牵引变电所27.5 kV所用变压器电能净化研究

文稳利

（中铁十七局集团电气化工程有限公司 工程管理中心，山西 太原 030032）

0 引言

作为电气化铁路的心脏，牵引变电所安全运行是保证电气化铁路安全有序运行的先决条件。机车运行产生的高次谐波对变电所二次回路的影响是牵引变电所安全运行的重要因素之一。在此重点探讨利用高次滤波器净化高次谐波，提高27.5 kV所用变压器电能质量，提高电压稳定性，消除谐波电压对变电所二次设备的危害［1］。

1 高次谐波产生原因和影响

1.1 高次谐波产生原因

目前，我国电气化铁路牵引供电的主要供电方式为：AT供电和直供加回流。2种供电方式的原理都是将地方电源引入的220 kV（110 kV）三相平衡电源，通过牵引变电所变为55 kV的两相交流电（或27.5 kV的单相交流电），通过接触网供给电力机车，电力机车内部通过降压-整流-逆变的过程，供给牵引电机再拖动机车运行，其中整流和逆变过程用到大量大功率晶闸管等电子元件，因此在供电电路中会产生17、19、21、23、25、27、29、31、33次［2］等更高次的有害谐波。

1.2 对牵引变电所设备的危害

高次谐波对牵引变电所的危害主要有以下方面：

（1）使主变压器、27.5 kV所用变压器的铁损增加，出现过热现象，缩短其使用寿命［3］。

（2）使电力线路的能耗增加，使计费的感应式电能表计量不准确。

（3）对二次设备的主要危害是使系统的继电保护和自动化装置发生误动作。

（4）使系统发生电压谐振，对附近通信设备和线路产生信号干扰，影响所内通信及SCADA远动控制系统［4］。

（5）高次谐波的存在对电网的影响主要体现在线路无功功率增大，降低了牵引变电所的功率因数，从而造成电力资源浪费。

2 电能净化装置

2.1 概述

27.5 kV所用变压器电能净化装置（见图1）用于电气化铁路27.5 kV所用变压器二次侧交流供电系统的滤波。

图1 27.5 kV所用变压器电能净化装置示意图

27.5 kV所用变压器电能净化装置采用无源滤波净化方式，安装于27.5 kV所用变压器引入交流屏进线侧，并联在交流屏进线端上，电能净化装置具备独立开关，装置故障或退出时不影响牵引变电所交流自用电系统的正常工作，不对所用电正常运行构成影响，最大程度保证交流所用电系统运行的可靠性。

27.5 kV所用变压器电能净化装置采用阻波高通滤波的治理方式，电能净化器滤波范围为3～100次谐波，电能净化装置不产生额外无功功率，不会改变系统功率因数。

2.2 谐波滤波单元

电能质量净化装置的谐波滤波单元采用无源滤波净化方式，系统的输入电源来自27.5 kV/0.4 kV变压器，采用由3台独立的单相谐波滤波器构成“Y”形三相滤波装置，用于三相交流电源系统，实现滤除高、低次谐波，达到稳定电压的作用。谐波滤波单元设计容量与27.5 kV所用变压器容量匹配，满足所用变压器过载能力和时间的要求。谐波滤波单元回路内置控制电路，单元回路对外提供触点信号，指示单元回路的工作或故障状态。谐波滤波单元回路中还设置可不拆机更换的快速熔断器，对滤波支路提供过电流保护。

单相谐波滤波器由电感和电容串联构成（见图2），通过电感和电容的串联谐振（相当于短路）对电压信号进行过滤，而将一定频率的高次谐波过滤掉。其基本原理如下：

图2 单相谐波滤波器电路

（1）利用电容器通高频阻低频的特性，将线路中的高频干扰电流导入地线［5］。

（2）利用电感线圈的阻抗特性，将高频干扰电流反射回干扰源［6］。

（3）利用电感线圈和电容线圈的串联谐振来过滤掉不同频率的高次谐波。

2.3 单相滤波器容量计算方法

式中：u为输入电源电压的有效值；ω为电压的角频率；t为时间；U为电压的最大值，。

消除17、19、21、23、25、27、29、31、33次等更高次的有害谐波，电感L和电容C发生串联谐振。以消除17次谐波为例，满足式（2）的条件：

式中：角频率ω=2πf，频率f=50 Hz。

由式（2）可得电容与电感的关系，若已知电感L的大小，即可计算出电容C的大小。其他各次谐波消除的计算公式以此类推。

3 电能净化效果试验

3.1 试验方法

电能净化装置应用和试验地点选择在北京供电段管内的滦平东牵引变电所。进行测试的牵引变电所外部电源采用220 kV供电，牵引变压器接线方式为Vx接线方式，牵引变压器为单相变压器［7］。所内自用的1#变压器为Dny11接线方式，测试点为Dny11变压器380 V侧电压，测试仪器为FLUKE435。测试目的：对牵引变电所1#所用变压器400 V侧进行现场数据记录。通过对实测数据的整理分析，验证谐波滤波器投入前后的效果对比。评价谐波的主要依据包括谐波电压综合畸变率和各次谐波电压含量，分别在滤波器投入前后，对以上2个指标进行测试。测试结果表明：

谐波电压综合畸变率由最大值18.90%下降至3.98%，国家标准为5%，满足滤波要求。高次谐波中的各次谐波含量最大值由17%下降至4%，国家标准为4%，满足滤波要求［8］。

3.2 测试数据

滦平东牵引变电所测试时间为2021年10月12—14日，其中10月12日12：00—10月13日12：00滤波器不投入运行，10月13日12：00—10月14日12：00滤波器投入运行。测试内容为滤波器进线即1#所用变压器400 V侧A、B、C三相电压。

电能净化装置投入前后400 V侧三相电压的总波电压综合畸变率（THD）统计见表1，其实测数据见图3—图8。

表1 电能净化装置投入前后400 V侧三相电压THD统计 %

图3 电能净化装置投入前A相电压THD

图4 电能净化装置投入后A相电压THD

图5 电能净化装置投入前B相电压THD

图6 电能净化装置投入后B相电压THD

图7 电能净化装置投入前C相电压THD

图8 电能净化装置投入后C相电压THD

由上述数据可知，净化装置未投入时，若接触网上无列车，考虑95%概率大值，1#所用变压器400 V侧A相电压THD为1.95%，B相电压THD为1.78%，C相电压THD为2.06%，均小于5%的国家标准；若接触网上有车辆通过，1#所用变压器400 V侧A相电压THD最大值达到18.90%，B相电压THD最大值达到12.16%，C相电压最大达到14.82%，均超过5%的国家标准，不满足设备用电要求，容易造成设备的干扰甚至烧损，对设备有很大威胁。

当净化装置投入后，若接触网上无列车，考虑95%概率大值，1#所用变压器400 V侧A相电压THD为1.29%，B相电压THD为1.46%，C相电压THD为1.50%，均小于5%的国家标准；若接触网上有车辆通过，1#所用变压器400 V侧A相电压THD最大值为4.79%，B相电压THD最大值为3.98%，C相电压最大为4.92%，均小于5%的国家标准［9］。

3.3 各次谐波含量对比分析

对电能净化装置投入前后各次谐波含量进行对比分析，尤其对该线路谐波含量较大的高次谐波进行比较。净化装置投入前后A、B、C相高次谐波含量对比见图9—图11。投入前A、B、C相电压23、25、27次谐波最大值较大，最高达到17.11%，远超过5%的国家标准；投入后A、B、C相电压23、25、27次谐波最大值均显著下降，达到国际标准，滤波效果明显［10］。

图9 电能净化装置投入前后A相高次谐波含量比较

图10 电能净化装置投入前后B相高次谐波含量比较

图11 电能净化装置投入前后C相高次谐波含量比较

4 结论

（1）电能净化装置未投入时，400 V侧电压畸变率较高，31、33、35、37次谐波含量相对于其他次谐波明显偏高；

（2）电能净化装置投入后，400 V侧电压总畸变率和高次谐波电压含有率显著下降，尤其是31、33、35、37次等高次谐波含量明显降低。投入净化装置后，变电所同时启动空调、微波炉、电脑等用电设备，各项设备正常工作，未出现跳闸情况。