京哈线铁路自闭贯通电能质量分析及治理方案

张 诚，张纪元，周惠斌，王 静

0 引言

2013 年暑运以来，京哈线唐山北、富庄子、玉田、螺山、别山、蓟县南等6 个电务信号楼电源屏不同程度地出现了不正常运行状态且发生的频率成增加趋势，特别是由玉田10 kV 铁路配电所供电的唐山北站电务信号楼出现的概率最大，问题也最为严重，直接影响了设备的正常运行，因此必须尽快找出原因，排除故障。

具体故障现象：电源屏时常发出啸叫声，自动调压控制模块对调压器误发调压指令，曾经发生过有载调压器电压调节方向与需要调节的方向相反的情况，致使铁路信号系统失控不能正常运行乃至不能使用。用于保护转辙机的相序继电器，在引入的三相电源基波相序正确且无断相的情况下，吸合、释放无序反复抖动，动作指示灯也随之点亮和熄灭，误发出电源相序异常信号，同时闭锁道岔转辙机电源输出回路，致使道岔转辙机不能操作，给铁路运输生产带来了极大的安全隐患。

针对上述问题，北京铁路局迅速制定了应急方案：改变原有供电运行方式，由原来的玉田10 kV所主供，对侧所备供改为对侧所主供，玉田10 kV所备供方式；保持应急发电机随时待命，有特殊任务时发电机处于启动状态等具体措施。与此同时协同有关部门对供用电设备进行了长时间大量测试,通过对测试数据的分析判断，地方供电局供给玉田铁路10 kV 配电所的电源电能质量问题，引起了技术人员的注意。

1 电能质量测试和故障原因分析

1.1 关键点测试

玉田铁路10 kV 配电所201 电源一自闭侧、202电源二贯通侧进行测试：电压量采集分别从各侧的所用变压器、母线电压互感器、自闭母线电压互感器、贯通母线电压互感器二次端子取电压量；电流量采集分别从所用变压器电流互感器二次、电源柜电流互感器二次、自闭馈出柜电流互感器二次、贯通馈出柜电流互感器二次采集相应的负荷电流量。

唐山北电务信号楼分别从供电分界点处测试：从一路380 V 自闭电源引入和二路380 V 贯通电源引入取电压量；电流量采样从电务电源屏内负荷侧取电流量。

测试时设备带负荷情况：设备不带负荷，空载情况下测试背景电压质量，以尽可能反映电源本身的电能质量；带负荷情况下，测试电压、电流谐波含量，以尽可能反映负荷对电源电能质量的影响。

测试仪器选择：分别选用Fluke345、电能质量在线测量仪、电能质量测试仪（中国铁道科学研究院）等仪器。

1.2 测试结果

测试结果以95%概率大值作为判断合格与否的依据（95%概率大值指将测试值由大到小次序排列，舍去前5%的大值，取剩余实测值中的最大值），测试结果如表1 所示。

表1 总谐波畸变率THD 测试数据表

抽取测试中典型的几组谐波测试数据列举如下（仅以自闭侧测试数据为例加以说明）。

在玉田铁路配电所10 kV 电源引入PPC 处各次谐波参数测试数据显示：各通道中，5 次、7 次谐波含量最大，列为表2（其他各次谐波数据略）。表2 中通道0、1、2 分别对应一路10 kV 201 电源A、B、C 相电压的5 次、7 次谐波含量。表中数据为任取的一组数据并非谐波最严重情况下的数据。

表2 玉田铁路配电所10 kV 电源引入处的谐波测试数据表

测试数据表明地方电力公司（地方供电局）的电源进线，背景谐波远远超出国家标准要求的，5次、7 次谐波含量相对其他次背景谐波含量最大，而且数据显示5 次谐波相序是负序性质的，7 次谐波相序是正序性质的。

电务信号楼使用的相序继电器，主要用于道岔转辙机的相序检测和断相保护中，工作原理是：当相序正确时，继电器动作，获得输出；当相序不正确时或交流回路任一相断线时，继电器闭锁。从相序继电器设计电路的动作原理上分析，5 次和7 次谐波对BXX-2 相序继电器影响最大。5 次谐波是负序性质的谐波，即使供电电源三相基波相序正确，当5 次谐波含量大于一定程度后，相序继电器也会动作，7 次谐波对继电器动作起助推作用。故谐波含量越大，相序继电器误动作的几率也进一步增大。

唐山北电务信号楼380 V 电源一路自闭引入处（即供电分界点处）测量的波形数据：

（1）由空载时电压波形图（图略）及空载时各次谐波电压含量柱形图（图略），可见5 次、7次谐波含量较高。

（2）由正常负载时的各次谐波电压含量柱形图，可见带上电务负载后电源背景谐波中5 次、7次谐波相对空载时有所降低，但3 次谐波却放大很多（图略）。

（3）电务使用自闭一路电源运行时其中某相线相电流各次谐波含量中3 次谐波比例最大（图略）。

另外电务在使用自闭一路运行时中性线电流各次谐波含量可见3 次谐波比例很大（图略）。

1.3 故障原因分析

经对大量测量数据分析得出如下结论：玉田配电所电源侧（地方电源）供电质量不符合国家标准《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549-93）对谐波的标准要求。同时电务设备本身产生的谐波对其自身设备及供电电源造成的影响也不能忽视，电务设备本身产生的谐波也会影响10 kV 电源侧电源谐波总畸变系数。另外电务设备三相负荷电流不平衡，中性线电流过大也应引起足够的重视。

2 谐波治理方案

从目前的测试结果分析，由于玉田铁路10 kV配电所电源进线是从电力公司“T”接而来，该公司电力用户复杂，该地区小钢厂多，谐波污染很严重，根据测试数据分析，铁路10 kV 设备对电力公司电网谐波造成的影响不大，但电力公司（地方供电局）的背景谐波对铁路电网影响相对较大。

按照谐波治理的位置（图1），不同的治理位置会有不同的治理效果。

2.1 高压母线治理方案

在10 kV 高压母线上治理（图1 中位置1 高压母线治理），采用无源滤波器、有源滤波器SVC、SVG 等。由于电力公司背景谐波源容量不确定，会造成治理设备运行不稳定，甚至烧毁，无源滤波器往往会发出额外的容性无功，可能造成某次谐波减少，其他次谐波增大，可靠性极低，不确定因素极大，治理效果存在较大的不确定性，不可行。另外，如果一次性在母线上安装了固定的谐波治理设备，当负载的状态发生变化时，需要重新设计安装谐波治理设备，不经济。

2.2 低压母线治理方案

在供电线路变压器的低压380 V 出线端治理谐波或在电务设备的电源入口处治理谐波（图1 中位置2 低压母线治理），采用无源滤波器、有源滤波器等。能有效治理电务设备本身产生的谐波，但消除背景谐波的影响比较困难，因为同样存在背景谐波容量不确定，位置不确定的问题。但在该低压母线位置治理，比10 kV 高压侧治理的效果要相对好些，只是成本较高，不确定因素较大。

2.3 就地治理方案

对原有电务信号电源系统进行优化，为电务信号系统提供高安全、高可靠的绿色节能电源系统（图1 中位置3 就地治理）。

图1 一路自闭高低压供电系统简图

电源系统优化方案架构图如图2 所示，系统分析如下：

（1）高可靠性智能化电池管理系统。

（2）采用2 台UPS，构成“1+1”冗余并机，输入的2 路自闭电源、贯通电源经ATS 自动切换后给UPS 输入。2 台UPS 并联，每台主机配置一组独立电池组，其中一组独立电池组出现问题，不断电。

（3）UPS 标配双回路输入功能可提高系统可靠性；内置旁路维护开关设计便于系统检修及维护。双回路输入设计可实现主供电回路与旁路隔离，分别采用2 路不同电源，大幅提供系统可靠性。治理效果好，但改造及日后维护检修成本较高。

（4）如果从成本问题上考虑，也可以不使用UPS 系统，不用电池组，只在供电段与电务信号楼的电源引入分界点处自闭一路和贯通二路分别加装“交直交”变频装置，采用高频开关电源技术、逆变技术、SPWM 变换技术、电子锁相技术使电源完成交流-直流-交流的变换过程。由于其有交流-直流的变换过程，采用特殊采样、变换技术，所以其输出电源可针对特定的谐波做到基本不受输入电网的波动、突变、特定谐波等的影响，其输出稳定可靠。可以有效滤除特定的背景谐波，消除电源背景谐波影响，也是比较可行的方法。相对UPS系统成本低，见效快。目前从市场调研情况看，该种装置原理上是可行的，功率应预留一定的裕度，一套电压380 V，容量100 kV·A 的该类设备大约需12 万元。

图2 电务信号电源优化示意图

2.4 加装采样滤波器治理

在受谐波影响最灵敏的设备上隔离谐波，加装采样滤波器或陷波器，在不影响其他固有功能的前提下，排除谐波对其干扰，是处理当前误动作见效最快的方案，但不能从根本上解决背景谐波对电务其他设备造成的潜在影响，只能解决目前受谐波影响，某些设备的误动作问题。而且涉及到电务设备准入批准等一系列问题。

2.5 专盘专线治理

从根本上解决目前供电系统谐波问题的方案是：铁路10 kV 配电所电源引入采用“专盘专线”，采用专盘专线方案后还要同时考虑电务设备本身产生的谐波对铁路10 kV 电网的影响。

从唐山北电务用电设备处测试谐波的结果显示，电务设备本身产生的谐波也不能忽视，实测数据显示，电务设备自身发出的谐波也相对较高，反过来也会干扰并影响自身受谐波影响相对较大的设备。而且电务的负荷三相不平衡也很严重，中线电流可达到相电流的一半以上，也需要引起足够的重视，应力求使三相负荷平均分配。

治理谐波最理想的位置是在谐波源处。也就是将谐波电流封杀在起源处，不允许流入电网。由于一般的谐波治理方法仅能够保证治理点的上游具有良好的电能质量，因此，治理谐波的位置越靠近下游，通过谐波治理获得效益越好。

3 结语

通过反复论证比较，结合北京铁路局的实际情况决定采用专盘专线治理方案，问题会得到很好的解决。

针对电务信号设备实际运行中出现的运行异常问题，特别是京哈线北京铁路局管内技术相对落后的电源屏，需要注意的是：有的故障现象是由于供电电源背景谐波或电务设备本身产生的谐波含量过高引起的，有的故障不是由谐波引起的，而是某些附属设备或老旧设备原设计本身问题造成的异常，要注意区别对待，避免发生误判断，从而影响故障处理时间。