牵引变电所自用电谐波影响分析及治理方法研究

吴利仁，唐志能，李 威，郭欲平，黄世付，刘志谦

0 引言

电气化铁路牵引变电所（分区所、开闭所）自用交流电取自接触网系统，由于接触网机车负载非线性特点的影响使得自用交流电源成为谐波源，对要求精密工作电源的所内设备测控系统产生严重的干扰破坏，已经成为现场设备运行的一大安全隐患。本文将对一种牵引变电所用新型两相/三相消谐自用变压器的原理、性能及实际使用效果进行阐述，提出一种改善变电所电能质量的新方法。

1 牵引变电所自用交流电谐波特点及危害

1.1 牵引变电所内自用交流电源的谐波来源

牵引变电所内自用交流电源的谐波来源主要有两方面：一方面是变电所内高频整流电源、电磁炉、日光灯等电容输入型非线性负载产生的谐波，谐波主要集中在3、5、7、11、13次，其可视为谐波电流源Ih，但由于其负载容量小，谐波电流值较小，基本可以忽略；另一主要方面来源于接触网的谐波电压Ush和谐波电流Ish，主要集中在31～35 次，41～47次等高次谐波。变电所内谐波源可以简化如图1所示。

图1 变电所谐波源简化示意图

1.2 牵引变电所自用交流电谐波电压源分析

以2015年在中国铁路广州局长沙供电段管内京广线各牵引变电所进行的综合自动化系统装置改造（牵引主变为平衡变）为例，淘汰了以前普遍使用的相控整流直流电源装置，装配了以高频开关电源直流充电机为核心设备的直流供电系统。该装置投入使用后，只要使用所内27.5 kV自用电源即规律性发生所内交流电谐振过电压故障，充电模块输入端口过压保护单元器件烧毁，所内用电设施如灯具、空调等无法正常使用。对某变电所现场跟踪测试，所内交流电压最高时达600～700 V，同时对所内27.5 kV自用电进行电能质量跟踪测试，测试显示27.5 kV电源电压波形如图2所示，发现电压源谐波含量丰富，主要集中在33～35次附近，与变电所交流电源在35次附近发生了谐振，谐波电压和电流均被放大，相电压峰值已经达到450 V，电流峰值达到20 A（正常情况下，电压峰值仅为320 V左右，电流峰值仅为4 A）。该变电所内高频充电模块、变频空调、电磁炉、日光灯等设施无法正常使用，且经常发生因高次谐波谐振损坏低压设备的情况。

图2 某变电所内二次电压、电流波形

2 所用电谐波治理思路

对牵引变电所内设备而言，其谐波源主要由接触网的谐波电压源和恒流谐波源的叠加形成，其谐波潮流与单纯由非线性负载引起的谐波潮流分布不同，因为此时的电压波形已不是正弦波，而是一个谐波源。因此，对牵引变电所用电的谐波治理必须采用新的方法。

图3所示为变电所二次谐波等效电路，通过叠加原理可以得出所内负载端的谐波电流。

图3 变电所二次谐波等效电路

由谐波电压在所内产生的负载谐波电流为

进入到二次负载的由非线性负载的Ih引起的谐波电流为

负载中的电流为

负载端电压为

式中：ΔUh为回路的谐波电压降；Zs′h、Zk′h分别为折算至变压器二次侧的阻抗。

由此可知，牵引变电所内二次电压中既有来自于接触网的谐波电压，也有谐波电流引起的谐波电压；负载电流中既有来自于接触网的谐波电流，也有谐波电压所引起的谐波电流。要改善变电所内电能质量就必须根据所内谐波的这些特点采取针对性措施，可以通过加大回路中串联电抗以增大回路谐波电压降ΔUh，降低负载端谐波电压，同时在负载端并联滤波支路以分流谐波电流。

本文通过对一台50 kV·A，27.5 kV/0.4 kV的新型两相/三相消谐自用变压器的原理分析[1]、样机研制及试运行效果的总结，提出采用消谐自用变压器+专用滤波装置改善变电所内电能质量的方法。

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3 新型接线两相/三相消谐自用变压器原理及性能分析

3.1 原理介绍

新型消谐自用变压器高压侧采用带延伸绕组的三角形接法，形成两相对称结构，图4为高压侧电压向量图。低压侧采用Z型接线[2]。众所周知，对于两相/三相平衡接线的变压器，当原边一次侧两相电压对称时，副边三相侧中性点的零序电流iN= 0。不对称延伸绕组的零序磁势与三角形绕组的零序磁势相平衡，变压器原边正、负序磁势由副边绕组平衡[3]。由于副边绕组为Z型连接且中性点直接接地，由三相不对称负载产生的零序电流可以在副边绕组中流通，但只要副边每相两线圈耦合紧密，可保证零序电流在每相绕组中感应的磁通互相抵消，副边三相绕组中将不会感应出零序电压，因此副边三相输出电压的平衡性也将不受影响[4]。

图4 高压侧电压向量

通过建立消谐自用变压器仿真模型[5]，以验证该接线方式的正确性。经对图5和图6所示的电压波形进行比较可知，新型消谐自用变压器完全能够实现两相/三相的平衡变换，满足牵引变电所的使用要求。

图5 原边27.5 kV侧α、β相电压波形

图6 副边400 V侧a、b、c三相空载电压波形

3.2 性能分析

本节分析变压器的短路阻抗值与谐振点的关系及对降低谐波电压的作用。

图7所示为变电所内设备单相谐波等值参数电路，在图7所示的RLC串联电路中，电抗XL对负载设备串联分压，将减少负载设备上的谐波电压，同时因为电抗XL的加入，整个回路的谐振频率也将改变。

图7 谐波等值参数电路

串联电抗加入前的回路电抗X1=Xs+Xk+Xf，串联电抗加入后的回路电抗X2=X1+XL。加入串联电抗前后电路的谐振次数分别为h01和h02，则有阻抗比k=X2/X1= (h01/h02)2。因此，只需选择合适的串联电抗XL就可以使得谐振次数由h01降为h02。假如已知现有谐振次数h01= 35次，为将谐振次数降为h02=25次，则k= 1.96，即将整个变电所内二次回路阻抗增大为原来的2倍即可实现。由于二次电压中的25次谐波电压很低，新的电压谐振对设备运行基本没有影响。串联电抗XL也可以合并为自用变压器短路阻抗内，本项目是通过调整新型消谐自用变压器的短路阻抗值从而达到改变实际电压谐振点的目的[2]。

基于变电所原逆斯科特自用变压器的参数建立仿真模型[5]，模拟电压谐振现象，通过调整负载参数使得400 V负载端电压谐振频率约为1732 Hz，谐振次数约为35次（图8）。保持负载参数不变，将模型中自用变压器结构及参数按新型消谐自用变压器样机参数进行调整，仿真得到400 V负载端电压谐振频率约为1244 Hz，谐振次数约为25次（图9）。

图8 使用原自用变时谐振频率

图9 使用新型自用变时谐振频率

由于串联电抗XL的存在，一部分谐波电压降落在其上，使得负载端的谐波电压得以减小，从而达到既降低所内负载端谐波电压又能改变电压谐振点的目的。

图10为两种不同结构自用变压器分别仿真运行时负载电压谐波频谱比较。采用原逆斯科特自用变压器时，29～37次高次谐波电压放大严重，且可能发生35次电压谐振，其幅值被严重放大。采用新型消谐自用变压器时，通过选择合适的等值参数，谐振电压次数降低，电压谐振幅值大幅减小，高次谐波电压得到有效抑制；虽然部分较低次谐波有放大，但实际中这些谐波含量均较小，对运行影响不大。

图10 不同自用变压器负载电压谐波频谱

样机自2016年3月投运至今的实际运行情况表明，新型消谐自用变压器投运后，二次电压的谐振现象得以消除，变电所内的电磁炉、日光灯、空调及充电模块等基本可以正常使用。现场运行的新型消谐自用变压器如图11所示。

图11 新型消谐自用变压器

4 整体改善变电所电能质量的措施

由于所用电谐波源是由接触网谐波电压和谐波电流组成的一个混合谐波源，仅依靠消谐自用变压器虽然能调整电压谐振点并部分降低负载电压谐波含量，但不能全面改善变电所电压波形，因此有必要设置合适的滤波支路，减少流向变电所所用电设备的谐波电流。滤波支路的设置及参数选择可根据变电所的具体情况而定。由于新型消谐自用变压器本身带有角接的线圈且二次侧绕组为Z型接线，为使滤波装置结构简单而有效，本次滤波装置仅设置了5、7次单调谐支路。现场测试数据表明，附加滤波装置投入后，变电所内电能质量基本达到了国标要求。图12所示为附加滤波装置投入前后变电所负载电压谐波实测值。

图12 附加滤波装置投入前后负载电压谐波含量

5 结论

（1）新型消谐自用变压器可以实现两相/三相的平衡变换，通过调整短路阻抗值且因原边带有角接绕组，可消除变电所内电压谐振，部分降低负载端谐波电压，改善变电所供电质量。

（2）消谐自用变压器+滤波装置的供电方式可比较全面地改善变电所的电能质量，不失为一种提高变电所内设备运行安全性和可靠性的好方法。

（3）本文所述原理和方法也可在Vv和单相供电方式系统中推广使用。