周福林，朱 鵬，李顯榮，陶亮金，王長(zhǎng)春，許四喜

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電氣化鐵路低壓配電系統(tǒng)高次諧波抑制技術(shù)

周福林，朱 鵬，李顯榮，陶亮金，王長(zhǎng)春，許四喜

通過(guò)分析牽引網(wǎng)高次諧波對(duì)牽引變電所低壓配電系統(tǒng)的滲透特性，提出了適用于牽引變電所低壓配電系統(tǒng)的Y型二階高通濾波器和阻波高通濾波器濾波方案，研制了Y型阻波高通濾波器濾波裝置和二階高通濾波器裝置，并安裝運(yùn)行于曾因諧波導(dǎo)致用電設(shè)備燒損的牽引變電所中。經(jīng)工程應(yīng)用測(cè)試，該濾波裝置濾波效果良好，有效濾除了高次諧波，改善了低壓配電系統(tǒng)供電質(zhì)量，徹底解決了因諧波導(dǎo)致用電設(shè)備燒損的問(wèn)題。

高次諧波；低壓配電系統(tǒng)；二階高通濾波器；阻波高通濾波器

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)電氣化鐵路發(fā)展迅速，基于IGBT、IGCT等全控型器件的交直交型電力機(jī)車以啟動(dòng)快、牽引負(fù)荷大、功率因數(shù)高、諧波含量低等優(yōu)勢(shì)在電氣化鐵路中得到廣泛應(yīng)用，逐漸取代了交直電力機(jī)車而成為主流運(yùn)載車輛。交直交型電力機(jī)車采用單相調(diào)制技術(shù)PWM（Pulse Width Modulation），降低了3次和5次等低次諧波含量，但開(kāi)關(guān)頻率附近的高次諧波含量有所增加[3，4]。當(dāng)機(jī)車產(chǎn)生的高次諧波頻率與牽引供電系統(tǒng)的自然諧振頻率相等或接近時(shí)，將激發(fā)該網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)諧振和諧波放大[4]。牽引供電系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的電氣耦合系統(tǒng)，電力機(jī)車、牽引網(wǎng)、外部公共電網(wǎng)和牽引變電所低壓配電系統(tǒng)都存在直接或間接的電氣耦合關(guān)系，牽引網(wǎng)中的高次諧波必然會(huì)經(jīng)過(guò)所用變壓器滲透到低壓三相系統(tǒng)中，影響低壓三相系統(tǒng)的供電質(zhì)量，在某些線路上曾出現(xiàn)多起因高次諧波含量過(guò)高造成所內(nèi)用電設(shè)備燒損的事件。因此，本文首先分析牽引網(wǎng)高次諧波對(duì)牽引變電所低壓配電系統(tǒng)的滲透特性，并提出適用于牽引變電所低壓配電系統(tǒng)的Y型二階高通濾波器和阻波高通濾波器濾波方案，同時(shí)研制了一套Y型阻波高通濾波器濾波裝置，驗(yàn)證了濾波方案的有效性。直接供電方式下?tīng)恳╇娤到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。

圖1 直接供電方式牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 高次諧波對(duì)低壓系統(tǒng)的滲透特性

一般牽引變電所所內(nèi)用電設(shè)備由2路三相進(jìn)線供電，一路通過(guò)所內(nèi)兩相-三相變壓器從牽引網(wǎng)兩相降壓獲得，一路從公共電網(wǎng)三相10 kV降壓獲得，2路互為備用。牽引網(wǎng)的高次諧波可通過(guò)所內(nèi)兩相-三相變壓器滲透到低壓牽引配電三相系統(tǒng)中。常見(jiàn)的所用兩相-三相變壓器有逆Scott變壓器、逆YNd11變壓器等。

以逆Scott變壓器為例進(jìn)行分析。逆Scott變壓器將牽引網(wǎng)兩相正交電壓（27.5 kV）轉(zhuǎn)換成三相對(duì)稱電壓（380 V），結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中水平放置的變壓器稱為M變壓器，垂直放置的變壓器稱為T(mén)變壓器[6，7]。

圖2 逆Scott變壓器結(jié)構(gòu)

牽引變壓器兩相電壓可視為逆Scott變壓器的電源，逆Scott變壓器將牽引變壓器兩相正交電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿鄬?duì)稱電壓，在不考慮變壓器勵(lì)磁阻抗影響的情況下，低壓三相諧波電壓與牽引網(wǎng)兩相諧波電壓關(guān)系為[6]

由式（1）可知，牽引網(wǎng)中諧波電壓可通過(guò)逆Scott變壓器滲透到低壓三相系統(tǒng)中，如果牽引網(wǎng)諧波含量較高，會(huì)造成低壓三相系統(tǒng)諧波含量激增，威脅低壓三相系統(tǒng)中用電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 高次諧波抑制方案

由于現(xiàn)階段引起牽引供電系統(tǒng)電壓畸變的主要因素為高次諧波分量，因此對(duì)諧波的治理應(yīng)重點(diǎn)放在高次諧波上。針對(duì)牽引變電所低壓配電系統(tǒng)中的高次諧波，本文提出適用于牽引變電所低壓配電系統(tǒng)的Y型二階高通濾波器和阻波高通濾波器濾波方案，以消除高次諧波危害。

2.1 二階高通濾波器

二階高通濾波器由電阻器R和電抗器L并聯(lián)后與電容器C串聯(lián)構(gòu)成[2]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 二階高通濾波器結(jié)構(gòu)

二階高通濾波器的阻抗為

二階高通濾波器的阻抗頻率特性曲線見(jiàn)圖4。

圖4 二階高通濾波器阻抗頻率特性曲線

由式（2）和圖4可知：當(dāng)角頻率時(shí)，()=，隨著頻率的增大，二階高通濾波器的阻抗與其電阻同數(shù)量級(jí)；當(dāng)較小時(shí)，在高頻下呈現(xiàn)低阻抗，為高次諧波提供通路，濾除高次諧波。

2.2 阻波高通濾波器

阻波高通濾波器由電容器C和電抗器L并聯(lián)后與電阻器R串聯(lián)構(gòu)成[6，9]，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

阻波高通濾波器的阻抗為

阻波高通濾波器阻抗頻率特性曲線見(jiàn)圖6。

圖6 阻波高通濾波器阻抗頻率特性曲線

由式（3）和圖6可知：0= 50 Hz時(shí)，角頻率為0，電容器與電抗器發(fā)生并聯(lián)諧振，即01(0)，1020，則(0)，即在工頻電壓下，可認(rèn)為阻波高通濾波器為開(kāi)路狀態(tài)，無(wú)工頻電流流過(guò)，對(duì)外不交換無(wú)功功率，不消耗有功功率，具有阻波特性；隨著增大，()迅速減小，高頻下呈現(xiàn)低阻抗，為高次諧波提供通路，濾除高次諧波。

2.3 低壓配電系統(tǒng)高次諧波濾波方案

將3個(gè)單相二階高通濾波器或阻波高通濾波器按Y型接法連接，構(gòu)成三相Y型高通濾波器，應(yīng)用到牽引變電所低壓三相系統(tǒng)中，如圖7所示。

圖7 三相Y型高通濾波器濾波結(jié)構(gòu)

圖中，所用降壓變壓器為逆Scott變壓器，Y型阻波高通濾波器（Fa、Fb、Fc）接于牽引變電所逆Scott變壓器低壓側(cè)a、b、c、o端子，即a、b、c三相，額定線電壓為220 V，與所內(nèi)用電設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行。牽引網(wǎng)中通過(guò)逆Scott變壓器滲透到低壓三相側(cè)的高次諧波可被三相Y型高通濾波器濾除。

3 工程應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證三相Y型高通濾波器濾波方案的可行性和有效性，針對(duì)三相Y型阻波高通濾波器和二階高通濾波器濾波方案，研制了工程試驗(yàn)裝置。目前，該裝置已在南昌鐵路局、成都鐵路局、太原鐵路局等所管轄線路安裝運(yùn)行近2年，在普速鐵路、重載鐵路、客運(yùn)專線、高速鐵路上分別得到了檢驗(yàn)和驗(yàn)證，運(yùn)行可靠，證明該濾波方案可行，具有工程實(shí)用價(jià)值。

以Y型阻波高通濾波器為例，其工程試驗(yàn)裝置正面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示。采用BDC-5型電能質(zhì)量測(cè)試儀在濾波器投入前后對(duì)所內(nèi)三相電壓進(jìn)行測(cè)試，分析該裝置在長(zhǎng)期運(yùn)行情況下對(duì)牽引變電所低壓配電系統(tǒng)三相電壓的改善作用，根據(jù)國(guó)標(biāo)要求，每3 s記錄1個(gè)點(diǎn)，每24 h共記錄28 800個(gè)點(diǎn)。

圖8 Y型阻波高通濾波器工程試驗(yàn)裝置

對(duì)比分析濾波器投入前后三相電壓的總諧波畸變率如圖9所示，濾波器投入前后三相電壓諧波畸變率最大值和95%概率值如表1所示。

圖9 濾波前后三相電壓總諧波畸變率

表1 濾波前后三相電壓總諧波畸變率（THD） %

由圖9和表1可以看出，濾波前所用三相電壓畸變嚴(yán)重，總諧波畸變率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)標(biāo)限值，a相電壓畸變率最高，最大值為28.62%，95%概率大值達(dá)到了13.98%。濾波器投入后，三相電壓總諧波畸變率最大值和95%概率大值均大幅降低，電能質(zhì)量得到顯著改善。

對(duì)比分析濾波器投入前后三相各次諧波電壓含有率如圖10所示，濾波器投入前后三相主要次諧波電壓含有率如表2所示。

圖10 380 V側(cè)三相電壓各次諧波含有率

由圖10和表2可知，造成三相電壓畸變的主要諧波為31～41頻段的高次諧波，Y型阻波高通濾波器投入后，高次諧波基本全部濾除，驗(yàn)證了Y型阻波高通濾波器的濾波特性。

表2 380 V側(cè)三相電壓主要次諧波含有率 %

上述分析表明，研制的三相Y型阻波高通濾波器在長(zhǎng)期運(yùn)行情況下，能夠有效濾除牽引變電所低壓系統(tǒng)的高次諧波分量，保證所內(nèi)用電設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了牽引網(wǎng)高次諧波對(duì)牽引變電所低壓配電系統(tǒng)的滲透特性，并提出適用于牽引變電所低壓配電系統(tǒng)的Y型二階高通濾波器和阻波高通濾波器濾波方案，同時(shí)研制了三相Y型阻波高通濾波器和二階高通濾波器濾波裝置，驗(yàn)證了濾波方案的有效性。通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，可以得到：

（1）牽引網(wǎng)中的高次諧波電壓可通過(guò)所用逆Scott變壓器滲透到低壓三相系統(tǒng)中，威脅低壓三相系統(tǒng)中用電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）二階高通濾波器和阻波高通濾波器均可為高次諧波提供通路，可有效濾除高次諧波；阻波高通濾波器具有在工頻電壓下，對(duì)外不交換無(wú)功功率，不消耗有功功率等優(yōu)點(diǎn)。

（3）研制的三相Y型阻波高通濾波器和二階高通濾波器經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行驗(yàn)證，可有效濾除低壓系統(tǒng)的3～100次范圍的高次諧波分量，適用于現(xiàn)有國(guó)內(nèi)所有車型的諧波治理，克服了單調(diào)諧濾波、LCL濾波方案僅能濾除一定頻率范圍內(nèi)諧波的缺陷。

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This paper puts forward the scheme of filtering by Y type second order high pass filter and wave-trap high pass filter adaptable to the low voltage distribution system for traction substation on the basis of analyzing the characteristics of high order harmonics of traction network permeated to the low voltage distribution system of traction substation. Y type wave-trap high pass filtering and second order high pass filtering devices were developed, installed and operated in the traction substation which was failed due to burning of power consumption equipment caused by the harmonics. The engineering application of the filter shows that it functions properly, eliminates the harmonics effectively, improves the power supply quality of low voltage distribution system, and solves completely the burning of power consumption equipment induced by the harmonics.

High order harmonics; low-voltage distribution system; second-order high-pass filter; wave-trap high-pass filter

U223.5

A

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.001

1007-936X(2018)01-0001-04

2017-04-24

周福林.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，講師，博士，研究方向?yàn)檐嚲W(wǎng)電氣耦合、電能質(zhì)量分析與控制等；

朱 鵬.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生；

李顯榮，陶亮金.中國(guó)鐵路南昌局集團(tuán)有限公司，工程師；

王長(zhǎng)春，許四喜.成都瑞爾維軌道交通技術(shù)有限公司，工程師。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2682014RC07）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資金支持（2016YFB1200401-102H）。