重载铁路高次谐波谐振问题探索研究.docx

          重载铁路高次谐波谐振问题探索研究                    摘要：本文针对迁曹线频繁发生谐振过电压，造成接触网避雷器、SS4机车开关柜吸收电阻烧损，HXD2型电力机车避雷器击穿、HXD1型电力机车主断路器跳闸、主逆封锁等严重影响正常运输秩序的问题，进行了研究主要是对迁曹线供电质量，HXD1、HXD2型电力机车的电气特性，SS4机车RC支路特性和避雷器在谐波作用下的特性进行了研究，通过研究找到了迁曹线谐振过电压、SS4机车开关柜吸收电阻烧损和避雷器烧损、炸裂的原因，制定了针对性的解决方案通过实施，降低了接触网高次谐波含量，解决了迁曹线谐振过电压和SS4机车开关柜吸收电阻烧损的问题，同时也为今后牵引供电系统预防和治理高次谐波谐振提供一种思路关键词：重载铁路 高次谐波谐振 谐振源 谐波抑制 电路模型 谐振分析 探索1前言随着重载铁路技术的不断发展，HXD型机车因其功率因数高（可以达到0.99以上），工作效率高，越来越受到重用，成为了重载铁路主要牵引车型而随着HXD型机车不断投入使用，接触网电压波动也越来越严重我段管内迁曹线、大同站、五寨站多次发生谐振过电压，烧损北京局管内和我局管内接触网避雷器多台，更严重的是造成多台SS4型电力机车车顶的功补柜上部压敏电阻过热烧损，和谐1、和谐2型电力机车主断路器闭锁保护频繁启动，严重影响正常运输秩序。

因此急需对谐振源以及谐振对供电设备的危害进行研究2高次谐波谐振产生的原因2.1 理论分析简化谐振频率公式对于铁路供电系统来说，式中f为牵引网的谐振频率;L为变电所变压器等电气的等值电感可等效为电感L；C为沿线路分布的牵引网存在的分布电容可等效分布电容2.2运用简化电路模型推导从机车处看牵引网阻抗为Z，沿线路分布的牵引网存在的分布电容可等效为分布电容C，变电所变压器等电气的等值电感可等效为电感L，则等效简化电路模型如图1所示图1 简化电路模型图中D为供电臂长度；X为变电所到机车所在位置的距离；由简化电路模型可知牵引网阻抗Z，从变电所至供电臂末端，每一处的阻抗值均不同，且供电臂越长，总并联电容越大根据简化谐振频率公式 可知：1）供电臂越长，总并联电容越大，牵引网谐振频率越低2）重载铁路谐振本质上是牵引网分布电容与变电所等值电感的并联谐振，产生较高谐波过电压3）谐振频率由其自身电气参数和变压器及以外部电力系统阻抗频率特性决定2.3和谐机车再生制动产生谐波电流的原理分析牵引时和谐机车通过车载的主变压器将单相25 kV的接触网电压降低到一定值（950V），然后经过整流、逆变，转换为三相交流电，提供给三相异步牵引电动机。

工作原理图如图2所示图2 和谐号电力机车工作原理图和谐号电力机车再生制动时，四象限整流器工作在逆变状态，其输出电压含有正弦信号的矩形调制波，输出电流为正弦锯齿波，如图5所示图5 四象限整流器的电流、电压波形图通过理论研究、分析，认为和谐机车在运行中再生制动产生的谐波电流与正常负荷电流叠加后产生电流源性的谐振过电压3重载铁路车网电气特性现场测试为分析谐振产生的原因及谐振对供电设备的危害面，组织对重载铁路车网电气特性进行了测试3.1测试方案3.1.1地面测试在唐海牵引变电所、曹北开闭所、曹西牵引变电所母线压互二次侧安装电压谐波监测装置，对唐海牵引变电所、曹北开闭所、曹西牵引变电所各供电臂电压波形及谐波含量进行测试3.1.2机车特性测试因大秦线、迁曹线主流牵引机车为和谐1、和谐2型电力机车，故选择对该两种类型电力机车的特性进行测试测试选择和谐1、和谐2型电力机车各一台，组成万吨列车按日常运行速度由湖东站发车运行至曹西站在所选电力机车上安装谐波监测装置，以对牵引、制动和惰性等各工况下电压、电流波形及谐波含量进行测试3.1.3 SS4型电力机车RC支路测试主要测试SS4型电力机车RC支路电压、电流波形及谐波含量以及运行一段时间后的电阻的温度。

SS4试验车从大同湖东机务段出发，途中停靠茶坞站、京唐港站、滦南站，到达曹妃甸首钢工业站整个运输过程中监测RC支路的电压、电流波形及谐波含量等电气参数，当机车运行到唐海至工业站区间，记录了RC支路中电阻的温度参数3.2现场测试3.2.1地面测试3.2.1.1地面测试地点：唐海牵引变电所、曹北开闭所、曹西牵引变电所测试地点示意图如图6所示图6 测试地点示意图3.2.1.2地面测试内容：供电臂供电电压波形及谐波含量3.2.1.3测试结果（1）唐海-曹北-曹南供电臂供电电压存在谐波畸变，主要含有15~21次谐波，最大谐波次数19次，在首端唐海变电所谐波有效值达到2kV，在供电臂中间曹北位置达到4kV2）曹西-曹北供电臂电压质量良好，无明显谐波畸变，但电压有效值偏高（可达29kV）典型电压波形及谐波含量如图8所示3）曹西-曹西站场供电臂供电电压有较小的谐波畸变，主要有15~27次谐波，其中最大的21次谐波有效值可达1kV水平3.2.2机车特性测试3.2.2.1测试机车类型与测试内容：测试机车类型：和谐1、和谐2型电力机车测试内容：各工况下波形及谐波含量3.2.2.2测试结果（1）HXD1和HXD2在功率较大时功率因数都很高，2MW时分别为0.981和0.979；在功率较小时，HXD1的功率因数发挥要明显高于HXD2，在0.2MW时，HXD1已经能达到0.868，但HXD2只有0.506。

2）HXD1网侧电流谐波特性较好；HXD2网侧谐波电流特性相对较差，没有谐波影响时，机车发出相对较大的19～25次谐波电流这些谐波电流有效值较为稳定，不会随着机车功率发挥而有较大变化，其中21以此谐波含量最大，可达6 A以上，如表1所示功率HXD1谐波电流HXD2谐波电流2 MWHRI3 = 3.59 AHRI19 = 2.62 A，HRI21 = 6.02 AHRI23 = 4.46 A，HRI25 = 2.82 A3 MWHRI3 = 3.71 AHRI19 = 2.85 A，HRI21 = 6.21 AHRI23 = 4.68 A，HRI25 = 2.98 A4 MWHRI3 = 3.27 AHRI19 = 2.61 A，HRI21 = 6.37 AHRI23 = 4.88 A，HRI25 = 2.77 A表1 HXD1、HXD2网侧谐波电流 （3）HXD1、HXD2电力机车在牵引工况下，电流谐波特性正常，谐波含量较少，而在制动工况和惰行工况下，谐波电流特性相对较差，谐波含量较多3.2.3 SS4型电力机车RC支路测试3.2.3.1测试内容：SS4型电力机车的网压、网流、RC支路的电压、电流波形及谐波含量等，当机车停靠工业站后，测试RC支路中电阻的温度。

3.2.3.2测试结果（1）列车进入唐海变电站的曹北供电臂，网压中开始出现17、19、21次谐波，接触网电压、电流有效值曲线如图24所示图24 唐海至工业站区段网压、网流有效值曲线（2）运行在网压条件较好的大同至茶坞区段， RC支路电流有效值保持在1.8A至4.5A，流经电阻和电容的电流均小于其额定电流而运行在网压畸变较严重的的唐海至工业站区段时RC支路电流绝大多数时间运行在电阻额定电流（19.67A）左右，最大达到了24A左右，已超过了电阻的额定电流3）在列车停靠在工业站车站后，分别检测了A、B两车RC支路电阻的温度，最高电阻温度为150℃通过现场测试、理论研究、分析，认为迁曹线谐振过电压是和谐机车在运行中再生制动产生的谐波电流与正常负荷电流叠加后产生电流源性的谐振过电压而重载铁路谐振多发生在站场枢纽，总架空导线长，谐振频率偏低（例如17、19次）SS4型电力机车开关柜吸收电阻烧损的原因是谐波电压持续作用所产生的热量积聚到一定程度导致电阻过热4应对措施4.1高次谐波抑制对于高频高次谐波，可以利用高次谐波滤波装置通过分析，制定了在曹北分区所兼开闭所增加高次谐波滤波装置的方案，滤出高频高次谐波，从而避免谐波影响供电系统，减少发生谐振和系统故障的几率。

4.2优化SS4机车RC支路4.2.1 理论分析RC电气支路阻抗计算公式如下：由公式可知：RC支路电阻、电容的参数决定了支路不同频率下的阻抗RC电气支路阻抗是随着频率变化而变化的，随着工作频率升高，阻抗中的容抗部分逐渐减小，到10kHz以上，电阻占主导地位也就是说，要想解决电阻过热导致融化的问题，就得适当增大电阻，减小电容4.2.2优化方案对部分SS4型电力机车的RC支路进行改造进行试验通过计算电阻由原先的3.1Ω，改造为12Ω，电容由原先的18μF，改造为6μF2018年6月8日－6月10日对改造后SS4型电力机车进行了测试，测试区段为谐波含量较多的唐海至曹妃甸工业区区段，测试发现不再出现电阻过热导致融化的问题5结束语通过研究和采取了针对性措施，迁曹线高次谐波过电压明显降低，治理效果显著但因本探索分析研究，只是基于对迁曹线部分区段和一台HXD1和一台HXD2进行了测试，测试数据少，不能代表普遍性，仅希望对牵引供电系统谐振及其预防和治理工作提供一个参考下一步建议：（1）积累测试数据，对重载铁路高次谐波谐振进行深化研究；（2）本着“谁污染谁治理”的原则，建议由谐波源产生的部门加强治理，减少电力机车输送到接触网的谐波含量。

源头（电力机车）治理的优点：1）源头治理可减少再生制动反送到接触网的谐波含量，减少谐振过电压现象的发生，避免了接触网零配件受过电压的冲击，延长使用寿命2）可减少再生制动反送到接触网的谐波含量，也减少反送到电力系统的谐波含量，减少污染电力系统3）电力机车电压等级低，元器件体积小，费用低；4）谐波治理功率小，元器件简单联系：13513391860通讯地址：山西省大同市站北街8号大同西供电段2  -全文完-。