实例分析谐振抑制方案

实例分析谐振抑制方案
1.引言
2011年12月，京九南线11个牵引变电所陆续受电，从2012年3月份开始逐步出现电压过高烧损设备，频次越来越多，至2013年5月为确保牵引变电所内的设备安全运行，将京九南线27.5KV自用变全部由主用转为备用止共发生设备烧损144件次。

经测试、研究分析，初步认为和谐型（HXD）电力机车产生的高次谐波含量与过电压存在一定的联系，尤其当电力机车、接触网线路及所内设备的系统参数不匹配，供电臂较长时，就在某一点上引起铁磁谐振，从而导致产生谐振过电压并烧损设备等现象。

除本线外，达成线、合武线、合宁线等等均出现过谐振过电压烧坏设备的现象。

而且谐波谐振问题在许多国家高速铁路建设中都存在，并得到高度重视，因此都在这方面开展了相关工作，并采取有效措施抑制谐振的产生。

下面结合HXD车型特点，对主流治理方案进行初步探讨。

2.HXD交流牵引机车特征
HXD车型采用交流牵引，其供电原理图如图1所示。

其整流逆变模块采用全控器件，应用PWM技术对波形进行调制，因此，其工作波形更接近正弦波，且电流与电压的相位基本同步。

所以，交直交型机车基本不产生传统意义的受控于工频的低次谐波，仅产生与开关频率相关的高次谐波，频谱特征为（n=1、3、5…时，k=0、2、4…；n=2、4、6…时，k=1、3、5…），式中ωc为载波频率（开关频率）；ωr为调制波频率。

图1 交直交型电力机车工作原理图
3.电气化铁路谐振特征
诱发电气化铁路谐波谐振的最大特点在于其谐波注入点连续分布于整个铁路沿线；同时存在丰富的谐波频谱注入源沿此网络移动注入。

因此，随着外界条件（系统频率、系统运行方式等等）的变化，特别是丰富的谐波频谱的移动注入，随着车辆的移动，其等效电路等值阻抗时刻在变化，极易诱发谐振现象。

就目前发生的多起事件而言，其特征表现为：
谐振频率多在11次以上（由牵引网结构和参数确定）；
谐振点与列车运行的位置有关；
谐振的诱发与机车类型有关（亦即与谐波源特征有关）
4.谐振抑制技术探讨
针对谐振产生的机理，其抑制措施主要为破坏谐振产生的条件。

其中包括：1）改变谐振点频率阻抗特性；如对于新建线路，可在设计初期，综合考虑各供电臂在正常以及越区供电等不同方式下的谐振点，根据系统谐振特性以及机车谐波输出特性，在车网匹配的基础上，对牵引供电系统结构参数进行优化设计，使其谐振频带尽量完全避开机车高次谐波频带，破坏谐振发生的基本条件，从而达到抑制谐振的目的。

2）外围谐波抑制措施，包括无源滤波、有源滤波；如对于已运行线路，如条件允许，可通过调整结构参数减小谐振的影响，如不允许，则可考虑在供电臂末端分区所处安装高通滤波器等补偿装置来抑制谐振。

3）设备嵌入式谐波治理：从源头上治理谐波。

4.1无源滤波（PPF）
无源滤波即对于已经运行的谐波源负荷，采取额外增加外围滤波装置，利用其对某次谐波或对一定范围内德谐波呈现低阻抗的特点吸收谐波，减少对接入点的谐波注入，同时改善接入点的阻抗频谱特性。

该方法投资少、结构简单、运行可靠、维修方便、技术成熟；不足之处是滤波特性受系统阻抗特性（拓朴结构）的影响较大，在交直交型机车频谱较宽的情况下更加需要仔细的设计论证。

4.2有源滤波（APF）
有源滤波以独有的优势给谐波治理带来了新的曙光，有源滤波器采用电力电子技术向电网注入与原有谐波电流相位相反的谐波电流，以抵消原有的谐波电流，理论上其优点是不受谐波源频谱的制约，不影响接入点阻抗特性，不足之处是必须满足特定的响应速度快，否则可能得到相反的结果；受到成本价格的限制目前仅在低压、小容量方面有所应用。

必须指出，响应特性是制约有源滤波效果的决定性因素之一。

目前在国内电气化铁路牵引供电系统中有源滤波装置使用经验较少，但在日本、欧美等国的牵引变电所已有大量应用，图4为日本某一铁路牵引变电所应用案例。

图4 日本已投入运营的电力有源滤波器方案示意图
4.3无源滤波（PPF）+有源滤波（APF）
在考虑了牵引供电系统的独有特性后，可采用无源滤波器和有源滤波器结合的方式，由APF改善PPF的滤波特性，弥补PPF滤波能力的不足，防止PPF与电网阻抗发生谐振，并且通过控制策略使APF基本不承受基波电压，从而大大降低APF容量。

由無源滤波器和有源滤波器组成的混合电力滤波器可以弥补两者之间的缺点，充分利用二者优点，减小有源滤波器的容量，得到更好的性价比。

目前其实用化还需进一步的技术市场考验。

4.4嵌入式治理方案
嵌入式治理方案作为机车电气设计的一部分，在机车设计之初需通盘考虑谐波问题，从源头上解决谐波问题。

其包括：
在机车变压器的高压侧增加LC滤波器或有源滤波器，以减小或滤除网侧变流器产生的谐波电流；
通过改变网侧变流器控制方式，改变注入电网谐波电流的能量分布从而减少谐振的幅度和能量；
实际上，新型交流机车采用的PWM技术已经是嵌入式谐波治理的尝试，有非常明显的效果。

只不过该技术仍不是彻底的谐波问题解决措施，仍然存在相应的谐波注入。

牵引供电系统可与机车互相配合，协调好机车的谐波特性及谐波输出。

4.5改变谐振点频率阻抗特性
事实上，采用改变谐振点频率阻抗特性是谐波谐振抑制的最佳手段。

例如车网的最优匹配方法。

车网匹配性主要是根据机车谐波输出特性，在设计初期通过对牵引供电系统结构或相关设备进行优化设计，改变系统电感、电容谐振匹配参数，避开列车运行时谐波输出含量较大的频率范围，从而避免谐振的发生或减小其对系统带来的影响。

初步研究表明：引起牵引网谐波电压升高的主要原因是机车输出的高次谐波引起线路分布电容和牵引变电所等值电抗并联谐振，因此抑制方法从牵引网角度考虑主要有两类，即改变牵引变电所等值阻抗和改变线路并联电容。

牵引变电所等值阻抗由进线等值阻抗（电源阻抗）和牵引变压器等值阻抗两部分组成，当选定牵引变电所进线电压等级后电源阻抗便基本确定，因此只能通过改变牵引变压器的等值阻抗控制谐振点。

因此设计初期需要合理选用牵引变压器容量及阻抗电压百分比等参数。

改变线路并联电容主要是通过改变回流线和正馈线位置来实现，经过初步仿真研究发现，回流线位置越低，谐振频率越高，正馈线位置越低，谐振频率越低，接触网的结构高度越低，谐振频率越低。

结论
随着新型交流机车的应用以及铁路供电网规模的不断扩大，铁路系统谐波谐振现象的研究需要更加重视，建议在设计初期就需充分考虑车辆线路的匹配性，优化电分相设置位置及接触网结构、各设备参数，可很好地避免后期谐振问题的发生，从而避免相关抑制设备的投入，从而节省大量的投资，当然各种防治和抑制措施需要结合具体的线路、具体的车型等相关特点特征具体分析研究。

参考文献
[1] 桂林芳，对电力机车及牵引供电几个问题的探讨，株州：机车电传动1997年第5期
[2] 赵俊莉、杨君等，电气化铁道有源滤波电力滤波器方案研究，株州：机车电传动2000年第5期
[3] 李群湛、连级三、高仕斌，高速铁路电气化工程，第1版，成都：西南交通大学出版社。