浅析高铁动车组谐波抑制措施

浅析高铁动车组谐波抑制措施
摘要：EMU（Electric multiple unit）动车组是多编组电力牵引列车，是牵引供电系统中主要的非线性负载。

当供电系统输入正弦波形的电压加在非线性电气设备后会对负荷电流产生畸变，从而形成谐波，影响电能质量，对信号传输产生电磁干扰。

本文以高铁动车组为例，分析动车组的谐波产生的原因并提出几种抑制措施。

关键词：动车组; 谐波; 电磁干扰; 抑制措施
1 引言
高速铁路具有节约能耗、运输能力强、运行安全可靠的优点，已成为我国重要的基础建设，在推动经济发展和增强交通运输体系等方面起着至关重要的作用[1]。

随着高铁动车组的快速发展，动车组产生的谐波问题备受关注，低频谐波引起的网压振荡会造成牵引供电系统电压不平稳，导致动车组牵引封锁[2]；高次谐波产生电磁干扰会影响信号的通讯质量，其产生的高频谐振会引起过电压，损坏动车组绝缘设备，严重时会导致牵引供电系统断电[3]。

由此可见，动车组作为大功率非线性负荷产生的谐波严重威胁牵引供电系统的安全运行，因此本文分析动车组的几种谐波源，并给出抑制方案。

2 动车组谐波分析
2.1 动车组供电原理
高铁动车组的电气原理如图2-1所示[4]，动车组牵引供电主电路是由受电弓（包括高压设备）、牵引变压器、牵引变流器、中间直流环节、牵引逆变器和牵引电机等部分组成。

图2-1 动车组牵引供电原理示意图
供电原理：受电弓从接触网获得25kV工频交流电源，通过高压隔离开关和
真空断路器(VCB)输送给牵引变压器，经牵引变压器降压输出1500V的单相工频
电供给牵引变流器，牵引变流器通过脉冲整流将1500V交流电变成2600V-3000V
直流电，经过中间直流环节输送给牵引逆变器，牵引逆变器输出电压（0-2300V）可调、频率（0-220HZ）可控的三相交流电源供给异步牵引电机。

2.2 EMU动车组牵引供电系统的谐波
交--直—交传动模式的EMU车辆装有大功率的牵引变流装置，装置中的大功
率开关器件以较高的频率进行高电压、大电流的开关转换，电压和电流的变化律
比较大，牵引变流器输出电流过程中产生的谐波、高次谐波既形成频带又引发牵
引供电母线电压升高直接干扰低压电器的电气质量并对对外产生电磁辐射污染[5]。

牵引变流器的电磁干扰包括：
1、牵引变流器和逆变器的功率开关器件的快速开关动作会引起很高的du/dt （注：晶闸管断态电压上升率）和di/dt（注：晶闸管通态电流临界上升率
di/dt），实际的驱动电路和主电路部存在分布电容和电感，du/dt在电容上产生
很大的充电或放电电流，di/dt会在电感上感应出电压，另外，较大di/dt的电
流环路也是一个辐射源将对空间产生辐射电磁场。

2、牵引变流器运行时产生的高频差模与共模辐射干扰会通过各种耦合电路
耦合到其它设备上．牵引变流器输出的PWM电压信号经过较长线路输入给牵引电机，在定子侧感应出过电压，这不仅会影响电机绕组的绝缘能力，还会使绕组和
转子集电环的寿命降低。

3、电机绕组出现直流偏移，因而输入电流产生具有逆变器基波频率的谐波
分量，电机相阻抗的不平衡，引起两倍基波频率的谐波分量，轮径偏差导致不同
的逆变器输出频率，使得在其输入电流中出现具有差频率的谐波分量。

4、动车组车辆中接通或断开主电路的断路器、隔离开关等开关电器操作频繁，成为了二次系统的主要干扰源。

开关动作伴随着多次电弧重燃、熄灭，每次
熄灭、重燃都产生尖峰脉冲电压和低频振荡电流，其中还包含有工频及低频振荡
电流。

通过地网电流和电感耦合对二次系统引起共模干扰电压。

3 谐波抑制方案
根据动车组谐波产生的基本原理，可以通过限制干扰源，隔离传播途径和保
护敏感设备来增强系统电磁兼容性[6]。

主要抑制措施有：
1、滤波器抑制谐波
滤波器既可抑制从电子设备引出的传导干扰，又能抑制从电网引入的传导干扰。

抑制干扰滤波器安装在电源线与电子设备之间。

它可使工频电源通过，而阻
止高频噪声通过，抑制高频谐波。

例如在电源输入端并联电源滤波器减少变流器
高次谐波对电源的污染[7]，在变流器输入端串联交流电抗器抑制变流器输入端的
谐波电流，改善功率因数等等。

2、屏蔽措施
屏蔽是提高电子系统和电子设备电磁兼容性的重要措施之一，它能有效地抑
制通过空间传播的各种干扰，既可阻止或减少电子设备内部的辐射电磁能对外的
传输，又可阻止或减少外部辐射电磁能对电子设备的影响。

屏蔽按机理可以分为
电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽[8]，对于变流器应用而言最常见的是电场屏蔽，即用金属导体，把被屏蔽的元件、组合件和信号线包围起来。

为了对磁场和电场
有足够的屏蔽作用，在屏蔽层上的电流必须能自由流通。

因此，非全封闭的屏蔽
护套，例如单侧的导线屏蔽，只对静电场和低频电场有作用；为屏蔽电场、磁场
和电磁场，屏蔽套的各侧都必须是封闭的。

3、EMI隔离措施
隔离技术是电磁兼容性中的重要技术之一。

所谓干扰的隔离，是指从电路上
把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。

电磁兼容的隔离
技术分为磁电、光电、机电和声电等几种隔离方式。

(l)、在变频调速传动系统中，通常是在电源和放大器电路之间电源线上采
用隔离变压器以消除传导干扰。

(2)、将不同种类的信号线隔离铺设（在不同一电缆槽中，或用隔板隔开），可根据信号不同类型将其按抗噪声干扰的能力分成几等。

(3)、在计算机控制系统中对开关量信号则可以采用光电耦合器件进行隔离
输入，必要时信号也可以选用光缆进行传输。

(4)、机电隔离一般采用有触点电磁继电器来实现，从而阻止了电路耦合产
生的电磁干扰的传输，但是继电器的线圈工作频率较低，不适用于工作频率较高
的场合：另外为解决在触点通断时的火花干扰还需加装R-C灭弧电路及装置。

4 总结
本文通过分析动车组的牵引供电原理，总结动车组的谐波源，主要包括牵引
变流器、牵引逆变器、牵引电机、高压隔离开关和断路器，动车组产生的谐波不
仅影响动车组的车载电气设备，通过受电弓输入牵引网还会威胁牵引变电站的安
全运行，影响电能质量。

针对动车组的谐波提出了3种抑制措施，分别是加装滤
波器，对收干扰的电气设备采取屏蔽措施，EMI隔离措施
参考文献
[1] 周建.中国电气化铁路技术发展的思考[C]. 2010年中国铁路电气化技术
装备交流大会及产品展示会,2010:40-41.
[2] 赵朝蓬,田旭东.交直交电力牵引谐波的影响与改进[J].电气化铁
道,2010(3):6-8.
[3] 刘建强,郑琼林,杨其林.高速列车牵引传动系统与牵引网谐振机理[J].
电工技术学报,2013,28(04):221-227.
[4] 杨其林.牵引供电系统与高速列车牵引传动系统耦合振荡研究[D].北京交通大学,2012.
[5] 初曦.高速列车与牵引网谐振现象及其抑制方法的研究[D].北京交通大学,2014.
[6] 于坤山,周胜军等.电气化铁路供电与电能质量[M].北京:中国电力出版社,2011:68-92.
[7] 李强.电气化铁路车网电气匹配问题[J].电气化铁道,2014, (3):13-16.
[8] 李群湛,贺建闽.牵引供电系统分析[M].成都:西南交通大学出版
社,2012:69-105.。