电流增大，曾在我段避雷器因内部发热而引起爆炸7次。

4）高次谐波对电容器的影响。在由于整流负荷的影响，常使变电所母线中高次谐波电流增加，并使母线电压波形畸变，并联电容器将使母线电压高次谐波成分增加，由于Xc=1/（2Лfc），高次谐波的存在将使容抗下降，产生较大的高次谐波电流，使电容器组严重过流。对谐波造成电容器差压保护动作分析：对华山、华县共发生17次并电容差压保护跳闸，跳闸时供电臂上均有HXD1C或HXD机车运行。通过对跳闸数据分析发现，并电容跳闸时谐波电流含量最低10.7%，最高77.8%。谐振源是HXD机车。因机车运行产生的3次、5次、7次、谐波或20次以上高次谐波引起电容器谐振；或者高次谐波影响造成电容器放电线圈二次响应时间差异引起电容器差压保护动作。

可见，高次谐波的产生严重的影响了变电设备的正常运行，严重的还会引发系统运行的安全事故。

3 制定整治措施及彻底根治的建议方案

认真分析了高次谐波的产生原理和其对变电设备的危害性后，有关部门应该对该问题引起重视，并采取有效的治理措施对其进行防治，将危害性降到最低，下文中笔者根据自己的工作经验，提出了几种治理措施和解决方案，旨在抛砖引玉：

3.1 治理措施

1）在华山变电所A、B相电容器放电线圈二次侧加装高通滤波器，滤除差压回路谐波电压，保证电容器可以正常投运，首先滤除母线3、5、7次谐波。但不能根除母线上存在的高次谐波对设备的影响。

2）将华山变电所A、B相电容器容量各减少一组后投运，观察运行情况，是否可以躲开谐振点，避免差压误动。

3）在交流盘安装有源滤波装置，滤除20次高次谐波对交流盘元器件、直流盘充电模块的影响。

3.2 建议方案

方案一：向上级部门上报专题报告，申请在变电所加装APF有源滤波装置+RLC高通滤波装置，彻底治理母线上的高次谐波。

采用该方案对谐波进行改造和调整，主要有以下几个方面的应用优点：

1）首先，该方法的滤除母线3、5、7次谐波的措施，虽然不能从根本上解决高次谐波对设备的影响，但是可以有效的提高牵引变电站功率因数，使变电所综合功率因数可达到0.95以上；

2）其次，该方案中采取的放电线圈二次侧加装高通滤波器的措施可以有效减少牵引变电站注入公用电网的19次以上谐波电压和电流，大大缩小了高次谐波的干范围；

3）再次，该方案中的将A、B相电容器容量各减少一组后投运的措施可以有效的降低由牵引负荷剧烈变化导致母线的电压波动，控制在国标范围内，从而有效缓解了高次谐波对变电设备的不利影响；

4）最后，该方案中安装源滤波装置的措施使设备的运行可以根据谐波变化动态调整，从而扩大了滤除的谐波范围，使设备对运行机车的型号适应性增强。

当然该方案在实施的过程中，也会存在一些不足和缺陷，笔者根据自己的工作经验总结出以下几点：

1）首先，采用该方案虽然有效的减少了19次以上的谐波电压和电流，但是对于低次谐波的有效排除则需要借助其他辅助手段；

2）其次，该方案的操作流程比较复杂，需要对A、B相电容器容量进行减量观察，才能确定其是否能够避免差压误动。

方案二：建议上级部门协调对HXD1C机车进行改造，使用增益更小的ROM（小于0.5），更换机车的牵引变流器ROM，消除谐波源，避免造成对牵引变电所母线电压质量的影响。

该方面的主要的应用优势就是可以从高次谐波产生的根源上对其进行根除处理，即通过对ROM的更换和移除，可以有效的避免机车牵引过程中的谐波问题。但是该方法的使用缺陷也是非常明显的，即方案执行的成本较高，且需要对机车的其他部门进行相关改造，才能达到理想效果。

综上所述，由于HXD1C型交直交机车与HXD3、S7D、S7E、S4型机车的工作原理，导致在二者混合使用的过程中容易产生较强的高次谐波干扰，严重影响了牵引变电系统中的各设备的正常运行，受到高次谐波干扰后的变电设备不仅不能完成正常的牵引任务，还有可能引发严重的安全事故。所以，我们应该认真分析高次谐波的产生原因，并有针对性的制定解决措施和计划，以保证变电设备的正常运行。上文中，笔者结合自己的工作经验，提出了两种减缓高次谐波干扰的方案，仅供参考，诸多不足，还望批评指正。

参考文献：

[1]刘少虹，谈谈变电设备的检修[J].民营科技，2011（06）.

[2]李庆辉、李庆华，关变电设备状态检修技术的探讨[J].广东科技，2007（11）.