摘要：目前國(guó)內(nèi)的電力機(jī)車(chē)主要有直流電力機(jī)車(chē)和交流電力機(jī)車(chē)，交流電力機(jī)車(chē)的網(wǎng)側(cè)諧波特性與直流電力機(jī)車(chē)有著明顯不同。2014年，蘭州鐵路局銀川供電段管轄范圍內(nèi)交流電力機(jī)車(chē)HXD系列機(jī)車(chē)陸續(xù)上線運(yùn)行，由于諧波特性的不同，既有牽引供電系統(tǒng)高頻諧振、直流屏充電模塊燒損等問(wèn)題凸顯。文章對(duì)交流電力機(jī)車(chē)諧波特性及治理進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：諧波特性；諧波治理；交流電力機(jī)車(chē)；直流電力機(jī)車(chē)；HXD系列機(jī)車(chē) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：U264 文章編號(hào)：1009-2374（2016）09-0072-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.034

1 諧波的概念

諧波是電氣量頻率為基波整數(shù)倍的正弦波分量。對(duì)于我國(guó)使用的50Hz電源來(lái)說(shuō)基波為50Hz，三次諧波為150Hz，5次諧波為250Hz，以此類(lèi)推。產(chǎn)生諧波的主要原因是正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變。主要非線性負(fù)載有整流裝置、逆變裝置、斬波裝置、變頻裝置、開(kāi)關(guān)電源等。直流電力機(jī)車(chē)中的整流裝置，交流電力機(jī)車(chē)中的整流、逆變裝置，牽引變電所直流屏充電模塊均可產(chǎn)生諧波。

2 HXD型電力機(jī)車(chē)簡(jiǎn)介

HXD系列電力機(jī)車(chē)是南車(chē)集團(tuán)和北車(chē)集團(tuán)與國(guó)外企業(yè)合作，引進(jìn)消化技術(shù)并國(guó)產(chǎn)化的新一代交流電力機(jī)車(chē)，設(shè)計(jì)最高時(shí)速均為120km/h。HXD系列電力機(jī)車(chē)主電路由受電弓、主斷路器、變壓器、整流器、逆變器及輔助變流器等組成。受電弓完成從交流牽引網(wǎng)到機(jī)車(chē)的高速受流；主斷路器接通斷開(kāi)25kV主回路，并具備機(jī)車(chē)過(guò)載、短路、接地等保護(hù)功能；變壓器完成高低電壓轉(zhuǎn)換、電氣隔離，同時(shí)還集成了變流器電感和二次諧波濾波電感；牽引整流器將變壓器次變電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓提供給逆變器，同時(shí)保證次邊電流與電壓相位相同或相反；牽引逆變器完成對(duì)交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制；輔助變流器提供通風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、各種泵、空調(diào)、加熱器、蓄電池充電機(jī)、冰箱、計(jì)算機(jī)等輔助設(shè)備電源。

HXD系列電力機(jī)車(chē)牽引整流器和牽引逆變器均采用四象限變流及PWM技術(shù)，所以牽引整流器和牽引逆變器也被稱(chēng)為四象限變流器或PWM變流器。四象限變流器采用單相全橋電路，可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)并保證網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)近似為1。設(shè)四象限變流器的開(kāi)關(guān)頻率為f，采用單極性調(diào)制策略，則從變流器交流側(cè)輸入電流（牽引網(wǎng)電流）諧波特性分析來(lái)看可視等效開(kāi)關(guān)頻率為2倍的f。機(jī)車(chē)容量較大，無(wú)法采用單個(gè)四象限變流器實(shí)現(xiàn)該容量的能量變換，通常采用基于機(jī)車(chē)變壓器的多重化策略，一方面實(shí)現(xiàn)容量拓展；另一方面實(shí)現(xiàn)諧波優(yōu)化。若機(jī)車(chē)采用n重四象限變流器，則等效開(kāi)關(guān)頻率為2nf。

3 HXD型電力機(jī)車(chē)諧波特征

第一，等效開(kāi)關(guān)頻率為2nf的機(jī)車(chē)變壓器原邊電流（牽引網(wǎng)電流）主要諧波邊帶集中在2nf±1、2nf±3等區(qū)段，低次諧波基本被抵消，從而實(shí)現(xiàn)諧波優(yōu)化。HXD型電力機(jī)車(chē)上線運(yùn)行后，牽引網(wǎng)電流中的3、5、7次等低次諧波含量顯著減少，但諧波頻譜變寬，通常在1～10kHz范圍都存在可測(cè)諧波電流。

第二，HXD機(jī)車(chē)牽引電流諧波畸變率隨著負(fù)載增大而減少。當(dāng)機(jī)車(chē)處于滿(mǎn)載時(shí)，電流諧波畸變率值較小，通常小于5%，但當(dāng)機(jī)車(chē)處于輕載或空載時(shí)，電流諧波畸變率值達(dá)到最大，這時(shí)甚至超過(guò)100%，也就是說(shuō)基波電流小于諧波電流。諧波畸變率是表征電壓或電流諧波含量的參數(shù)，其定義為各次諧波含量的方均根值與其基波分量的方均根值之比（用百分?jǐn)?shù)表示）。

第三，HXD機(jī)車(chē)網(wǎng)側(cè)變流器的開(kāi)關(guān)頻率越高，主要諧波次數(shù)越高，且諧波總量也越少，但變流器開(kāi)關(guān)頻率還受器件損耗和散熱條件限制。HXD機(jī)車(chē)網(wǎng)側(cè)變流器重?cái)?shù)越多，則等效開(kāi)關(guān)頻率越高，低次諧波通過(guò)變壓器磁路相互抵消，主要諧波次數(shù)往高次上移，而諧波總量縮小。網(wǎng)側(cè)變流器交流側(cè)輸入電感越大，牽引電流主要諧波次數(shù)不變，但諧波總量變少，但輸入電感還受變流器容量和制造工藝和體積限制。

4 牽引網(wǎng)諧波傳遞特性

任何含有電感、電容元件的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)都存在諧振點(diǎn)，從機(jī)車(chē)往牽引變電所看，牽引網(wǎng)可以視為一個(gè)包含電感和電容元件的復(fù)雜無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，任何牽引網(wǎng)均存在多個(gè)串聯(lián)諧振點(diǎn)和多個(gè)并聯(lián)諧振點(diǎn)，但存在諧振點(diǎn)并不一定發(fā)生諧振，是否引發(fā)諧振取決于諧波源向該網(wǎng)絡(luò)中注入的諧波頻率是否恰好滿(mǎn)足該網(wǎng)絡(luò)發(fā)生諧振所需的條件。當(dāng)諧波源注入系統(tǒng)的諧波頻率等于網(wǎng)絡(luò)諧振頻率或兩者接近時(shí)，便會(huì)激勵(lì)該網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生諧波諧振。直流機(jī)車(chē)產(chǎn)生的諧波多為3、5、7次諧波，而牽引網(wǎng)諧振頻率通常高于500Hz，因此直流機(jī)車(chē)運(yùn)用多年并未發(fā)生高頻諧振現(xiàn)象。

各臺(tái)機(jī)車(chē)牽引電流諧波的相位差與交流機(jī)車(chē)彼此之間的距離、牽引網(wǎng)分布參數(shù)、交流機(jī)車(chē)牽引電流的大小相關(guān)是一個(gè)不斷變化的時(shí)變系統(tǒng)。同一供電臂下各臺(tái)機(jī)車(chē)的牽引電流高次諧波，隨著機(jī)車(chē)之間相位差變化，可能產(chǎn)生相互線性疊加、矢量疊加以及抵消等關(guān)系。當(dāng)多臺(tái)交流機(jī)車(chē)彼此之間距離很短且均工作于小電流工況時(shí)，可以認(rèn)為各臺(tái)機(jī)車(chē)牽引網(wǎng)電壓相同，牽引電流諧波的相位差為零，各臺(tái)機(jī)車(chē)牽引網(wǎng)電流的諧波將只會(huì)相互線性疊加，而不會(huì)出現(xiàn)抵消，所以在交流機(jī)車(chē)集中使用區(qū)段特別是小電流使用區(qū)段，高次諧波影響凸顯。尤其是較大的戰(zhàn)場(chǎng)，如平?jīng)瞿弦蛑C振經(jīng)常造成變電所饋線跳閘。諧波影響還與系統(tǒng)容量有著密切關(guān)系，比如同樣是較大戰(zhàn)場(chǎng)的迎水橋，卻受交流機(jī)車(chē)諧波影響較少，原因在于迎水橋牽引變電所所在系統(tǒng)容量大，抗諧波干擾能力強(qiáng)。

5 牽引網(wǎng)諧波危害

第一，牽引網(wǎng)自身存在一定的諧振點(diǎn)，當(dāng)交流機(jī)車(chē)產(chǎn)生的諧波頻率與牽引網(wǎng)諧振頻率相等或接近且幅值足夠大或者說(shuō)阻尼電阻足夠小，該頻率的電壓被放大，超過(guò)設(shè)備所容許的電壓范圍，擊穿設(shè)備絕緣或放電間隙引起跳閘。2014年銀川供電段管內(nèi)變電所因機(jī)車(chē)設(shè)備絕緣擊穿或放電間隙燒傷原因造成的跳閘共計(jì)107件，多數(shù)跳閘發(fā)生在供電臂末端和較大戰(zhàn)場(chǎng)所在處。

第二，當(dāng)同一供電臂下存在多臺(tái)輕載交流機(jī)車(chē)同時(shí)工作時(shí)，牽引網(wǎng)電壓當(dāng)中可能出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，導(dǎo)致交流機(jī)車(chē)牽引力急劇下降，牽引負(fù)荷急劇增加，造成饋線過(guò)負(fù)荷跳閘。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2014年銀川供電段管內(nèi)變電所因饋線過(guò)負(fù)荷造成的跳閘共計(jì)23件。

第三，高頻諧振燒毀牽引變電所直流屏充電模塊，燒毀接觸網(wǎng)避雷器。僅2014年銀川供電段管內(nèi)變電所牽引變電所直流屏充電模塊共計(jì)燒損15塊，對(duì)安全供電產(chǎn)生了極大威脅。

6 牽引網(wǎng)諧波治理初探

第一，交流機(jī)車(chē)網(wǎng)側(cè)變流器設(shè)計(jì)時(shí)，等效開(kāi)關(guān)頻率不宜超過(guò)5000Hz（100次），如果牽引電流主要諧波頻段在100次以上，可能導(dǎo)致輻射干擾現(xiàn)象，加大諧波處理難度，另外，開(kāi)關(guān)頻率提高還使得整車(chē)損耗增大，效率降低。

第二，通過(guò)修改交流機(jī)車(chē)控制軟件，在車(chē)載變壓器原邊串接電抗器或并接RC支路，合理調(diào)度交流機(jī)車(chē)適當(dāng)分散使用等措施減少交流機(jī)車(chē)注入牽引網(wǎng)的諧波量。

第三，分線路應(yīng)對(duì)優(yōu)化牽引網(wǎng)對(duì)諧波的抑制。對(duì)于純直流機(jī)車(chē)運(yùn)營(yíng)線路采用靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC加濾波電容FC補(bǔ)償方案達(dá)到提升功率因數(shù)需求；對(duì)交直流機(jī)車(chē)混用線路采用靜止型無(wú)功發(fā)生裝置SVG（或有源電力濾波器APF）加高通濾波器HPF補(bǔ)償方案既對(duì)無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償又可以有效治理高次諧波。對(duì)于純交流機(jī)車(chē)運(yùn)營(yíng)線路采用有源電力濾波器APF）加高通濾波器HPF治理方案可滿(mǎn)足小容量無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理的需求。

7 結(jié)語(yǔ)

優(yōu)點(diǎn)眾多的交流電力機(jī)車(chē)的投運(yùn)是對(duì)鐵路運(yùn)輸能力的一次提升，但同樣也是對(duì)牽引供電設(shè)備的一次考驗(yàn)，需要供電系統(tǒng)密切關(guān)注，注意加強(qiáng)數(shù)據(jù)監(jiān)控和分析，并積極主動(dòng)尋求與機(jī)務(wù)等系統(tǒng)溝通和聯(lián)系，借鑒其他兄弟單位的經(jīng)驗(yàn)。只有這樣才能與時(shí)俱進(jìn)，提高設(shè)備質(zhì)量，才能確保安全、優(yōu)質(zhì)供電。

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作者簡(jiǎn)介：孫中波（1983-），男，甘肅蘭州人，蘭州鐵路局銀川供電段助理工程師，研究方向：鐵道供電。

（責(zé)任編輯：王 波）