京哈线牵引供电系统高次谐波治理研究

刘星，魏宏伟，楚振宇

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055）

京哈线牵引供电系统高次谐波治理研究

刘星，魏宏伟，楚振宇

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055）

京哈线是中国重要铁路干线，牵引负荷较重。京哈线牵引供电系统采用自耦变压器供电方式，供电臂较长。由于线路上多种类型电力机车同时运行，实际运行中出现了牵引供电系统的高次谐振现象，严重危及牵引供电设备的运行安全。针对京哈线某牵引变电所增加馈线工程后发生的谐振现象，提出了适用于本线的高次谐波治理思路及工程技术方案，并对其他电气化铁路高次谐波的治理具有一定的借鉴意义。

京哈线；牵引供电系统；高次谐振；滤波装置

0 引言

京哈线是连接华北和东北地区的重要繁忙铁路干线，其牵引供电系统采用自耦变压器AT（auto-transformer）供电方式，供电臂较长。目前，京哈线上运行的电力机车种类繁多，由于机车的传动方式、电气参数、谐波频谱不同[1]，当在某个牵引变电所供电范围内出现多种类型的机车时，在各种因素的共同作用下，牵引供电系统发生高次谐振的风险大大增加。AT馈线，馈线类型为长距离电缆。工程投产后，仅一个月就出现了数次牵引供电线系统异常现象，牵引变电所内保护动作，系统报警，不仅新增的电缆馈线无法正常投入使用，还影响到了牵引变电所内自用电变压器、交直流系统及综合自动化设备的安全运行。

现场测试新增馈线电缆空载电压、T线电流总有效值及高次谐波有效值的分布情况。测试结果如图1、图2所示。

1 谐振现象测试数据与分析

以京哈线某牵引变电所为例，该所采用斯科特结线牵引变压器，55 kV侧母线采用单母线分段形式，馈线数目为八回。2014年该所新增一回

图1 馈线电缆电压及高次谐波有效值

图2 馈线电缆T线电流及高次谐波有效值

根据测试结果，谐振期间变压器T座电压有效值达到60 kV，峰值达到110 kV；新增馈线电缆T线空载电流有效值达到130 A，15次谐波电压有效值达到20 kV，电流有效值达到120 A。牵引变电所主变二次侧T座电压、新增馈线电缆T线电流的曲线及其谐波频谱如图3、图4、图5、图6所示。

图3 主变T座电压曲线

图4 主变T座电压谐波频谱

图5 新增馈线电缆T线电流曲线

图6 新增馈线电缆T线电流谐波频谱

牵引变电所主变T座、M座母线电流的谐波频谱及24 h内基波电流有效值、11～31次奇次谐波电流总有效值和功率及功率因数的测试结果如表1、表2所示。

表1 T座统计结果

表2 M座统计结果

根据测试结果得出以下结论。

a）新增馈线电缆的13、15、17次谐波电压、电流在17∶33到17∶36分之间出现了明显增高。

b）在同一时刻母线13、15、17次谐波电压较大，15次谐波电流较大，显然测试期间该时刻内牵引供电系统发生了15次谐振。

c）由于新增馈线为长距离供电电缆，该电缆的容性阻抗对既有牵引供电系统的阻抗特性产生了较大影响，是导致谐振发生的主要原因。

2 谐振治理措施研究

2.1 谐振治理措施

2.1.1 消除谐波源

消除谐波源，即改善引起高次谐波谐振的电力机车的谐波特性，使其谐波含量降低到不足以激发谐振的水平，或把其电流谐波成分移频错开牵引供电系统的谐振频率。

2.1.2 装设滤波装置

在牵引供电系统装设各种有源、无源电力滤波装置和无功补偿装置，以达到抑制谐波、提高功率因数的目的[2]。

2.2 措施分析

消除谐波源方案由于受电力机车数量、改造成本等因素的制约，短期内不易实现。因此，在实际的应用和工程主要以牵引变电所亭内治理方案为主，即在牵引变电所、分区所、AT所内安装无源或有源电力滤波装置，从而对谐波和无功进行综合治理。

根据以上分析，为保证京哈线牵引变电所的正常供电，应在牵引变电所内安装无源或有源电力滤波装置。有源滤波器投资较高、研发及安装周期较长，维护管理较为负责，而无源滤波器相对于有源滤波器来说，无论从研发、安装到使用维护都有巨大的成本优势，因此，为解决高次谐振现象，本工程中选择无源滤波器更为合适。

3 谐波治理工程方案

无源滤波器主要是利用了电路的谐振原理，滤波装置对发生谐振时的某次谐波电流形成低阻抗通路，使得某次谐波电流被无源滤波器分流从而达到滤波的目的[3，4]。最为常用的无源滤波器为二阶阻尼滤波器和单调谐滤波器。

根据本工程的测试结果，谐波电流在牵引网中的谐波含有率主要在谐振频率处(即15次谐波)较大。结合牵引供电系统的经济技术条件，滤波方案主要考虑的因素有以下几点。

a）牵引供电系统的谐波谐振频率随着系统的主要元件如：供电臂长度、外部电源短路容量、牵引变压器、AT变压器等参数的确定而基本确定，因此从系统的角度结合成本考虑，直接针对谐振频率处的谐波电流进行滤除就会对谐波谐振产生抑制。

b）从系统的谐波阻抗频率特性来看，在谐振点频率处系统的谐波阻抗最大，结合无源滤波器对系统阻抗频率特性的影响，在设计之初考虑在加入无源滤波器后使得系统的谐振频率向高频方向发生移动，因为线路趋肤效应的影响高次谐波电流较小，从而也能达到抑制谐波谐振的效果。

c）无源滤波器无需控制设备，具有结构简单、设备容量小、维护成本低等优势，在解决问题的前提下，可以从成本等角度出发考虑选择合适滤波器以达到抑制谐波谐振的目的[5]。

因此，要减少谐波电流含量，降低谐波电流畸变率，可在牵引变电所内采用以下两种滤波方案，如图7、图8所示。

图7 谐滤抑制装置原理图（方案一）

图8 谐滤抑制装置原理图（方案二）

表3 滤波方案主要技术指标对照表

以上两个方案均能满足该牵引变电所谐波治理的需要。两个方案相比，方案一采用55 kV电气设备，绝缘水平远高于方案二，设备投资较大，占地面积较小；方案二采用2组27.5 kV设备组成背靠背结构，具备一定的互备性，设备成熟，结合既有场坪占地面积增加不多。综合以上因素，本次设计推荐方案二，滤波器具体参数见表4。其中，考虑到电抗器的可靠性，实际容量选取稍大一级。

表4 推荐方案的主要技术参数

该装置自2014年5月现场投运后，谐振现象得到消除，牵引变电所二次及交直流设备无异常出现，设备运行效果良好。

4 结论

本文通过对京哈线某牵引变电所新增电缆馈线投入后发生的谐振现象进行测试分析，提出了京哈线牵引供电系统高次谐波治理思路及滤波装置工程技术方案，并对其他电气化铁路高次谐波的治理具有一定的借鉴意义。

[1]解绍锋，李群湛，赵丽平.电气化铁道牵引负载谐波分布特征与概率模型研究[J].中国电机工程学报，2005，25(16):79-83.

[2]李群湛，贺建闽.单调谐滤波器优化设计及滤波效果[J].铁道学报，1995(A01):15-21.

[3]吴命利，李群湛.电力系统与牵引供电系统三相谐波模型[J].铁道学报，1999(1):44-47.

[4]贺建闽，黄治清.关于谐波治理可行性的认识[J].电气化铁道，2003(2):1-5.

[5]段然.高速铁路牵引馈线采用单相电缆相关问题研究[D].北京:北京交通大学，2014.

Study on Higher Harmonic Control of Traction Power Supply System of Beijing-Harbin Railway

LIU Xing,WEI Hongwei,CHU Zhenyu
（China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China）

Beijing-Harbin line is China's major railway line,so that the traction load is heavier.The traction power supply system of Beijing-Harbin railway adopts AT power supply mode,and the power supply arm is longer.Since electric locomotives running on the lines are various,higher-harmonic resonance occurs during the operation of traction power supply system,which seriously endangers the safe operation of traction power supply equipment.In view of the resonance phenomenon after the feeder line added in a traction substation in Beijing-Harbin railway line,technical scheme on higher-harmonic control is put forward for Beijing-Harbin line,and it has certain reference significance for higher harmonic elimination of other electrified railways.

Beijing-Harbin railway;traction power supply system;higher-harmonic resonance;filter

U223.5+2

A

1671-0320（2017）01-0054-04

2016-09-22，

2016-11-10

刘星（1985），男，辽宁大连人，2010年毕业于西南交通大学电力系统及其自动化专业，硕士，高级工程师，从事铁道电气化设计工作；魏宏伟（1968），男，河南郑州人，1991年毕业于西南交通大学电力系统及其自动化专业，硕士，教授级高级工程师，从事铁道电气化设计工作；楚振宇（1971），男，河南洛阳人，1996年毕业于西南交通大学铁道电气化专业，硕士，教授级高级工程师，从事铁道电气化设计工作。