电气化铁路低压配电系统高次谐波抑制技术

电气化铁路低压配电系统高次谐波抑制技术　ＤＯｈ　１０．１９５８７￣．ｃｎｋｉ．１００７—９３６ｘ．２０１８．０１．００１　周福林，朱鹏，李显荣等　供变电　电气化铁路低压配电系统高次谐波抑制技术　周福林，朱鹏，李显荣，陶亮金，王长春，许四喜　摘　要：通过分析牵引网高次谐波对牵引变电所低压配电系统的渗透特性，提出了适用于牵引变电所低压配电　系统的Ｙ型二阶高通滤波器和阻波高通滤波器滤波方案，研制了Ｙ型阻波高通滤波器滤波装置和二阶高通滤波　器装置，并安装运行于曾因谐波导致用电设备烧损的牵引变电所中。经工程应用测试，该滤波装置滤波效果良　好，有效滤除了高次谐波，改善了低压配电系统供电质量，彻底解决了因谐波导致用电设备烧损的问题。　关键词：高次谐波；低压配电系统；二阶高通滤波器；阻波高通滤波器　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｉｆｌｔｅｒｉｎｇ　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　ｈｉ　ｏｒｄｅｒ　ｈａｒｍｏｎｉｃｓ　ｏｆ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｐｅｒｍｅａｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ．Ｙ　ｔｙｐｅ　ｗａｖｅ－ｒｔａｐ　ｈｉ曲ｐａｓｓ　ｉｆｌｔｅｉｒｎｇ　ａｎｄ　ｓｅｃｏｎｄ　ｏｒｄｅｒ　ｈｉ　ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｗｅｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｉｎｓｔａｌｌｅｄ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ　ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｆａｉｌｅｄ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｂｕｒｎｉｎｇ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｌ：ｌｍｅｎｔ　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　ｈｅ　ｔｈａｒｍｏｎｉｃｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈ　ｏｒｄｅｒ　ｈａｒｍｏｎｉｃｓ；ｌｏｗ－ｖｏｌａｇｅ　ｄｉｓｔｒｉｔｂｕｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ；ｓｅｃｏｎｄ－ｏｒｄｅｒ　ｈｉｇｈ－ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ；ｗａｖｅ－ｔｒａｐ　ｈｉｇｈ－ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ　中图分类号：Ｕ２２３．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７．９３６Ｘ（２０１８）０１．０００１．０４　关系，牵引网中的高次谐波必然会经过所用变压器　渗透到低压三相系统中，影响低压三相系统的供电　Ｏ　引言　近年来，我国电气化铁路发展迅速，基于　ＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ等全控型器件的交直交型电力机车以　质量，在某些线路上曾出现多起因高次谐波含量过　高造成所内用电设备烧损的事件。因此，本文首先　启动快、牵引负荷大、功率因数高、谐波含量低等　优势在电气化铁路中得到广泛应用，逐渐取代了交　直电力机车而成为主流运载车辆。交直交型电力机　车采用单相调制技术ＰＷＭ（ＰＵｌ　Ｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　分析牵引网高次谐波对牵引变电所低压配电系统　的渗透特性，并提出适用于牵引变电所低压配电系　统的Ｙ型二阶高通滤波器和阻波高通滤波器滤波　方案，同时研制了一套Ｙ型阻波高通滤波器滤波　装置，验证了滤波方案的有效性。直接供电方式下　牵引供电系统结构如图１所示【６】。　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ），降低了３次和５次等低次谐波含量，　但开关频率附近的高次谐波含量有所增ａｎｔ　训。当　机车产生的高次谐波频率与牵引供电系统的自然　谐振频率相等或接近时，将激发该网络出现谐振和　谐波放大　】。牵引供电系统是一个复杂的电气耦合　系统，电力机车、牵引网、外部公共电网和牵引变　电所低压配电系统都存在直接或间接的电气耦合　牵引壹压嚣　Ｔ　ａｌ。　。ｌ　Ｉ　ｌ　ｒ　＇　，　．　ｒ—一——１　作者简介：周福林．西南交通大学电气Ｓ－程学院，讲师，博　士，研究方向为车网电气耦合、电能质量分析与控制等；　朱鹏．西南交通大学电气工程学院，硕士研究生；　李显荣，陶亮金．中国铁路南昌局集团有限公司，工程师；　王长春，许四喜．成都瑞尔维轨道交通技术有限公司，工程　师。　Ｒ　ｒｙ　‘　｛ｌ机率ｌ　Ｌ　℃一　Ｒ　Ｉ　所用变压嚣　　ｌ｝　（两棚－曼相障压蜜压叠）　ｌ　ａｌ　ｂＩ　ｃｌ　基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目　（２６８２０１４ＲＣ０７）；国家重点研发计划资金支持　（２０１６ＹＦＢ】２ＯＯ４０１．１Ｏ２Ｈ）　＜　腿　ｔ瑚ｖ　图１直接供电方式牵引供电系统结构　供变电　电气化铁道　２０１８年第１期　１　高次谐波对低压系统的渗透特性　一２高次谐波ｇＰＳＵ方案　由于现阶段引起牵引供电系统电压畸变的主　要因素为高次谐波分量，因此对谐波的治理应重点　放在高次谐波上。针对牵引变电所低压配电系统中　的高次谐波，本文提出适用于牵引变电所低压配电　系统的Ｙ型二阶高通滤波器和阻波高通滤波器滤　波方案，以消除高次谐波危害。　一，　］　一　般牵引变电所所内用电设备由２路三相进　线供电，一路通过所内两相一三相变压器从牵引网　两相降压获得，一路从公共电网三相１０　ｋＶ降压获　得，２路互为备用。牵引网的高次谐波可通过所内　两相．三相变压器渗透到低压牵引配电三相系统　中。常见的所用两相．三相变压器有逆Ｓｃｏｔｔ变压器、　Ｊ　逆ＹＮｄｌ１变压器等。　以逆Ｓｃｏｔｔ变压器为例进行分析。逆Ｓｃｏｔｔ变压　器将牵引网两相正交电压（２７．５　ｋＶ）转换成三相　对称电压（３８０　Ｖ），结构如图２所示，其中水平放　置的变压器称为Ｍ变压器，垂直放置的变压器称　为Ｔ变压器【ｏ—Ｊ。　ａ　广ｒ—　ｌ●　———————　—————一ｌ　Ｎ　Ｕ　８　８　图２逆Ｓｃｏｔｔ变压器结构　图２中，Ｍ变压器和Ｔ变压器高压侧绕组匝　数均为ｎ】，Ｔ变压器低压侧ａｄ绕组匝数为３，ｚ２／２，　端子０接于ａｄ绕组的２／３处，端子ｄ与Ｍ变压器　ｂｃ绕组中点相连，ｂｃ绕组匝数为√３　２，　＝ｎ１／ｎ２，　、　。、　。为三相对称电压　’　】。　牵引变压器两相电压可视为逆Ｓｃｏｔｔ变压器的　电源，逆Ｓｃｏｔｔ变压器将牵引变压器两相正交电压　转变为三相对称电压，在不考虑变压器励磁阻抗影　响的情况下，低压三相谐波电压与牵引网两相谐波　电压关系为Ｉ刨　２　２．１ｌ＿　二阶高通滤波器　二阶高通滤波器由电阻器Ｒ和电抗器Ｌ并联　后与电容器ｃ串联构成【一　２］，其结构如图３所示。　Ｌ　图３二阶高通滤波器结构　二阶高通滤波器的阻抗为　＝　（　）＋尺　＋　一　（　）　Ｒ＋　ｃｏＲ　Ｌ　．１　—　一Ｊ　（２）　二阶高通滤波器的阻抗频率特性曲线见图４。　图４二阶高通滤波器阻抗频率特性曲线　由式（２）和图４可知：当角频率∞　∞时，　Ｚ（ｃｏ）＝Ｒ，随着频率的增大，二阶高通滤波器的阻抗　与其电阻　同数量级；当尺较小时，在高频下呈　现低阻抗，为高次谐波提供通路，滤除高次谐波。　２．２阻波高通滤波器　阻波高通滤波器由电容器Ｃ和电抗器Ｌ并联　后与电阻器Ｒ串联构成【６　】，其结构如图５所示。　阻波高通滤波器的阻抗为　ｚ（ｃｏ）：—ｘＬ（ｃ（　ｏ）．ｘ￣（ｃｏ）＋　—：—＋　（ｃｏ）　１一　ＬＣ　单＋尺　（３）　电气化铁路低压配电系统高次谐波抑制技术　周福林，朱鹏，李显荣等堡奎　联运行。牵引网中通过逆Ｓｃｏｔｔ变压器渗透到低压　三相侧的高次谐波可被三相Ｙ型高通滤波器滤除。　３工程应用效果　为了验证三相Ｙ型高通滤波器滤波方案的可　行性和有效性，针对三相Ｙ型阻波高通滤波器和　二阶高通滤波器滤波方案，研制了工程试验装置。　图５阻波高通滤波器结构　目前，该装置已在南昌铁路局、成都铁路局、太原　阻波高通滤波器阻抗频率特性曲线见图６。　铁路局等所管辖线路安装运行近２年，在普速铁　路、重载铁路、客运专线、高速铁路上分别得到了　检验和验证，运行可靠，证明该滤波方案可行，具　有工程实用价值。　以Ｙ型阻波高通滤波器为例，其工程试验装　置正面与内部结构如图８所示。采用ＢＤＣ一５型电　能质量测试仪在滤波器投入前后对所内三相电压　鞭　Ｈｚ　进行测试，分析该装置在长期运行情况下对牵引变　电所低压配电系统三相电压的改善作用，根据国标　要求，每３　Ｓ记录１个点，每２４　ｈ共记录２８　８００　个点。　图６阻波高通滤波器阻抗频率特性曲线　由式（３）和图６可知：　＝５０　Ｈｚ时，角频率　为　。，电容器与电抗器发生并联谐振，即ｃｏｏＬ＝１　／（∞０ｃ），１－Ｃｏｏ２ＬＣ＝０，则Ｚ（ｃｏｏ）一∞，即在工频电　压下，可认为阻波高通滤波器为开路状态，无工频　电流流过，对外不交换无功功率，不消耗有功功率，　具有阻波特性；随着∞增大，Ｚ（　）迅速减小，高频　下呈现低阻抗，为高次谐波提供通路，滤除高次谐　波。　２．３低压配电系统高次谐波滤波方案　将３个单相二阶高通滤波器或阻波高通滤波　器按Ｙ型接法连接，构成三相Ｙ型高通滤波器，　应用到牵引变电所低压三相系统中，如图７所示。　图８　Ｙ型阻波高通滤波器工程试验装置　对比分析滤波器投入前后三相电压的总谐波　畸变率如图９所示，滤波器投入前后三相电压谐波　畸变率最大值和９５％概率值如表ｌ所示。　３０　．　：　：　波鼍投入：　段：　：　：：　滤波　切　阶甓　．　：■　ａ　１０’　誓　０‘．。一　罴。　～　一　‘；　。　一　；　一　ｊ通　．　装　器　２０．　一　图７三相Ｙ型高通滤波器滤波结构　妻’暑。０　　…、－…一…一：　…一一……一…一　０　＾　．哿．　一；　…４—８９　１—２　一～～～一８１２　１６２０图中，所用降压变压器为逆Ｓｃｏｔｔ变压器，Ｙ　型阻波高通滤波器（Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ）接于牵引变电所　逆Ｓｃｏｔｔ变压器低压侧ａ、ｂ、ｃ、ｏ端子，即ａ、ｂ、　Ｃ三相，额定线电压为２２０　Ｖ，与所内用电设备并　３０：－　２０．　：　：　：　：　：　：　：　：：　：　：　：　。：　一　垂’号ｏ０一－～……～　一一～～～０　ｉ　囊　～—。。。　、。。’—。０　４８１２　１６　２Ｏ　２　４　图９滤波前后三相电压总谐波畸变率　３　供芟电　宅气化铁道　８　４　Ｏ　２　８　４　０　２　８　４　０　２０１８年第１期　表１　滤波前后三相电压总谐波畸变率（ＴＨＤ）　％　斟　如出　焉　、糌忙扣出　霉Ｄ　褂忙扣　罂Ｑ　压配电系统的渗透特性，并提出适用于牵引变电所　低压配电系统的Ｙ型二阶高通滤波器和阻波高通　滤波器滤波方案，同时研制了三相Ｙ型阻波高通　滤波器和二阶高通滤波器滤波装置，验证了滤波方　案的有效性。通过对数学模型和实测数据的分析，　由图９和表１可以看出，滤波前所用三相电压　可以得到：　（１）牵引网中的高次谐波电压可通过所用逆　Ｓｃｏｔｔ变压器渗透到低压三相系统中，威胁低压三　相系统中用电设备的安全稳定运行。　畸变严重，总谐波畸变率远远超过国标限值，ａ相　电压畸变率最高，最大值为２８．６２％，９５％概率大值　达到了１３．９８％。滤波器投入后，三相电压总谐波　畸变率最大值和９５％概率大值均大幅降低，电能质　量得到显著改善。　对比分析滤波器投入前后三相各次谐波电压　含有率如图１０所示，滤波器投入前后三相主要次　谐波电压含有率如表２所示。　一一一ｌ＿■坚坚　』翟滤波　旦　０　５　９　１３　１７　２１　２５　２９　３３　３７　４１　４５　４９　谐波次数，次　０　５　９　１３　１７　２１　２５　２９　３３　３７　４１　４５　４９　谐波次数／次　…　～　０　５　９　１３　１７　２１　２５　２９　３３　３７　４１　４５　４９　图１０　３８０　Ｖ侧三相电压各次谐波含有率　由图ｌＯ和表２可知，造成三相电压畸变的主　要谐波为３１＂－＇４１频段的高次谐波，Ｙ型阻波高通　滤波器投入后，高次谐波基本全部滤除，验证了Ｙ　型阻波高通滤波器的滤波特性。　表２　３８０　Ｖ侧－－ｔｌ￣电压主要次谐波含有率　％　上述分析表明，研制的三相Ｙ型阻波高通滤　波器在长期运行情况下，能够有效滤除牵引变电所　低压系统的高次谐波分量，保证所内用电设备安全　可靠运行。　４结语　本文分析了牵引网高次谐波对牵引变电所低　４　（２）二阶高通滤波器和阻波高通滤波器均可　为高次谐波提供通路，可有效滤除高次谐波；阻波　高通滤波器具有在工频电压下，对外不交换无功功　率，不消耗有功功率等优点。　（３）研制的三相Ｙ型阻波高通滤波器ａｎ－阶　高通滤波器经长期运行验证，可有效滤除低压系统　的３～１００次范围的高次谐波分量，适用于现有国　内所有车型的谐波治理，克服了单调谐滤波、ＬＣＬ　滤波方案仅能滤除一定频率范围内谐波的缺陷。　参考文献：　［１］李群湛，连接三，高仕斌．高速铁路电气化工程［Ｍ】．成　都：西南交通大学出版社，２００５．　［２］王长春．一种铁路配电系统的谐波滤波装置［Ｐ】．四川：　ＣＮ２０５２８３１３１Ｕ，２０１６　０６．０１．　［３］郭蕾，李群湛，刘炜，等．额定功率下高速机车谐波特　性的仿真分析［Ｊ］．西南交通大学学报，２００９（６）：８３５．８４０．　［４】李群湛．谐波影响分析与算法研究［Ｊ］．铁道学报，１９９１，　Ｓ１：５９。６９．　［５］ＬＥＥ　Ｈ　Ｍ，Ｌｅｅ　Ｃ，Ｊａｎｇ　Ｇ，ｅｔ　ａ１．Ｈａｒｍｏｎｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆｔｈｅ　Ｋｏｒｅａｎ　ｈｉｇｈ—·ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｉｇｈｔ－－ｐｏｒｔ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒｎａｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，２００６，２ｌ（２）：　９７９．９８６．　［６】赵元哲，李群湛，周福林，等．牵引网高次谐波对高低　压三相系统的渗透特性［Ｊ］．西南交通大学学报，２０１５，５０　（５）：９６１．９６９．　［７】赵慧芳．电气化铁道用斯科特、逆斯科特变压器［Ｊ］．变　压器，１９９７，３４（５）；１９．２１．　［８】赵元哲，李群湛，周福林．基于阻波高通滤波器的高速　铁路谐振抑制方案【Ｊ］．电力自动化设备，２０１５，３５（４）：　１３９．１４４．　［９】李子晗，赵元哲，周福林，等．高速电气化铁路新型阻　波高通滤波器的研究［Ｊ］．电气化铁道，２０１４，２５（１）：１３—１７．　收稿日期：２０１７－０４。２４