再生制动工况中的机车牵引供电系统状态分析

摘要：机车牵引供电系统是机车电力系统当中重要谐波来源，会严重影响机车的性能。在经过不断改进下，虽然在控制低次谐波上有所成效，但是在高次谐波的控制上收效甚微。本文就以电力机车为例，对再生制动工况中的机车牵引供电系统状态进行分析。

关键词：再生制动； 电力机车； 牵引供电系统

再生制动从本质上说，就是一种将能量进行转化使用，以达到节约能源目的的技术。现在很多专家和学者致力于再生制动系统的再升级，尽可能降低列车对电力系统的能量索取，从而降低牵引变压器容量，减少接触网运行负荷，最终大大降低对机车运行过程中牵引供电系统的资金和能源投入。电气化铁道在从电网中寻求工频能量时，会同时向电网中注入大量的高次谐波电流。这些电流在不仅对牵引供电系统造成直接的威胁，还会大大降低供电的质量，影响其他工作的精准度。要想从根本上减弱谐波对机车牵引供电系统的损害，首先就要认真分析牵引供电系统中电流谐波产生的原因以及分布状况。

一、牵引负荷的谐波问题

谐波的產生是一些非线性设备在运行的产物，在电力机车设备当中，整流器是其中十分重要的非线性装置，是机车当中最突出的谐波电流源。谐波电压是谐波电流在通过馈线一变电所系统产生的。牵引供电子系统当中的基波电流和谐波电流与其余电力系统当中的不同，它們有明确的流动方向。电力机车从馈线中取得大量的基波能量，对其中的能量进行处理，大部分被转化为机械能，小部分被转化为谐波能量。

牵引供电系统中的谐波对机车影响较大，主要体现在对系统元件的影响上，以及测控装置或其他用户。除此之外，它还对一些通信设备也造成一定程度的影响。主要可以几个方面谈谈谐波的影响：首先，谐波会导致变压器等设备附加发热。变压器等设备出现附加发热，就会加重设备的能量损耗。而且，谐波会产生高频电场。继而使得强电设备绝缘出现失效情况，这将大大缩短机车设备的使用寿命。交—直—交型电力机车在运行过程中的谐波频率的分布情况十分复杂，而且，在频率无规则增加的情况下，往往会使得牵引供电系统出现谐振，从而造成机车设备承担过重的电流和电压，这将大大威胁牵引供电的运行安全。其次，在牵引供电系统当中，有很大数目的继电器和仪表，这些设备与感应电机的工作原理十分类似。在基波和谐波的共同作用下。如果没有采取合理有效的拯救措施，会直接导致测控设备的失控，此时如果正处于高频谐振的状况，后果更是不敢设想。最后，交—直—交型电力机车在运行的过程中，馈线电流高频谐波含量较大，对通信线路产生的干扰也会更加明显。

二、交—直—交型电力机车牵引供电系统状态分析

交—直—交型电力机车在进行牵引运作时，从馈线取流近似正弦波。低次谐波电流不受馈线电流的影响。低次谐波电流含量的总体水平大致相当于交—直型机车的20%～30%左右。交—直—交型机车在再生制动时，由于馈线电流较小，从而导致低次谐波电流含有率占用较高，而且次谐波以及高次谐波大量涌现。通过对实际运行的数据进行调查发现，再生制动工况下，馈线电流的总畸变数量较大，连带着功率也比较低。交—直—交型电力机车在初期的起动中，逆变器输出的交流频率一直处于较低状态。而且在起动中，机车整流器从电网中的取流较小，馈线电流总谐波的畸变现象明显，功率相比较正常运行时较低。反之，当馈线电流较大速度时，谐波畸变就会较弱，功率因数也较低。这也就说明了在负荷功率较大下的情况，负荷功率大导致馈线电流正弦性较好，产生的谐波较少，电流的THD值就较小。

在电力电子技术快速发展的今天，在提升电力机车运行速度和稳定性的目的驱使下，它实现了从直流传动向着交流传动的方向转变。交流传动技术在电力机车的运用，能够大大减轻机车运行时对电网产生的污染，以及对信号和通信设备的破坏。但是，交流传动技术与直流传动相比，必然也存在一定的劣势，例如交流传动技术在运作过程中会产生大量的谐波，这些谐波充斥在电网和通信线路当中，也会在一定程度上造成破坏性影响。因此，对于机车工作者或研究者来说，对交—直—交型电力机车的网测谐波进行分析是很有必要的。交—直—交型电力机车与交—直型机车相比，采用的脉冲整流方式是具有一定特殊性的。尤其在牵引工况当中，其特殊性体现的更为明显。脉冲整流器在经过调制之后，能够通过从馈线获取与网压同相位的于正弦波电流的方式，大大减少馈线电流的畸变程度，从而提高电所功率因数，提升变电所容量的运用。

三、结语

对机车在再生制动工况下，牵引供电系统的谐波的产生原因及条件的分析，对于提高我国机车运行速度、稳定性，降低能源的消耗有重大指导意义。对于电气化铁道而言，要想最大程度的降低谐波对牵引供电系统，以及电子设备的负影响。必须要明确馈线电流谐波的含量及其分布情况。然后再根据在实际状况中的数据收集，分析如何降低谐波对机车运行，以及通信系统的干扰。

参考文献：

[1]李群湛.论新一代牵引供电系统及其关键技术[J].西南交通大学学报，2014（04）.

[2]祁忠永.电气化铁路同相供电方案及经济性分析[J].电气化铁道，2013（04）.

[3]黎欢.HX_D3型电力机车带电过分相的过电压分析与抑制措施[D].西南交通大学，2014.

作者简介：徐昊年（1987），男，毕业于大连交通大学，助理工程师，研究方向：机械制造及自动化。