铁路牵引供电系统谐波谐振分析及抑制方法研究

单保泉

北京铁路局石家庄供电段

铁路牵引供电系统谐波谐振分析及抑制方法研究

单保泉

北京铁路局石家庄供电段

伴随着我国经济建设的不断发展，社会对高速运输需求越来越大。为提高铁路运输能力，缓解电气化铁路运输压力，近年来高速铁路在我国得到迅猛的发展。研究铁路牵引供电系统的谐波和谐振特性，并针对其原理从根源上提出实用可行的谐波治理方法，对保证铁路供电系统的安全性、稳定性有重大意义，需要引起我们的重视。基于此本文分析了铁路牵引供电系统谐波谐振分析及抑制方法。

铁路牵引供电系统；谐波谐振；抑制方法

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，当牵引供电系统参数满足一定条件时，相应次数的谐波便会在系统的激励下发生谐振，引起的过电压和过电流会对牵引网的稳定性以及牵引网设备产生巨大的危害。根据既有的牵引网传输线模型，利用数学原理对阻抗和导纳矩阵进行降阶处理，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，最后利用模型详细地研究了谐波在牵引网的传输特性，为后续谐波抑制方法提供基础。

1.2 铁路牵引供电的供电方式

电力牵引供电系统分为直流制和交流制，交流制又分工频单相交流制和低频单相交流制。我国铁路牵引供电一般采用单相工频交流制供电。所谓单相工频交流制供电，是指采用单相双绕组主变压器的方式。它有两种接线方式：简单单相接线和V/V 接线。简单单相接线设备简单、经济，主变压器容量利用率高。在我国，电力牵引供电的主要方式分为四种，即 AT(自耦变压器)、BT(吸流变压器)、直接供电、同轴电力电缆。其供电方式原理图如下。

图1 AT自藕变压器供电方式

图2 BT吸流变压器供电方式

图3 直接供电方式

图4 同轴电力电缆供电方式

2 、谐波与谐振危害

2.1 谐波危害

谐波对电力系统的影响非常巨大，主要包括直接影响和间接影响。直接影响主要是对系统元件(旋转电机、变压器、输电线路和补偿装置)、测控装置(继电保护、自动装置和电气计量仪表)及其它电子设备(主要是微电子装置)产生影响；间接影响主要是对附近的通信系统产生干扰。供电系统中的谐波危害主要表现在下几个方面：

(1)谐波电流在变压器中会产生额外的损耗，特别3次及其倍数次谐波会在三角形连接的变压器绕组中形成环流，引起变压器绕组、铁芯发热和降低变压器效率，从而加快变压器绝缘材料的老化，缩短变压器的使用寿命。(2)谐波电压或电流会増加发电机的定子绕组、转子回路以及定子和转子的铁芯的损耗，这些损耗造成整个电机的湿升和局部过热，影响电机的正常工作。(3)谐波电流会使输电线路产生附加输电损耗和发热，线路阻抗的频率特性和集肤效应会加大线路中的交流电阻，増加输电线路的损耗。

2.2 谐振危害

谐波可能会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，当供电系统发生谐振时，谐波电流会成倍増大，在基波电压上叠加了幅值很大的谐波电压，导致过电流和过电压，严重危害设备运行安全性。谐波谐振的危害可总结为下几点：

(1)谐振引起的过电压，会使电气设备的绝缘击穿而导致这些设备损毁。 (2)谐波谐振会产生高于电源数倍的电压，最大可高达相电压的3倍左右。商电压可引起电流互感器、电压互感器、避雷器、绝缘子的瓷裙表面闪络而巧炸，严重时甚至会形成短路。

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

3.1.1 无源电力滤玻器。无源电力滤波器((Passive Power Filter，以下简称为PPF)由于具有结构相对简易、运行稳定、装置造价低等优点，在电力系统中的谐波治理得到广泛使用。PPF是由电感L、电容C和电阻R按照一定的参数配置和一定的拓扑结构连接而成。将无源滤波器与谐波源并联，利用RLC电路串联谐振特性，对特定次谐波电流形成低阻抗支路，从而实现对某些次谐波电流的吸收，减小流向电网的谐波电流，以达到谐波抑制的作用。

3.1.2 有源电力滤波器。有源电力涟波器(Active Power Filter，以下简称为APF)是电力电子装里集成设备，主要用于动态抑制谐波和补偿无功，它能够实时地对大小和频率都变化谐波进行抑制和对变化的无功进行补偿。与传统的滤波器相对比，有源电力滤波器能够实时快速地补偿无功，不易引起系统谐振，并且可以同时滤除多次谐波。

3.2 机车上加装滤波装置

而加装有源滤波器，则需要更多设备，成本也很高，而在机车内的牵引变压器辅助绕组上加装滤波装里，能达到同样的谐波抑制效果且易于实现。对于这种方法，加装有源滤波器实现起来比较困难，而加装无源滤波器相对容易实现。滤波器的电感可用变压器的漏感代替，具有成本低。这种方法从源头上治理谐波电流，当设计方法恰当时，滤波效果将非常明显。

3.3 用于机车上的无源滤渡器

当滤波器基波电压不变时，滤波器消耗的有功功率与通过滤波器的基波电流共轭值实部大小成正比，而滤波器消耗的无功功率则与基波电流共轭值虚部大小成正比，将基波电流共轭值实部定义为有功电流，而将基波电流共轭值虚部定义为无功电流，此来表示滤波器消耗的有功功率和无功功率。

总之，当牵引供电系统参数满足一定条件时，相应次数的谐波便会发生谐振，产生的过电压和过电流危害牵引供电系统运行的安全性和稳定性，因此进一步加强对其的研究非常有必要。

[1]吴波.高铁牵引供电系统电磁谐振抑制技术研究[A].陕西省电网节能与电能质量技术学会.2015年电网节能与电能质量论文集[C].陕西省电网节能与电能质量技术学会：2015：5.

[2]周诗林.电力牵引系统的谐波分析及仿真研究[D].西南交通大学，2015.