城市轨道交通牵引供电系统谐波分析
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【摘 要】城市轨道交通需要依赖供电系统的运行，供电系统连接各种电力设备，在传输电能时会产生谐波，对供电系统产生不良影响，城市轨道交通也必然受到影响。论文针对牵引供电系统高次谐波过电压的影响因素进行分析，提出治理牵引供电系统高次谐波过电压的有效措施。
【Abstract】Urban rail transit needs to rely on the operation of power supply system. Power supply system connected to a variety of power equipment， in the transmission of power will produce harmonics， have a negative influence on the power supply system， and urban rail transit is bound to be affected. This paper analyzes the influencing factors of high order harmonic overvoltage in traction power supply system， and puts forward the effective measures to control the high order harmonic overvoltage in traction power supply system.
【关键词】城市轨道交通;牵引供电系统;谐波
【Keywords】urban rail transit; traction power supply system; harmonics
【中图分类号】U231+.8 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）02-0180-02
1 引言
由于交-直-交电力机车功率因数比较高，而且谐波电流含量低，因此，在交通领域得到青睐。牵引供电系统处于运行状态时，随着高次谐波电流的注入，电压瞬间升高，导致列车停止运行，甚至烧毁车顶安装的避雷器，严重的后果是避雷器爆炸，正常的交通运行秩序受到影响。在对这个问题进行研究的过程中，虽然已经获得了一些成果，但是并没有彻底解决谐波过电压的问题[1]。下面提出一些技术方案，仅供参考。
2 造成牵引供电系统高次谐波过电压的影响因素
当机车被注入了谐波电流之后，电压会瞬间升高而产生过电压，对供电系统上连接的设备造成损坏，甚至会导致机车的运行瘫痪。
电力机车处于运行状态时，在牵引网上的取流点会在机车的运动作用下发生改变，所以，机车受流点观测到的等效电路参数也会有所变化。
机车运行期间，过分降压将会产生励磁涌流，影响机车系统运行的稳定性。
机动电车使用直流电牵引期间，内部通过整流回路控制电流流向，调整晶闸管整流方式以及输出的波形，但是因为交流电的正弦波难以完整吸收，剩余的波形与正弦波对撞，从而影响直流电电压与电流的输出质量。
对直流电的带电能进行直流电与交流电交换工作时，需要在逆变电路中，完成电能量转变工作，但是受到惯性的影响，会产生机械力，使电荷携带电势能。
3 治理牵引供电系统高次谐波过电压的有效措施
正如前面所言，当牵引供电系统中被注入了某些频段的高次谐波电流之后，系统的运行状态就会受到影响。在谐波的干扰下，系统很有可能出现安全问题。所以，要保证牵引供电系统的安全稳定运行，就要对高次谐波采用科学有效的治理措施，从技术层面解决这个问题，具体如下。
3.1 对车上高次谐波过电压问题采取技术策略
从理论角度而言，只要电力机车不向牵引供电系统注入高次谐波电流，就不会出现高次谐波过电压的现象，但交-直-交电力机车采用电力电子装置与牵引网输入交流电的方式相同，如果交-直-交电力机车注入谐波电流且避开了谐波特性阻抗的峰值，那么高次諧波电流的作用就会导致谐波过电压瞬间降低[2]。
电力机车加装滤波器可以有效地降低高次谐波电流水平，为了防止高次谐波电流继续注入牵引供电系统当中，就要采取必要的技术措施。将多重整流技术应用到电力机车上，使得注入牵引供电系统的高次谐波电流水平大大降低，而且高次谐波的频率也会有所降低[3]。但是，牵引供电系统中注入高次谐波电流的问题依然不能彻底解决。由于各个牵引供电系统谐波都有自己的特点，阻抗特性各有不同，就需要具有针对性地采取高次谐波电流抑制措施。
3.2 治理高次谐波的有效方法
论文主要探讨无源高通滤波器，这种设备能够有效地控制牵引供电系统的高次谐波。当无源高通滤波器与牵引变电所的牵引母线采用并联的方式连接，整个牵引供电系统的谐波特性就会呈现出来。在没有安装高通滤波器的情况下，牵引供电系统的等效阻抗最大值可以达到1200Hz，而且模值可以达到3000SZ。将高通滤波器安装到牵引供电系统上，阻抗最大值为900Hz，模值大约为1800SZ。通过安装通滤波器，牵引供电系统在运行的过程中，谐波阻抗特性就会有所改变。第一个改变是谐波阻抗值变小，注入高次谐波电流的过程中，高次谐波电压明显降低;第二个改变是谐波阻抗的频率已经从原有的高频移向低频，可以将电力机车谐波电流产生的频率避开，高次谐波的电压水平会有所降低[4]。 3.3 治理高次谐波过电压的实施方案
牵引供电系统有所不同，被注入谐波电流之后，所呈现出来的谐波特性阻抗也会有所不同，在高次谐波治理方面需要充分考虑参数的差异，具有针对性地制定实施方案进行解决[5]，具体的工作需要采取如下方式：
第一，牵引供电系统并联到高通滤波器上是抑制高次谐波过电压的有效技术措施。在电能供应范围内，机车型号存在差异，运行特性也存在差异，为了做好这方面的工作，就需要对具体的工程数据信息进行收集，主要包括牵引供电系统的运行现状以及谐波处理现状，要对谐波进行有效控制需要采用外接电的方式，测量牵引供电系统的电流传输状态和电压传输状态，并深入分析，将高次谐波的频谱确定下来，还要明确其含量，高通滤波器的形式以及有关的参数确定下来，才能对这个问题进行有效解决[6]。
第二，从理论角度而言，安装滤波器可以对高次谐波过电压起到一定的抑制作用，使得过电压的水平有所降低，对高次谐波也可以起到很好的抑制效果。过滤器的使用过程中，要使其持续稳定地发挥最好的性能，就要做好技术维护工作，定期巡检，还要采取必要的保护措施。安装变电站和变电所的过滤器之后，还要做好调试工作，对其进行技术评估，将过滤器的正确安装位置确定下来，避免由于差异问题导致高次谐波过电压水平提高。
第三，安装滤波器之后就要投入使用，其是牵引供电系统的重要组成部分。高通滤波器在牵引供电系统运行的过程中发挥作用，会产生谐波电流，经过电阻传输到接地系统中[7]。谐波电流经过电阻器的过程中会有很多的热量产生，这就需要对热量进行评估，保证其不会影响到电阻器的正常运行。如果滤波器在使用的过程中有故障发生，就要快速与牵引供电系统之间隔离开，确保不会影响到供电系统。
第四，从当前电气化铁路的运行状态来看，可以监控系统的运行情况，而且是远动化监控。在工程实施的过程中，要充分考虑高次谐波过电压抑制方面的问题，并纳入远动系统中，从宏观的角度进行研究，规避其弊端，使其优势充分发挥出来[8]。
4 结语
通过上面的研究可以明确，通过改变牵引供电系统的高次谐波电流特性和谐波阻抗特性，可以起到高次谐波过电压的抑制作用。在牵引供电系统中安装高通滤波器，需要考虑到轨道交通运行的模式、牵引供电系统情况以及现场的环境和运行维护条件，选择合适的高通滤波器参数以及滤波的形式，完善保护系統配置，监视远动系统的运行状况，可以起到有效的控制作用。牵引供电系统高次谐波过电压抑制工作是非常复杂的，牵引供电系统存在特殊性，如牵引变电所不仅为正线电气化铁路提供电能，还为短线所提供电能，这就需要从工作实际出发进一步研究高次谐波过电压的问题。
【参考文献】
【1】陶海东，胡海涛，朱晓娟，等.车网耦合下的牵引供电系统谐振不稳定机理分析[J].中国电机工程学报，2019，（39）：23-24.
【2】刘秋降，吴命利，张俊骐，等.基于分层控制策略的牵引供电系统谐波阻抗测试装置[J].电工技术学报，2018，33（13）：198-208.
【3】公冶如晶，顾世帅.STATCOM对电铁牵引供电系统谐波补偿效果的研究[J].黑龙江电力，2018，40（06）：31-36.
【4】郭敏，金庆忍，陈卫东.城市轨道交通牵引供电电缆谐振抑制方法研究[C]//第九届电能质量研讨会.2017.
【5】张培，黄彦全，芦思为.AT供电系统阻抗频率特性及谐波电流放大分析[J].石家庄铁道大学学报（自然科学版），2017（02）：41-42.
【6】邵洋，陈丽华，胡海涛，等.基于C型与单调谐滤波器组合的高铁牵引供电系统谐波治理方法[J].铁道学报，2018，246（04）：55-62.
【7】罗世界，王维博，刘勇，等.高速牵引供电系统建模及其运行参数对电网谐波的影响[J].电气技术，2017（02）：65-66.
【8】宋平岗，林家通，李云丰，等.采用MMC-RPC治理牵引供电系统负序和谐波的PIR控制策略[J].电工技术学报，2017（12）：23-24.
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