牵引变压器空载谐波电流特性分析

李健华 郭立飞 赵丽平

（1.西南交通大学电气工程学院，成都 610031；2.昆明铁路局昆明供电段，昆明 650100）

在牵引变压器的实际运行中，空载电流中有着较大的谐波含量，然而由于空载电流相比于额定电流要小的多[1]，注入牵引供电电网中的谐波电流很小，对电网谐波影响也很小，所以绝大部分情况下空载谐波问题都被忽略。但是在某些特别情况下（如偏远地区的轻负荷时段），此时谐波电流所占比重急剧增加会对整个供电系统产生较大的谐波影响，此时的空载谐波影响是不能忽略的。

我国电气化铁路地域分布广阔，不同地区的电网状况不尽相同，各地谐波问题差异极大。为了更好地研究牵引供电系统的空载谐波影响，有必要对牵引变压器空载谐波电流特性进行深入的分析，这不仅关系到牵引供电系统的电能质量问题，也关系到电网与电气化铁路的谐波问题之争。同时，通过空载谐波电流的测量和分析，能够验证牵引变压器铁心的设计计算、工艺制造是否符合技术条件要求、铁心是否存在缺陷等问题

就目前国内的研究成果来看，研究内容主要集中在电气化铁路牵引负荷的谐波分析[2-5]、牵引网谐波模型分析计算[6-9]以及电气化铁路电能质量[10-11]等领域，对牵引变压器的空载谐波问题的关注很少。

本文根据京沪线东光变电所牵引变压器的监测数据，测量了牵引变压器的空载谐波电流，对牵引变压器空载谐波电流的特点及分布特性进行了探讨，并对东光所所用的牵引变压器质量进行了评估。

1 牵引变压器空载谐波电流测量

根据数据实测测量结果。A 相空载谐波电流部分测量结果如图1所示。

图1 A 相空载谐波电流部分测量结果

当电网公共连接点短路容量不足用户容量的30～50 倍时，即可认为是小电网，小电网供电能力较弱，承受谐波电流也比较弱。在深夜到清晨的轻负荷时段，牵引供电系统中此时的谐波源主要就是牵引变压器。

牵引变压器铁心的饱和程度愈高，励磁电流畸变得愈厉害，谐波影响愈严重。牵引变压器工作时的铁心跑和程度会受到运行电压的直接影响，当运行电压升高时，会使得牵引器铁心的饱和程度变深。通过研究发现，当牵引变压器工作在空载工况下，牵引供电电网末端电压会有一个较大幅度的抬升，使得电网运行电压偏高[12]。

所以当牵引变压器处于某些特别情况下（如偏远地区的轻负荷时段）时，牵引供电电网末端电压抬升，运行电压偏高，铁心饱和程度加深，谐波电流谐波电流急剧增大，由于小电网谐波阻抗比较大，较小的谐波电流都会引起较大的谐波电压，对整个供电系统产生较大的谐波影响,所以此时的空载谐波影响是不能忽略的。

2 牵引变压器空载谐波电流分布特性

本文以京沪线东光变电所为例，采用的数据为1 天24h 连续实测的数据，采样时间间隔为3s，一共28800 个点。各次空载谐波电流均以A 相基波电压为基准向量，牵引变压器A 相空载谐波电流散点图如图2所示。

从谐波电流散点图中可以看到：①3 次空载谐波电流主要分布在第三象限；②5 次空载谐波电流主要分布在第二象限；③7 次空载谐波电流主要分布在第一象限；④9 次空载谐波电流主要分布在第一、四象限；⑤11 次空载谐波电流主要分布在第四象限；⑥13 次及以上各次空载谐波电流则在均匀地分布在四个象限内。

从中可以得到牵引变压器空载谐波电流的分布特性：牵引变压器奇次空载谐波电流在在四个象限内广泛分布，并且随谐波次数的增加，谐波向量在四个象限内的分布越来越均匀。由于低次空载谐波电流的分布特性与高次空载谐波电流的分布特性明显不同，所以在分析与治理谐波问题的时候，应该分开单独考虑。

3 东光所牵引变压器质量评估

图2 牵引变压器A 相空载谐波电流散点图

牵引变压器的空载谐波电流除了与运行电压有关外，还与牵引变压器在额定电压下选取的磁密有关，牵引变压器额定电压下选取的磁密直接影响着 牵引变压器工作时铁心的饱和程度。膝点电压越小说明牵引变压器选取的额定磁密越大，牵引变压器铁心越容易饱和，在相同的运行电压下，膝点电压越小，谐波影响越严重，变压器质量越差。

同时当变压器设计的膝点电压选择比较小时，随着运行电压的上升，牵引变压器铁心磁通密度快速饱和，谐波电流呈非线性地急剧上升。为了更好地评估变压器的质量，看牵引变压器的膝点电压是否选择合理，本文测量了A 相各次空载谐波电流与基波电压（以A相电压为基准电压）的关系散点图，结果如图3所示。

图3 空载谐波电流与基波电压关系散点图

从图中可以看到，东光所牵引变压器的基波电压与空载谐波电流是成线性变化关系的，这说明东光所所用的牵引变压器膝点选择合理，随着运行电压的上升，谐波电流呈线性地增加，变压器的质量是合格的。

4 结论

发现在某些特殊情况下（特别是在小电网中），空载谐波问题不能再简单的忽略，此时的谐波问题不仅是用户有关，而且与电网强弱、牵引变压器的质量是否合格等密切相关，所以这时候如何划分谐波超标的责任，已经不能再参照大电网中的责任划分来实行，需要对各种电网状况下的空载谐波问题进行客观、全面地分析。同时在我国的工程实际中，由于条件的限制或各种实际原因，在谐波问题的评价中空载谐波问题基本都是被忽略的，谐波问题的评价并不能完整的体现其真实性，这都需要我们对空载谐波问题有一个更客观、更全面的认识。

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