电气化铁路牵引变电所所用电源高次谐波治理

于桂华

（南宁局集团公司供电处 工程师 广西 南宁 530029）

0 引言

现在我国电力机车的种类较多，高次谐波频谱分布较宽。当牵引供电系统的自然频率和电力机车的谐波频谱有相同的部分时，可能引起高次谐波发生谐振情况，以致产生谐振过电压和谐振过电流［1］。由于不同型号电力机车混跑以及高次谐波电流时常被放大，使得牵引网上的谐波次数更加丰富。

牵引网中的各次谐波很容易通过牵引变电所中的两相—三相配电变压器渗透到其低压配电系统中，如果低压配电系统的谐波电压含量过高，会导致低压配电系统的电压严重畸变，甚至引起过电压，使牵引变电所内用电设备损坏或寿命缩短，容易影响系统的安全运行。由于牵引变电所内低压配电系统三相电压中的高次谐波含量太大，目前一些牵引变电所已经出现了多起牵引所内大量交流柜、家用电器等用电设备被烧损的事故，牵引变电所内用电设备的运行受到了很大的影响［2］。因此有必要对牵引变电所内低压配电系统的电能质量问题进行研究，并提出综合治理。

国内外的许多文献对牵引供电系统电能质量的治理大多是对接触网侧的电能质量的治理，研究铁路牵引变电所内低压配电系统电能质量治理这方面的文献还较少，涉及到铁路牵引变电所低压配电系统的文献包括关于其可靠性研究、配电自动化等方面。如文献［3］提出了一种降低电压不平衡和波动的铁路静态功率调节器（RPC），其通过平衡不同相位的有效功率和补偿无功功率与谐波来降低电压不平衡和波动。文献［4］通过研究接触网产生谐振的原理，提出了一种适用于高铁系统的可以对高次谐波进行治理和对谐振进行抑制的阻波高通滤波器。文献［1］通过对几种不同的高通滤波器建模，并对这几种不同的高通滤波器的特性进行对比，提出了阻波高通滤波方案，并且基于现场的实测数据对阻波高通滤波器方案的作用进行了验证。文献［6］为了减小牵引供电系统中的负序、谐波和无功功率，提出了基于模块化多电平换流器的两相三桥臂功率调节装置。国内外许多文献都提出了对牵引供电系统电能质量的治理措施，其中大部分是在牵引网侧治理谐波，但是其成本相对较高。并且谐波对高压三相系统的影响还未显现出来，反而是低压三相系统的影响更为严重［2］，因此可以先考虑对低压配电系统的电能质量进行治理，采用在牵引变电所内低压三相系统的负载侧并联一个Y型高通阻波滤波器来滤除高次谐波。

1 牵引配电两相三相变压器变换分析

Scott 接线牵引变压器是平衡变压器的一种，具有变压和换相的功能，可以在一定程度上削弱牵引负荷中负序不平衡对电力系统的影响。而逆scott接线变压器是铁路牵引变电所配电系统中常用的两相-三相变压器，可以把牵引侧的相和相对称两相电压转换成a、b、c对称三相电压。逆Scott接线变压器的接线方式如图1 所示，可以看成是由两个单相变压器组成，铁芯结构可以是单铁芯或双铁芯。

图1中，M变压器和T变压器高压侧绕组匝数均为n1，T 变压器低压侧ad 绕组匝数为3n2/2，端子o接于ad 绕组的2/3 处，端子d 与M 变压器bc 绕组中点相连，bc绕组匝数为为三相对称电压。

图1 逆Scott变压器结构

牵引变压器两相电压可视为逆Scott 变压器的电源，由逆Scott变压器将牵引变压器两相正交电压转变为三相对称电压，低压三相谐波电压与牵引网两相谐波电压关系为

由式（1）可知，牵引网中的谐波电压可通过逆Scott变压器渗透到低压三相系统中，如果牵引网谐波电压含量较高，则会造成低压三相系统电压谐波含量增加。

2 基于实测数据的牵引配电变压器

2.1 谐波实测 组织有关人员对南昆铁路田林牵引变电所27.5 kV 供电臂进行测试，其波形、畸变率和谐波含量如图2～图4所示。

图2 27.5 kV侧实测波形

图3 27.5 kV侧电压畸变率

图4 27.5 kV侧谐波含有率

同时对田林牵引变电所低压配电系统进行测试，其A、B、C 三相电压畸变率情况如图5～图7 所示。测试结果表明，该低压配电系统主要谐波含量分布在31-41次，谐波畸变率最大值高达28%，95%概率值15%，远超5%的国家标准。

图5 A相电压畸变率

图6 B相电压畸变率

图7 C相电压畸变率

3 牵引配电变压器谐波治理

牵引侧电压产生畸变的主要原因是高次谐波含量过高，对于谐波的治理主要是对高次谐波的治理。在某些高压系统的线路中，高次谐波产生的影响还没有完全暴露出来，但在低压三相系统中已经出现了大量用电设备由于高次谐波过高而引起的烧损线损，所以可以先考虑在牵引所低压侧安装阻波高通滤波器来治理高次谐波带来的危害。

3.1 低压三相系统高次谐波滤波方案 将三个二阶阻波高通滤波器按照星型接法进行连接后，构成了一个三相Y 型阻波高通滤波器，将其并联接入牵引变电所的低压配电三相系统中，接法如图8所示。

图8 牵引变电所低压配电系统系统滤波方案

图8 中三个二阶阻波高通滤波器一头分别接在a、b、c 三相端子，另一头与端子o 相接，并联接入低压配电三相系统，用以滤除掉牵引网通过逆scott变压器渗透到低压配电三相系统的高次谐波。

阻波高通滤波器由电容器C和电抗器L并联后再与电阻器R串联构成，其结构如图9所示。

图9 阻波高通滤波器结构

阻波高通滤波器的阻抗为

在工频电压下，可认为阻波高通滤波器为开路状态，无工频电流流过，对外不交换无功功率，不消耗有功功率，具有阻波特性；随着ω的增大，Z(ω)迅速减小，在高频下呈现低阻抗，为高次谐波提供通路，滤除高次谐波。

3.2 滤波效果分析 对安装在某高铁牵引变电所的谐波滤波装置进行现场测试，对投入滤波器和不投入滤波器时段内的牵引变电所低压配电系统电压电能质量进行了测试。治理前后A、B、C 相电压畸变率对比分别如图10（a）～图10（b）所示。其中11：27～13:35滤波器投入，13:35后切除。从图中可以看出，滤波器投入使用期间，谐波畸变率小于3%。滤波器未投入使用时，A、B、C相中谐波畸变率最大曾达到过5.8%、11.7%、6.05%。综上所述，所内安装的谐波滤波器对变电所内低压配电系统的谐波治理是有效的，有利于保障所内用电设备的安全，下一阶段，计划在新线牵引变电所推广使用，并逐步对管内牵引变电所、AT所、分区所加装该滤波装置。

图10 （a）A相电压畸变率

图10 （b）B相电压畸变率

图10 （c）C相电压畸变率

4 结束语

牵引网中的高次谐波很容易通过牵引所内的两相—三相变压器渗透到低压配电三相系统，对配电系统的电能质量造成影响。本文的主要目的是对铁路配电系统的谐波进行治理，可以得到如下结论:

1）通过分析了逆scot接线方式的两相—三相变压器的电压、电流变换关系，表明谐波可以通过高压侧渗透到配电变压器低压侧。

2）现场实测所得数据表明，高次谐波可以通过两相—三相变压器渗透到低压配电侧，对低压配电侧的电能质量造成了影响，当高次谐波含量过高时会造成电压畸变。

3）在牵引所低压配电负载侧并联一个Y型阻波高通滤波器对谐波进行治理，在负载侧取得了良好的滤波效果。

将上述结论运用于实践，能够有效地滤除高次谐波，达到治理谐波的效果，对于确保设备和行车安全具有积极的促进作用。