高次谐波放大及其抑制措施

陈忠革，周福林，李 鑫，赵元哲

0 概述

牵引网是由若干导线组成的多导体传输线，具有分布电容，在一定频率下牵引网分布电容和串联分布阻抗、变压器阻抗以及电源阻抗发生某种形式上的共振是一种必然现象。当电力机车的电流频谱与牵引网谐振频率发生重叠并电流达到一定幅值时，则会激发牵引网高次谐波共振。

一般情况下，牵引网的谐波共振频率在19次以上，对于一般普速铁路而言，其电力机车主要采用相控技术，其电流频谱主要分布在13次以下，与牵引网发生共振的可能性很小。而基于交-直-交技术的电力机车的谐波分布更加广泛，主要集中在19次以上，这与牵引网的共振频率基本一致。因此，高次谐波共振将成为未来电气化铁路面临的重要问题的结论，已被高速铁路系统中发生的多起谐波共振现象所证实。

1 事故分析

从2009年到2011年10月，沈阳铁路局累计投入HXD3交-直-交型电力机车322台。2011年5—9月，沈阳铁路局管内沈山线大虎山、双羊店等牵引变电所多次发生电容器熔丝熔断、沈大线鞍山至小乐屯间接触网上玻璃钢绝缘子发生大批炸裂损坏等现象。2011年10月17日沈阳铁路局管内立山牵引变电所电容器爆浆；2011年10月20日沈阳铁路局管内大石桥牵引变电所及四平牵引变电所再次发生电容器爆浆事故。这几起事故严重威胁沈阳铁路局所属电气化线路的安全运行并造成巨大经济损失。

图 1为双羊牵引变电所变压器二次侧谐波电流的监控数据，从图1可以看到27次谐波的幅值比达到 7.2%，远大于高次谐波的正常范围，存在着谐波放大的现象。结合测试结果进行理论分析，它主要是由于交-直-交型电力机车自身产生的高次谐波与经过牵引供电系统线路引起的谐波放大。当发生系统谐振时，谐波电流将被进一步放大，并激发较高的谐波电压，补偿电容器组在谐波电压和流经的谐波电流作用下，可引起电容器熔丝熔断以及爆浆。谐波过电压还会影响整个牵引供电系统的绝缘，成为系统安全运行的重大隐患。

2 谐波谐振原理及影响

（1）谐波谐振的基本原理。由接触网、系统电源、牵引变压器、电容补偿器组成的牵引供电网络如图2所示，该供电系统具有一定的谐振频率。当外部电流频率与谐振频率一致时，则可能引发谐波共振。

图1 双羊店牵引变电所变压器二次侧谐波电流图

图2 牵引供电系统简图

交-直型机车及交-直-交型机车的谐波电流频谱如图3、图4所示。从图3可以看到交-直型机车的谐波主要集中于3次、5次、7次、9次等低次谐波，随着谐波次数的升高谐波含量快速下降。而交-直-交型机车的谐波频谱分布广泛，虽然低次谐波含量较交-直型机车大幅度降低，但高次谐波（20次～50次）含量较高。所以交-直-交型机车运行时就更容易激发谐振，造成谐波电流放大或电压畸变、电压升高。

图3 交-直型机车谐波频谱分布图

图4 交-直-交型机车谐波频谱分布图

（2）谐波谐振的影响。谐振产生的过电压、过电流会对牵引供电系统产生较严重的影响，其中主要包括以下3个方面：

a.谐波谐振引起谐波电流放大，流经电容器组，可引起电容器组熔丝熔断或电容器过流损坏。

b.谐波谐振会产生过电压，施加在回路中的电容器、互感器以及断路器等设备上，引起高压电气设备绝缘损坏。在熔断器未及时熔断的情况下会引起电压互感器喷油、绕组烧毁甚至爆炸。

c.谐振引起的过电压还可能导致氧化锌避雷器的损坏。在过电压的作用下连续动作，可能最终会发生热崩溃而损坏。

3 治理方案

目前国内外对于谐振治理的研究主要集中于以下2个方面，一是改变供电系统电气参数，改变系统自然频率；二是采用高通滤波器滤除高次谐波。下面分别进行分析。

（1）改变系统电气参数结构，从而改变系统的谐振频率。该方法的主要原理就是改变线路的电容分布情况，从而改变系统自身的谐振频率。可以采取将原先未并联的牵引网并联、将已并联的牵引网解列等手段。该方法的优点是投资相对较低，但是并不能完全消除发生谐振的可能，只是移动了系统的谐振频率。

（2）采用高通滤波器滤除高次谐波，该方法是在牵引变电所或分区所装设高通滤波器，将交-直-交型电力机车产生的高次谐波滤除，消除谐振的激励源，从而达到消除谐振的作用。该方案的优点可以彻底的消除系统发生谐振的可能、不影响既有系统的功率因数、系统损耗小、适用于各种类型的线路以及机车类型，缺点是要进行设备投入，需要改造成本。

西南交通大学相关研究人员提出了将一种二阶阻波高通滤波器放置在牵引变电所末端或首段，以实现滤除高次谐波，抑制谐波共振的目标。采用Matlab/simulink对阻波高通滤波器滤除谐波的效果进行仿真验证，仿真结果如图5所示。从图5中可以看到，在未采用阻波高通滤波器的情况下，馈线上的高次谐波含量较高，呈现锯齿状波形，产生了严重的谐振过电压，并使馈线电压严重畸变，采用阻波高通滤波器后，线路上的高次谐波基本上消除，谐振得到抑制，仿真结果证明了阻波高通滤波器可以起到滤除线路高次谐波达到消除谐波共振的效果。

图5 采用阻波高通滤波器的效果对比图

沈阳铁路局哈大线、沈山线主要采用的是牵引网末端并联的直供方式、供电臂负荷相对较重且交-直型机车与交-直-交型机车混跑，若将牵引网末端并联解除有可能引起牵引供电臂末端的网压不足，切除并联补偿装置则又可能影响系统的功率因数。鉴于目前沈阳铁路局的现状，本文推荐采用阻波高通滤波器的方式来滤除交-直-交型机车产生的高次谐波，消除谐波源从而彻底消除系统谐振的可能。

4 结论

本文基于沈阳铁路局双羊店牵引变电所和立山牵引变电所的实测数据，从理论上分析了沈阳铁路局多次发生的电容器熔丝熔断和爆浆现象的原因，并提出了相关的解决方案。随着国内电气化铁路事业的大力发展，传统的基于相控技术的交-直型电力机车被基于交-直-交传动技术的电力机车所代替是必然趋势。交-直-交型机车产生的高次谐波一旦与牵引供电系统谐振频率匹配，就可能引起系统谐振，直接威胁牵引供电系统的安全运行，应该引起相关单位重视，建议尽早采取相关措施，保证铁路安全运行。