电气化铁路低压配电系统高次谐波抑制技术

周福林，朱 鹏，李显荣，陶亮金，王长春，许四喜



电气化铁路低压配电系统高次谐波抑制技术

周福林，朱 鹏，李显荣，陶亮金，王长春，许四喜

通过分析牵引网高次谐波对牵引变电所低压配电系统的渗透特性，提出了适用于牵引变电所低压配电系统的Y型二阶高通滤波器和阻波高通滤波器滤波方案，研制了Y型阻波高通滤波器滤波装置和二阶高通滤波器装置，并安装运行于曾因谐波导致用电设备烧损的牵引变电所中。经工程应用测试，该滤波装置滤波效果良好，有效滤除了高次谐波，改善了低压配电系统供电质量，彻底解决了因谐波导致用电设备烧损的问题。

高次谐波；低压配电系统；二阶高通滤波器；阻波高通滤波器

0 引言

近年来，我国电气化铁路发展迅速，基于IGBT、IGCT等全控型器件的交直交型电力机车以启动快、牵引负荷大、功率因数高、谐波含量低等优势在电气化铁路中得到广泛应用，逐渐取代了交直电力机车而成为主流运载车辆。交直交型电力机车采用单相调制技术PWM（Pulse Width Modulation），降低了3次和5次等低次谐波含量，但开关频率附近的高次谐波含量有所增加[3，4]。当机车产生的高次谐波频率与牵引供电系统的自然谐振频率相等或接近时，将激发该网络出现谐振和谐波放大[4]。牵引供电系统是一个复杂的电气耦合系统，电力机车、牵引网、外部公共电网和牵引变电所低压配电系统都存在直接或间接的电气耦合关系，牵引网中的高次谐波必然会经过所用变压器渗透到低压三相系统中，影响低压三相系统的供电质量，在某些线路上曾出现多起因高次谐波含量过高造成所内用电设备烧损的事件。因此，本文首先分析牵引网高次谐波对牵引变电所低压配电系统的渗透特性，并提出适用于牵引变电所低压配电系统的Y型二阶高通滤波器和阻波高通滤波器滤波方案，同时研制了一套Y型阻波高通滤波器滤波装置，验证了滤波方案的有效性。直接供电方式下牵引供电系统结构如图1所示[6]。

图1 直接供电方式牵引供电系统结构

1 高次谐波对低压系统的渗透特性

一般牵引变电所所内用电设备由2路三相进线供电，一路通过所内两相-三相变压器从牵引网两相降压获得，一路从公共电网三相10 kV降压获得，2路互为备用。牵引网的高次谐波可通过所内两相-三相变压器渗透到低压牵引配电三相系统中。常见的所用两相-三相变压器有逆Scott变压器、逆YNd11变压器等。

以逆Scott变压器为例进行分析。逆Scott变压器将牵引网两相正交电压（27.5 kV）转换成三相对称电压（380 V），结构如图2所示，其中水平放置的变压器称为M变压器，垂直放置的变压器称为T变压器[6，7]。

图2 逆Scott变压器结构

牵引变压器两相电压可视为逆Scott变压器的电源，逆Scott变压器将牵引变压器两相正交电压转变为三相对称电压，在不考虑变压器励磁阻抗影响的情况下，低压三相谐波电压与牵引网两相谐波电压关系为[6]

由式（1）可知，牵引网中谐波电压可通过逆Scott变压器渗透到低压三相系统中，如果牵引网谐波含量较高，会造成低压三相系统谐波含量激增，威胁低压三相系统中用电设备安全稳定运行。

2 高次谐波抑制方案

由于现阶段引起牵引供电系统电压畸变的主要因素为高次谐波分量，因此对谐波的治理应重点放在高次谐波上。针对牵引变电所低压配电系统中的高次谐波，本文提出适用于牵引变电所低压配电系统的Y型二阶高通滤波器和阻波高通滤波器滤波方案，以消除高次谐波危害。

2.1 二阶高通滤波器

二阶高通滤波器由电阻器R和电抗器L并联后与电容器C串联构成[2]，其结构如图3所示。

图3 二阶高通滤波器结构

二阶高通滤波器的阻抗为

二阶高通滤波器的阻抗频率特性曲线见图4。

图4 二阶高通滤波器阻抗频率特性曲线

由式（2）和图4可知：当角频率时，()=，随着频率的增大，二阶高通滤波器的阻抗与其电阻同数量级；当较小时，在高频下呈现低阻抗，为高次谐波提供通路，滤除高次谐波。

2.2 阻波高通滤波器

阻波高通滤波器由电容器C和电抗器L并联后与电阻器R串联构成[6，9]，其结构如图5所示。

阻波高通滤波器的阻抗为

阻波高通滤波器阻抗频率特性曲线见图6。

图6 阻波高通滤波器阻抗频率特性曲线

由式（3）和图6可知：0= 50 Hz时，角频率为0，电容器与电抗器发生并联谐振，即01(0)，1020，则(0)，即在工频电压下，可认为阻波高通滤波器为开路状态，无工频电流流过，对外不交换无功功率，不消耗有功功率，具有阻波特性；随着增大，()迅速减小，高频下呈现低阻抗，为高次谐波提供通路，滤除高次谐波。

2.3 低压配电系统高次谐波滤波方案

将3个单相二阶高通滤波器或阻波高通滤波器按Y型接法连接，构成三相Y型高通滤波器，应用到牵引变电所低压三相系统中，如图7所示。

图7 三相Y型高通滤波器滤波结构

图中，所用降压变压器为逆Scott变压器，Y型阻波高通滤波器（Fa、Fb、Fc）接于牵引变电所逆Scott变压器低压侧a、b、c、o端子，即a、b、c三相，额定线电压为220 V，与所内用电设备并联运行。牵引网中通过逆Scott变压器渗透到低压三相侧的高次谐波可被三相Y型高通滤波器滤除。

3 工程应用效果

为了验证三相Y型高通滤波器滤波方案的可行性和有效性，针对三相Y型阻波高通滤波器和二阶高通滤波器滤波方案，研制了工程试验装置。目前，该装置已在南昌铁路局、成都铁路局、太原铁路局等所管辖线路安装运行近2年，在普速铁路、重载铁路、客运专线、高速铁路上分别得到了检验和验证，运行可靠，证明该滤波方案可行，具有工程实用价值。

以Y型阻波高通滤波器为例，其工程试验装置正面与内部结构如图8所示。采用BDC-5型电能质量测试仪在滤波器投入前后对所内三相电压进行测试，分析该装置在长期运行情况下对牵引变电所低压配电系统三相电压的改善作用，根据国标要求，每3 s记录1个点，每24 h共记录28 800个点。

图8 Y型阻波高通滤波器工程试验装置

对比分析滤波器投入前后三相电压的总谐波畸变率如图9所示，滤波器投入前后三相电压谐波畸变率最大值和95%概率值如表1所示。

图9 滤波前后三相电压总谐波畸变率

表1 滤波前后三相电压总谐波畸变率（THD） %

由图9和表1可以看出，滤波前所用三相电压畸变严重，总谐波畸变率远远超过国标限值，a相电压畸变率最高，最大值为28.62%，95%概率大值达到了13.98%。滤波器投入后，三相电压总谐波畸变率最大值和95%概率大值均大幅降低，电能质量得到显著改善。

对比分析滤波器投入前后三相各次谐波电压含有率如图10所示，滤波器投入前后三相主要次谐波电压含有率如表2所示。

图10 380 V侧三相电压各次谐波含有率

由图10和表2可知，造成三相电压畸变的主要谐波为31～41频段的高次谐波，Y型阻波高通滤波器投入后，高次谐波基本全部滤除，验证了Y型阻波高通滤波器的滤波特性。

表2 380 V侧三相电压主要次谐波含有率 %

上述分析表明，研制的三相Y型阻波高通滤波器在长期运行情况下，能够有效滤除牵引变电所低压系统的高次谐波分量，保证所内用电设备安全可靠运行。

4 结语

本文分析了牵引网高次谐波对牵引变电所低压配电系统的渗透特性，并提出适用于牵引变电所低压配电系统的Y型二阶高通滤波器和阻波高通滤波器滤波方案，同时研制了三相Y型阻波高通滤波器和二阶高通滤波器滤波装置，验证了滤波方案的有效性。通过对数学模型和实测数据的分析，可以得到：

（1）牵引网中的高次谐波电压可通过所用逆Scott变压器渗透到低压三相系统中，威胁低压三相系统中用电设备的安全稳定运行。

（2）二阶高通滤波器和阻波高通滤波器均可为高次谐波提供通路，可有效滤除高次谐波；阻波高通滤波器具有在工频电压下，对外不交换无功功率，不消耗有功功率等优点。

（3）研制的三相Y型阻波高通滤波器和二阶高通滤波器经长期运行验证，可有效滤除低压系统的3～100次范围的高次谐波分量，适用于现有国内所有车型的谐波治理，克服了单调谐滤波、LCL滤波方案仅能滤除一定频率范围内谐波的缺陷。

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This paper puts forward the scheme of filtering by Y type second order high pass filter and wave-trap high pass filter adaptable to the low voltage distribution system for traction substation on the basis of analyzing the characteristics of high order harmonics of traction network permeated to the low voltage distribution system of traction substation. Y type wave-trap high pass filtering and second order high pass filtering devices were developed, installed and operated in the traction substation which was failed due to burning of power consumption equipment caused by the harmonics. The engineering application of the filter shows that it functions properly, eliminates the harmonics effectively, improves the power supply quality of low voltage distribution system, and solves completely the burning of power consumption equipment induced by the harmonics.

High order harmonics; low-voltage distribution system; second-order high-pass filter; wave-trap high-pass filter

U223.5

A

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.001

1007-936X(2018)01-0001-04

2017-04-24

周福林.西南交通大学电气工程学院，讲师，博士，研究方向为车网电气耦合、电能质量分析与控制等；

朱 鹏.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生；

李显荣，陶亮金.中国铁路南昌局集团有限公司，工程师；

王长春，许四喜.成都瑞尔维轨道交通技术有限公司，工程师。

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2682014RC07）；国家重点研发计划资金支持（2016YFB1200401-102H）。