交直交电力牵引谐波的影响与改进

赵朝蓬，田旭东

0 引言

近3年来，交直交动车组、大功率电力机车已成为上海铁路局京沪线、合宁、合武等客运专线的主要牵引负荷，在工程试验和运行中陆续发生一些故障，如：牵引变电所亭交直流屏上的充电模块出现烧损、接触网避雷器爆炸、牵引变电所过电压跳闸、动车组变流器故障、动车组避雷器爆炸等。

通过铁道科学院在上海铁路局南翔、三界牵引变电所及其相邻分区所进行谐波测试，参与客运专线联调联试，牵引变电所过电压跳闸后的专题测试，联系动车组厂家进行的专项测试等工作，掌握了大量第一手数据与波形，获得了一些交直交机车的谐波频谱、电铁谐波的特性、变电所无功动态补偿装置的补偿效果等资料，经分析得出一些结论。本文简要介绍CRH2型动车组、HXD3型电力机车的谐波特性及其对牵引供电系统、动车组运行的影响，针对运行中出现的故障研究采取的技术措施。

1 谐波特性

（1）电铁系统中奇次谐波含量，如图1、图2所示，其中3，5，7次谐波为含量较多的谐波，交直交牵引如CRH2动车组、HXD3型电力机车，在17～21、41～51次区域谐波明显存在。

图1 南翔牵引变电所27.5 kV a相谐波电压图

图2 南翔牵引变电所27.5 kV b相谐波电压图

（2）南翔牵引变电所所用变压器（27.5 kV逆斯科特变压器）输出电压、电流谐波含量较大，如图3、图4所示。

图3 南翔所用变压器输出电压谐波图

图4 南翔所用变压器电流谐波图

2 避雷器爆炸与电压跳闸原因与改进措施

2.1 客运专线接触网避雷器爆炸分析

2008年12月，在合宁客运专线龙城牵引变电所越区供电至合武客运专线长安集变电所状态下，供电距离约51 km，某CRH2型动车组位于供电臂中部运行（合肥站附近）时先后造成7次接触网避雷器爆炸事件。其中1次测试结果表明：供电臂中部的三十里铺 AT所兼分区所，2#AT吸上电流中17次谐波电流明显放大，引起谐振过电压导致避雷器爆炸。动车组通过调整牵引变流器工作状态获得不同的功率和速度，即变频调速控制。当接触网阻抗参数同动车组匹配造成了谐波电流放大时，放大了的谐波电流引起电压畸变，畸变的电压进一步使动车组或机车谐波电流增大，这样，就形成了一个类似于正反馈的互相激励过程，很快使接触网形成谐振过电压，引起设备烧损。

2.2 变电所过电压跳闸分析

合武线牵引变电所2009年4月16日、4月27日、5月9日、5月10日等7次发生牵引变电所主变压器低压侧过电压保护跳闸，跳闸时供电臂内均有CRH2型动车组在运行。过电压保护跳闸时综合自动化装置系统捕捉的谐波过电压波形如图 5所示，2009年5月9日13时35分，六安变电所低压侧α相过压保护动作时的主变压器故障录波图。

图5 变电所低压侧过压保护动作的主变压器故障录波图

图6为D5478次、D5484次（CRH2-114B）运行时因21次谐波电流放大引起长安集牵引变电所母线电压升高而跳闸的谐波测试图。

图6 跳闸时的母线电压突变曲线图

对 7次跳闸的分析表明，因动车组运行时的17次谐波或19次谐波或21次谐波产生谐振电压，引起变电所母线电压高于设定的整定值而跳闸，造成上下行接触网全部停电，同时动车组频繁报变流器故障，其中有一次造成动车组上的避雷器绝缘击穿，牵引变流器退出运行。

2.3 在动车组上采取的改进措施

经分析判断动车组产生的谐波是谐振源后，由上海铁路局机务处和车辆处、铁道科学研究院、青岛四方机车车辆有限公司、日本日立公司等单位组成了试验小组，到合武线经常跳闸处所进行了过电压和谐波问题专项攻关，测得相关数据，采取相应措施后成效明显。

具体采取的措施是：将试验对象 CRH2-115B动车组的牵引变流器ROM（程序芯片）更换为四象限整流电流控制增益为0.5的新ROM后（原控制增益为 1），问题得到解决。更换后进行了非载客、载客试验，试验条件包括正常供电和越区供电2种方式，经过试验表明更换牵引变流器ROM后，效果较好，无网压谐振等现象。日前，厂家已将这项技术推广应用到该厂的所有动车组上，改进后没有再发生故障与跳闸。

3 交直流屏烧损原因与改进措施

3.1 交直流屏烧损原因

交直流屏充电模块的输入端为桥式整流部分，对谐波电压抑制功能较差，完全靠母线电解电容来承受。整流模块工作时自身会产生较大的电流畸变，这个畸变电流在流经电网时又会额外地产生新的谐波电压，反过来作用于模块输入，进一步影响了模块工作。传统的交直流屏交流电源进线处针对3，5，7次谐波而设置了滤波装置，已不适用于交直交动车组产生的高次谐波（15～51次谐波），高次谐波电压直接叠加在交流屏的元器件上，整流模块上的电容因长时间在过电压状态下运行而烧损，进而导致整个整流模块烧损。

3.2 对交直流屏采取的改进措施

一是更换交流侧电容器，提高其额定电压值，该方法简单易行，能保证短期效果。二是在交流屏上设置有源滤波回路，有针对性地对交流电源进线高次谐波进行滤除，彻底有效地改善电源质量。具体作法是：

（1）将交直流屏母线电解电容器更换成额定电压更高的电容器。常规交直流屏的母线电解电容直接承受来自电网的各种冲击，包括电压应力和温度应力。原电解电容设计额定工作电压为400 V，耐温为85°。通过提高电解电容额定电压（450 V）及温度（105°），其所承受的各种应力相对变小，从而延长了电解电容的使用寿命。

（2）在交直流屏上设置有源滤波器（PFC）。有源滤波器是新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路 2个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动功率模块生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。另外，经 PFC的处理，模块从电网摄取的电流是纯正弦波，流经电网时不会额外地产生各高次谐波电压。

以上对交直流屏的技术改进经京沪线南翔、昆山变电所近一年的试运行，结果表明新的模块能够适应在牵引供电系统交直交牵引负荷的工作环境，改进效果良好。

4 结束语

交直交动车组、大功率电力机车上线运行后，出现牵引变电所亭设备烧损、过电压跳闸、接触网避雷器爆炸、动车组变流器故障等问题，经测试分析均与其产生的谐波有关，采取针对性措施可以解决这个问题。