电气化铁路车网电气匹配问题

李 强

0 引言

国内电气化铁路多年来一直使用交直传动型电力机车，国产韶山系列电力机车全部采用交直传动系统。随着我国铁路第六次大提速的实施、高速铁路建设步伐的加快和重载运输的迅速发展，这一状况有了极大的改观。通过引进技术消化吸收再创新，在高速客运领域，从2007 年开始，CRH 系列4 型动车组先后投入运用；在重载货运领域，HXD系列3 型大功率电力机车陆续投入运用。CRH 系列动车组和HXD系列大功率电力机车全部采用交直交传动系统。

新型电力机车和动车组的运用，也带来了一些新问题。由于交直交传动系统目前普遍采用脉宽调制（PWM）技术，控制系统要比传统交直传动系统复杂，相对而言，控制策略和控制参数对外部电源条件更为敏感。由于牵引供电系统与电力机车或动车组电气上紧密耦合，在电路上是一个整体，电能传递过程是连续的、密不可分的。一旦机车车辆与外部供电网的参数匹配不合适，容易引发车网匹配问题。最近几年国内的电气化铁道出现的高次谐波谐振、网压振荡牵引封锁等问题，在CRH 系列动车组和HXD系列大功率电力机车上均有发生。本文对这2 类车网电气匹配问题，结合实际案例，进行分析，探讨其发生机理，并给出治理对策。

1 交直交传动系统

交直交电力机车及动车组主电路原理如图1所示。25 kV 接触网电压经车载牵引变压器降压后，由二次侧牵引绕组给四象限PWM 脉冲整流器供电，脉冲整流器把交流变换成直流，然后经输出电压和频率均可控的逆变器变换成三相交流，供给牵引电机—三相异步电机，驱动车辆行驶。再生制动时则能量流动方向相反，牵引电机作为发电机运行，发出的三相交流电被逆变器整流成直流，再被脉冲整流器逆变成单相交流，反馈给接触网。整流器、中间直流环节和逆变器构成了牵引变流器，牵引变流器、牵引电机和控制系统构成了整个交直交传动系统。

交直交传动电力机车及动车组在运行中，靠逆变器输出电压幅值和频率均可变的三相电压，对牵引电机进行速度和转矩调整，同时要尽量保持中间直流环节电压的稳定，通过控制四象限PWM 脉冲整流器，根据能量流动方向，通过脉宽调制技术和多重化技术，使电力机车或动车组从接触网吸取的电流与网压同相或反相，并尽量削减网侧电流谐波含量。理想的交直交传动电力机车或动车组牵引时功率因数为1，再生制动时为-1，并且电流不含谐波成分。实际的机车车辆，功率因数一般能达到0.97 以上，电流综合畸变率在5%以下，通常仅在整流管开关频率附近存在一些可测谐波。

图1 交直交传动机车（动车组）主电路示意图

2 高次谐波谐振

2.1 高次谐波谐振案例

自交直交电力机车和动车组在国内投入运用以来，引发的牵引供电系统高次谐波谐振案例已有数起，如，2007 年7—8 月间京哈线蓟县南变电所供电区段，2008 年8 月京津城际铁路武清变电所至永乐分区所（ATS3）区间，2009 年4 月合武客专长安集变电所至合肥西区间，2010 年3—5 月间合武客专麻武联络线彭岗变电所供电区段等。现对京哈线谐振案例进行分析。

2007 年4 月国内铁路实施第六次大提速后，京哈线开始开行动车组，7—8 月间京哈线北京——秦皇岛间增开CRH2重联动车组，以满足暑期旅游需要，蓟县南变电所供电区段开始频繁出现CRH2动车组引发的牵引网高次谐波谐振。这是国内首例交直交动车组引发的牵引供电系统高次谐波谐振案例。

具体案情：7 月13 日燕郊至大厂间上行线路接触网避雷器爆炸1 台，造成D502 动车组停车；7 月15 日D502 动车组燕郊至大厂间上行线路接触网相邻位置避雷器又爆炸1 台；7 月29 日燕郊分区所下行F 线供电线所外上网点管型避雷器动作，火花间隙击穿，断路器跳闸并重合失败；8 月10日燕郊分区所所内上行T 线进线杆上避雷器爆炸。

现场值班员发现这些事故伴随有母线电压异常波动，电压表指针与正常值偏离较大，同时主变压器、自耦变压器、自用电变压器的噪音显著增强，甚至发出刺耳啸叫声。进一步调查发现，在电压异常时，变电所供电区段范围内均有CRH2动车组运行，通常无其他类型电力机车，且电压异常时馈线电流一般不大。

2.2 高次谐波谐振测试波形

图2 显示了2007 年8 月在蓟县南变电所实测到的某次动车组通过时，引起牵引供电系统高次谐波谐振，从而导致55 kV 母线电压从正常的50 kV升高到60 kV 的情况。图3 为谐振时实测电压波形，图4 为其频谱图。

2007 年8 月测试结果表明，蓟县南变电所2个供电臂均可能由CRH2动车组引发谐振，谐振频率一般在17～23 次间，并不固定。

图2 京哈线蓟县南变电所谐振母线电压有效值升高图

图3 实测谐振母线电压波形图

图4 谐振母线电压频谱图

2.3 高次谐波谐振原因分析

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，而接触网则具有分布电容，因此牵引网存在由电感和电容决定的一个固有谐振频率，由于电力系统运行方式可能会调整，该谐振频率很难预测，并且不是一个固定值。交直交动车组和电力机车，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，牵引供电系统与动车组容易发生800～2 000 Hz 的高次谐波谐振。国内大量使用的韶山（SS）系列电力机车，采用二极管或晶闸管单相整流，尽管网侧电流畸变严重，谐波含量大，但主要集中在3 次、5次、7 次、9 次等低次谐波，15 次以上谐波含量很小，反而不易引起谐振，国内电气化铁道近50 年的运行实际证明了这一点。

牵引网的高次谐波谐振会引起谐波电流放大和谐振过电压，实际发生的案例表明，牵引网谐振过电压峰值甚至可达60～70 kV，严重影响动车组和牵引供电设备的安全运行。

3 网压振荡牵引封锁

3.1 网压振荡牵引封锁案例

2007 年12 月26 日，太原铁路局湖东机务段和湖东一场、二场出现接触网网压振荡，HXD1 型机车牵引封锁无法运行情况，特别是2008 年1 月2 日全天发生牵引封锁13 次，机车无法正常出入库，严重干扰了运输秩序。

2010 年5—6 月间在北京西站区段，2010 年9月在青岛动车所，出现CRH5动车组引起接触网网压振荡牵引封锁现象，多次导致线路上运行的动车组停车或车站停靠的动车组无法按时发车。

3.2 网压振荡牵引封锁测试波形

图5 和图6 为2008 年1 月在湖东变电所测到的网压振荡时，所内T 座母线电压和265 馈线T线电流波形及有效值。母线电压波动范围52.2～57.4 kV，馈线T 线电流波动范围135～873 A。

图5 网压振荡时湖东变电所T 座母线电压波形及有效值图

图6 网压振荡时湖东变电所相关馈线电流波形及有效值图

图7 为2010 年9 月在青岛动车所测到的7 组CRH5动车组升弓上电司机推牵引时发生牵引封锁的动车组上测到的网压、网流和中间直流环节电压波形。图8 为该时对应变电所测得的母线电压和馈线电流波形图。

图7 7组动车组上电网压振荡牵引封锁时车上测试波形图

图8 沧口变电所相关母线电压馈线电流波形图

3.3 网压振荡牵引封锁原因分析

分析网压振荡时车上和车下（变电所）测试结果，从电压电流波形可以看出，网压升高发生在电流相位超前电压的周波，网压降低发生在电流相位滞后电压的周波。由于从电源到机车负荷，存在电力系统、变压器和牵引网的阻抗，电流的波动必然引起网压的波动。详细计算表明，网压振荡实际上是由电流波动及电流相位变化造成的，而电流的波动及相位变化，则是由动车组自身牵引传动系统及其控制策略决定的。当电源阻抗相对较大时，不恰当的控制策略就会引起控制回路的失稳。同时升弓上电的电力机车或动车组达到一定数目时，就会导致网压振荡。振荡幅度过大时，电力机车或动车组就发生牵引封锁现象。

湖东机务段和青岛动车所2 个案例的实测表明，同时升弓上电的HXD1 电力机车或CRH5动车组数达到7 台或7 组时，就会引发网压振荡，进而牵引封锁。这一临界条件实际上与供电系统容量、等值电源阻抗大小和交直交传动系统总功率有关。

4 车网电气匹配技术对策

由于车网电气匹配问题涉及车和网2 个方面，其治理技术对策一般也可从车、网两方面着手。

4.1 高次谐波谐振

谐波的源是车，如果能改善或调整动车组或电力机车的电流频谱特性，使其高次谐波含量减少，或使其谐波频谱避开所运行线路牵引网的谐振频率，则可从根源上消除谐振现象。

在牵引供电系统治理谐振，就要设法改变牵引网谐振频率，通常可在供电臂末端分区所安装二阶阻尼滤波装置。京哈线蓟县南供电区段谐振治理时，在两供电臂末端（燕郊分区所和韩家林分区所）分别安装了阻尼滤波装置，2008 年7 月投运后，该区段没有发生过谐振事故。

4.2 网压振荡

根据外部电源条件，通过调整交直交传动系统的控制策略，避免中间直流环节电压的波动，改善其空载下的取流特性，从而可从根源上避免网压振荡牵引封锁事故的发生。2008 年1 月在湖东机务段所进行的HXD1 电力机车控制调整，证明该解决思路十分有效，不需增加硬件投资。

理论上讲，增大牵引供电容量，减小等值电源阻抗，可以缓解网压振荡现象。如果在变电所增设稳压装置，提供一个电流波动的能量缓冲环节，使波动的网流不至引起网压波动，也可以有效抑制这一现象。但这种地面解决方案，或者投资太大，或者技术难度高，并不适宜在实际线路中采用。

5 结论

交直交电力机车及动车组投运以来出现的牵引供电系统高次谐波谐振以及网压振荡牵引封锁现象，都属车网电气匹配问题。高次谐波谐振是由于电力机车或动车组的网流谐波频谱与牵引网固有谐振频率重叠造成的。网压振荡牵引封锁是因为电力机车或动车组牵引传动控制策略与外部供电系统电源条件不匹配引起的。解决这类车网电气匹配问题，理论上可从车、网两方面着手，调整某一方的电气特性，破坏引发匹配问题的触发条件即可。选择最佳解决方案，以整体最小的投入，确保电气化铁路牵引供电系统和电力机车、动车组的运行安全。

[1] 连级三.电力牵引控制系统[M].北京：中国铁道出版社，1994.

[2] 北京铁路局，北京交通大学，中铁电气化勘测设计研究院，中国铁道科学研究院.京哈线蓟县南牵引变电所供电区段电压异常测试分析与治理方案研究（研究报告），2007.

[3] 北京交通大学.彭岗变电所主变牵引侧过电压跳闸测试分析（研究报告），2010.

[4] 中国铁道科学研究院，太原铁路局，北京交通大学，株洲电力机车研究所.大秦线HXD1 型机车车网匹配关系测试报告（研究报告），2008.

[5] 北京交通大学.CRH5 动车组网压振荡牵引丢失测试分析报告（研究报告），2010.