和谐电力机车供电绕组阻尼电路参数匹配

杜子峰

摘要 根据和谐电力机车列车供电系统的工作原理，研究了供电绕组阻尼电路的工作特点，给出了阻尼电容及电阻功耗的计算方法，推荐能兼顾输入谐波、满足阻尼器件和列车供电系统安全工作的阻尼电路参数。

[关键词]和谐电力机车 列车供电控制系统供电绕组 阻尼电路

从2010年开始，和谐电力机车（HXD3C、HXD3D和HXDID）列车供电系统向旅客列车进行直供电的运用越来越广泛，己逐渐成为铁路干线运输的主力车型。和谐电力机车牵引系统使用的交流传动技术，在提高运力、提升运输效益的同时也带来了电网谐波成分更复杂等新问题，容易产生电网电压谐振、变电所设备损坏、电力机车阻尼电路烧损等不良后果。

1 系统简介

和谐电力机车列车供电系统由两套完全独立的供电回路组成，其电路结构完全相同，其主电路形式如图1所示：列车供电绕组（a7-x7），经接触器KM与快熔FU到全波半控整流桥，通过平波电抗器L和滤波电容器C输出直流600V，同时设有控制用电压传感器SV1和接地检测用电压传感器SV2。在供电绕组a7-x7侧设置了Rl、Cl组成的过压吸收阻尼电路。

2 问题分析

近年来多个机务段反馈，和谐电力机车列车供电系统的阻尼器件损坏较多，表现为电容器鼓胀、漏液、电容量下降，电阻器过热，联线点烧熔开路、绝缘破损等，有时还会引起列供接地等伴生故障，导致整个列供系统无法正常工作，严重影响了旅客乘车的舒适性。

针对现场反馈的问题，通过在和谐电力机车上加装设备对供电绕组进行了测试，发现部分电气化区段谐波情况非常严重，有的地方谐波含量高达30%。如图2所示。

而在某些电气化区段，和谐电力机车列车供电绕组输出波形相对好很多。如图3所示。

谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，由于接触网有效分量为工频50Hz单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波。由于机车运行密度和功率都很大，再加上和谐电力机车和韶山电力机车混跑，使得接触网谐波频谱更加复杂。

3 解决措施

为了防止谐波对列车供电系统的破坏，最常用、最经济的方法就是在该机车上优化列车供电绕组阻尼电路参数，用于吸收特定频率或一定频率范围内的谐波电流，同时提高阻尼器件的耐受性。

该阻尼电路的作用是吸收供电绕组侧的高频谐波，同时吸收操作过电压和全波半控整流桥的换向过电压。

3.1 阻尼电路电阻的分析

电阻的标称功率计算公式：

Un为第n阶谐波有效值;

fn为第n阶谐波频率;

c为阻尼电路的吸收电容;

R为阻尼电路的吸收电阻。

自然冷却时，电阻标称功率在空间允许的情况下应尽量选择较大倍数的持续功率，同时要考虑电阻温度对周围器件的影响，必要时采取隔离措施。

电阻器选型需执行标准GB/T 5729-2003，GB/T 5732-1985。电阻器工程化应用时，要求电阻器持续功率大、重量轻、过载能力强，性能稳定可靠，使用方便，而且在电容器击穿短路时能快速熔断，切断短路回路，能避免发生恶性故障。

3.2 阻尼电路电容的分析

电容标称电流计算公式：

I。=U/R

式中：

I一一电容电流有效值;

P一一串联电阻上的总功耗;

I。一一电容周期性最大换向电流峰值;

U一一输入电压的峰值;

R一一吸收电阻阻值。

此电容参与了全波半控整流桥中整流元件的换向，最大换向电流是有效值的10倍以上，所以在选用电容时要考虑降额使用。

电容器工程化应用时，要求能吸收各种因素产生的冲击电压，能对列车供电系统主电路中的器件起到良好的保护作用，其端子机械强度、抗腐蚀能力、密封性能、过载能力、耐久性能等均符合GB/T 25121-2010《轨道交通机车车辆设备电力电子电容器》的标准要求。

3.3 参数分析

在实际应用中，往往从限制过电压方面考虑得比较多，而对阻尼器件的安全運用常被忽视。从理论上讲，阻尼电路中电容量越大，电阻值越小，则限制过电压的效果越佳，于是实用中出现一种趋势，尽量加大电容量，减小电阻值，未更多考虑带来的不良后果。但是需要在输入谐波、满足阻尼器件和列车供电系统安全工作的基础上，对阻尼电路参数综合考虑。

经过试验和使用验证，列车供电系统中供电绕组中阻尼电路参数的优化值推荐为：电容器Cl为6μF，电阻器R1为10Q。

以某型和谐电力机车列车供电系统现场试验为例：图4 （a）是列车供电系统的输入端接触器KM未合上，即阻尼电路未投入。当司机按紧急制动时，在列车供电系统输入端产生了3000V以上的高频谐波（电压最大值为3.156kV、电压最小值为-3.165KV）;图4（b）是列车供电系统的输入端接触器KM闭合后，即阻尼电路己投入，当司机按紧急制动时，在列供输入端产生的的高频谐波被吸收殆尽，较好地保护了列车供电系统主电路的元件，大幅减少了元件击穿的可能性，提高了列车供电系统的整体可靠性。

4 结论

针对和谐电力机车供电绕组阻尼电路参数不匹配的问题，本文结合实例，具体研究了供电绕组阻尼电路的电流及电阻功耗特征，给出了计算试验方法，提出了器件选型的必要技术条件。从限制谐波含量、保证阻尼器件和列车供电系统的安全运用的角度，推荐了合适的参数取值范围。

从目前的现场应用看，电容器（Cl）6Fμ，电阻器（Rl） 10Q和机车列车供电系统匹配较好，体积相对较小，解决成本也较为低廉，满足了列车供电系统实际应用，目前已经批量推广。

参考文章

[1]徐林云.DC600V列车供电系统[J]，铁道车辆，2001，39 （03）：13-16.

[2]吴强.客运列车供电系统[J]，机车电传动，2003，5：54-61.

[3]蒋家久.交直传动相控电力机车过电压保护参数的合理匹配[J].铁道机车车辆，2008 （12）：20-26.

[4]蔡杰，林波.电力机车列车供电系统接地研究[J].电气技术，2015，16 （05）：78-81.