亚吉铁路K141牵引变电所电能质量评估及治理

林光华

（中铁二局集团电务工程有限公司，四川 成都 610031）

1 K141牵引变电所概述

K141牵引变电所位于埃塞俄比亚至吉布提标准轨距铁路（以下简称“亚吉铁路”）。亚吉铁路是非洲首条电气化铁路，是连接埃塞俄比亚和吉布提两国首都以货运为主的铁路，由中国企业建设，项目全线采用中国二级电气化铁路标准，铁路全长约760 km，设计客车最大时速120 km/h，货车最大时速80 km/h，电力机车采用中车株洲电力机车厂有限公司生产的HXD1B型交-直-交传动电力机车。与交-直机车相比，交-直-交机车20次以上的更高次谐波含量有所增加[1-2]。

实际运行中，存在变压器烧损、充电机烧损、空调机损坏、所内工作电脑、保护综自等屏柜信号指示器易损、所内生活用电设备损坏等现象。

2 380 V侧电能质量评估

2.1 电压过程及典型波形

对现场采集数据进行处理，得到380 V侧电压过程及电压典型波形如图1～图4所示。其中380 V侧A、B、C三相电压有效值曲线如图1所示（黑框为货车经过时间段）。

由图1～图4可知，在货车通过的时间段，所内380 V三相电压波动明显（重载货车波动更大），最大有效值接近260 V（额定为220 V）。可见牵引网电压的剧烈波动，通过所内的逆YNd11变压器影响到了低压侧三相电压[3]。

图1 380 V侧A、B、C相电压有效值曲线

图4 无车时380 V侧A、B、C相典型电压波形

2.2 谐波电压总畸变率

380 V侧电压THD趋势如图5所示，全过程三相电压THD典型统计值如表1所示。

表1 K141变电所全过程内380 V侧三相电压THD

图5 380 V侧A、B、C相电压THD趋势图

图2 货车过α相380 V侧典型电压波形

图3 货车重载过β相380 V侧典型电压波形

由图5和表1可以看出，在测试的全过程中，K141变电所380 V侧A、B、C三相电压THD的95%概率最大值分别为11.67%、58.44%、5.95%，不满足标准GB/T14549—93《电能质量 公用电网谐波》中对380 V电压等级5%的规定，同时A、B相不满足IEC标准IEC TR-61000-3-6—2008对谐波8%的要求。

2.3 谐波电压含有率

货车通过α相时380 V侧B相各次谐波电压含有率95%概率值直方图如图6所示。

图6 货车过α相时380 V侧B相谐波电压含有率95%概率值直方图

由图6可知，货车通过α相时，380 V侧B相电压畸变非常严重，各次谐波均不符合IEC的要求；在货车经过时，高次主要分布在31、33、35、37、39、41、45次谐波，远高于IEC对单次谐波的要求[4]。

3 治理方案

根据现场测量得到的数据，该牵引变电所的典型电能质量问题为高次谐波导致的所用变设备损坏。通过分析可知，在机车刚进入供电臂一直到驶出供电区间，网压持续畸变严重，电压畸变率最大值达到20%以上，这是造成牵引变电所内充电模块损坏，空调、电磁炉、手机充电器等用电设备不能正常工作的原因。

3.1 变电所380 V侧电压畸变机理

图7为变电所用的两相-三相变压器的结构，由此可得原次边电压的电气变换关系为：

图7 所用变逆YNd11变压器

式（1）中：k为原次边变比。

可见，牵引网中的谐波电压可通过逆YNd11变压器渗透到低压三相系统中，如果牵引网谐波电压含量较高，则会造成低压三相系统电压谐波含量激增，威胁低压三相系统中用电设备的安全稳定运行。这也就是变电所三相电压在机车通过时畸变严重的原因。

3.2 380 V电压畸变治理方案

由于现阶段造成牵引供电系统电压畸变的主要因素为高次谐波分量，因此针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型高通滤波器滤波方案，消除高次谐波的危害，如图8所示[5]。

图8 谐波滤波装置装备及其接线示意图

4 治理方案达到的效果

根据高通滤波器的谐波治理实施方案，验证了治理方案的实施效果。结果表明，采用阻波高通滤波器能够显著改善谐波，达到谐波治理的效果。K141+900变电所投入后380 V侧三相电压THD如表2所示。

表2 K141+900变电所投入后380 V侧三相电压THD

由表2中可以看出，在投入阻波高通滤波装置之后，K141+900变电所380 V侧A、B、C三相电压THD在95%概率最大值分别为4.97%、4.26%、2.20%，均满足国标和IEC的要求。

5 结论

K141牵引变电所的380 V侧电压畸变情况明显，主要由牵引网中的高次谐波分量引起。针对高次谐波，治理方案为使用Y型高通滤波器，以消除高次谐波的危害。

比较方案实施前后的电压THD及各次谐波分量情况，充分证明了该方案的有效性。