铁路牵引供电系统谐波谐振和抑制对策分析

晏健欣

(河北省肃宁县朔黄铁路发展有限责任公司,河北 肃宁 062350)

铁路牵引供电系统谐波谐振和抑制对策分析

晏健欣

(河北省肃宁县朔黄铁路发展有限责任公司,河北 肃宁 062350)

经济的发展使高速运输的需求也随之增大.为了缓解电气化铁路运输压力以及提高铁路的运输能力,我国近年来加大了对高速铁路的建设,从而使其得到了快速的发展.但是如果铁路供电系统不能正常安全稳定的运行,其势必会影响到铁路运输的质量和效率,所以要重视起铁路上供电系统运行问题.本文介绍铁路牵引供电系统的特性以及供电方式,分析了铁路牵引供电系统谐波与谐振所对铁路运输带来的危害,探讨了铁路牵引供电系统谐波谐振的抑制对策.

铁路牵引供电系统;谐波谐振;抑制对策

目前,交直电力传动机车和交直交电力传动机车是在我国电气铁路上应用最为广泛的两种机车.因为这两种机车在工作原理和方式上的不同,所以在机车的牵引供电系统中注入了大量的谐波,并且分布很是广泛,这在一定程度上影响着牵引供电系统运行的安全和稳定性.因此对铁路牵引供电系统谐波谐振的相关问题进行分析和研究,对铁路运输的安全有着重要的作用和意义.

1 铁路牵引供电系统

1.1 铁路牵引供电系统特性

铁路牵引供电系统是谐波危害的对象,牵引网是谐波传输的路径.牵引供电系统的高含量的谐波,将会降低电能质量,损伤牵引网系统内的原件和设备,给空间通信造成了一定的干扰.当在牵引供电系统中分布广泛的谐波参数达到一定的条件时,就会使得相应的次数谐波产生谐波谐振,成倍地增大了谐波的电流,从而会出现像跳闸、避雷器爆炸以及变压器被过电流和电压给击穿等严重影响和危害供电系统安全稳定运行的一些故障.在已有的牵引网传输线模型上,再结合数学知识来间接得到牵引网单位长度等效阻抗和导纳,并将牵引供电系统简化为等值电路模型,最后再利用模型详细地研究谐波在倩影网的传输特性,为后续谐波抑制方法提供理论基础.

1.2 牵引供电系统主要结构

一次供电系统与牵引供电系统是铁路供电的两大系统,必须使两者共同配合才能实现电气化铁道供电.一次供电系统和牵引供电系统分别是指向电气化铁道供电和电力机车供电,其中牵引供电系统是由铁路部门进行管辖.一次供电系统主要包括两方面:一是地方变电站或发电厂,二是交流高压输电线.在一般情况下,电压使用的是110kV或220kV两个等级.牵引供电体系则主要由交流电力机车、牵引变电所以及牵引网等部分组成.其中牵引变电所是由AT所、分区所以及开闭所等构成;牵引网主要包括地理线、馈电线、钢铁、接触线以及保护线等.

1.3 铁路牵引供电方式

电力牵引供电系统主要有两种:一是直流制;二是交流制,有工频和低频两种单相交流制.单相工频交流制,一般被我国铁路牵引供电采用.它主要是一种采用单相双绕组主变压器的方式,其主要有简单单相和v/v两种接线方式.其中简单单相接线的设备简单经济,并且主变压器容量利用率高.目前我国电力牵引供电主要分为同轴电力电缆、自耦变压器(AT)、直接供电以及吸流变压器(BT)这四种.其中自耦变压器(AT)供电方式又包括了单线自耦变压器(AT)牵引网、复线自耦变压器(AT)牵引网和全网联自耦变压器(AT)牵引网这种三种模式.

2 铁路牵引供电系统谐波与谐振危害

2.1 谐波危害

谐波对电力系统的危害主要分为直接和间接两种影响,其中直接影响则主要是对系统元件、测控装置以及其他电子设备造成损伤.系统元件则主要包括补偿装置、旋转电机、输电线路以及变压器四种;测控装置则主要包括电气计量仪表、继电保护以及自动装置三种,而电子设备则主要指的是微电子装置.如果谐波干扰了附近的通信系统传播的信号,属于间接影响.其危害表现在以下几点.(1)损耗变压器中谐波电流,甚至会造成变压器绕组以及铁芯发热等现象,从而使得变压器的绝缘保护材料加速老化,降低变压器的工作效率.(2)谐波电压或电流会加大发电机定子以及转子的铁芯损害程度,使发电机整体或局部的温度偏高,从而影响电机的稳定运行.(3)在输电线路上,谐波电流会增加热度以及交流电阻,加快其损耗的速度,如果采用的是电缆输电,那么谐波电压将会使周围介质的电场强度变大,从而缩短了电缆的使用生命周期,增加安全事故发生的次数、维修费用.(4)当谐波的频率到达谐振的频率时,就会突然增大谐波的电流造成电容器以及串联电抗损坏,甚至是击穿电缆.(5)在继电保护和自动装置的整定值小、灵敏度高,因此其很容易受到谐波的影响,从而发出错误的保护模式,影响电力系统的运行.(6)谐波产生的电流会干扰周围附近的通讯系统,从而阻断信号的传送.

2.2 谐振危害

谐振是由于谐波在电力系统中的蹿动而引起的,通常分为并联和串联两种谐振.谐波电流会在发生谐振时成倍的增大,从而增大了谐波的电压,并使其叠加在基波电压上,对设备的安全性造成了影响.谐波谐振所带来的危害表现在以下几点上.(1)电气的绝缘保护装置会因为谐振引起的过电压而被击穿,从而致使设备发生损毁.(2)谐波谐振产生的电压将是电源电压的三倍左右,这些过高的电压会使得绝缘子、电流互感器、避雷器以及电压互感器的瓷裙表面出现闪光而发生爆炸,甚至是造成短路.(3)谐振会使变压器、电压互感器以及电流互感器等这样带有铁芯的电气设备中的铁芯发生改变,从而影响使用;(4)当产生谐波谐振时,会使值班人员对电网中存在的不正常情况无法做出正确的判断,从而致使安全事故的发生.(5)谐振会使谐波的范围扩大,已有的谐波和附加的谐波将会加大公用电网中的元件损害程度,降低了电力系统的运行效率.(6)被放大的谐波电流会使电机、电容器以及电缆等电气设备的局部或整体过热,老化了绝缘保护材料、减少了其使用的生命周期,从而使其无法正常工作.

3 铁路牵引供电系统谐波谐振抑制方法

3.1 地面处加装滤波装置

在地面上加装滤波装置一般有两种:无源电力滤波器和有源滤波器.前者是由电容、电阻以及电感所组成的,后者则是由大功率电力电子器件而构成的.

3.1.1 无源电力过滤器

这种滤波器又被称为LC滤波器,其英文学名是:Passive Power Filter.它具有装置结构比较简单、运行速度和方式也比较稳定以及装置设备造价也较低等优点,所以其被广泛地使用在电力系统中谐波的处理上.LC滤波器是由电阻(R)、电感(L)以及电容(C)按照相应的参数配置和一定的拓扑结构连接而成.LC滤波器的工作原理是:先将其与谐波进行并联,然后再利用电阻、电感和电阻在电路中串联而产生出的谐振特性形成带有低电阻的性质的支路,阻断特定次谐波电流的串流并完成吸收的功能,从而起到抑制谐波造成电网损毁的作用.

3.1.2 有源电力滤波器

这种滤波器的英文学名是:Active Power Filter,其英文简称是APF.APF是一种电力电子装置,主要是由于动态抑制谐波和补偿无功.它不仅能对大小和频率都发生变化的谐波进行抑制,而且还能对变化的无功进行补偿.它的优点就是能够多次且快速的滤除谐波,同时不引起系统发生谐振现象.

3.2 机车上加装滤波装置

在机车内加装滤波装置,也能起到得对谐波起到抑制的作用,而且与需要花费更高成本的有源滤波器所产生的效果是一样的,并且这种滤波的装置还更容易实现.在机车上加装滤波装置,对于有源滤波器来说,困难较大不容易实现,但是如果加装无源滤波装置的话,其相对于有源滤波器来说,滤波器的电感,则可以使用变压器的漏感,从而使得装置所花费的成本较低,也更容易实现.

4 结语

由以上所述可知,目前交直电力传动机车和交直交电力传动机车在我国电气化铁路运输上已被广泛的使用起来,谐波的危害率也从以前的低频率而转变为现在的高频率,从而危害到电气化铁路运输中电力系统的安全稳定运行,同时也危害到铁路行业的发展,因此,对铁路牵引供电系统谐波谐振进行详细的研究是一项重要的工作,只有在此基础上才能提出相应的抑制措施,才能保证电气化铁路的实现.

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1671-0711(2017)11(上)-0073-02