朔黄线牵引供电谐波对信号设备的干扰及治理

张世标，于国旺，陆 军

朔黄线牵引供电谐波对信号设备的干扰及治理

张世标，于国旺，陆 军

通过对铁路牵引网谐波状况的分析，探讨了谐波对信号设备产生的影响，提出了有针对性的解决方案。关键词：牵引网谐波；信号；影响；解决方案

0 引言

朔黄线作为国家继大秦铁路之后的第二条西煤东运的大通道，使用电力牵引是满足重载铁路运输任务和环境保护要求的首选，但不论哪种型号的电力机车，都会使用大功率的换流装置，谐波的产生是一个不可回避的问题。朔黄线的贯通、自闭10 kV电源，一路从牵引27.5 kV母线降压至10 kV获得，另一路取自地方10 kV电源，肃北地区的两路10 kV电源均通过110 kV电源降压后直接获得，但110 kV进线电源与牵引进线电源并接。随着运量的不断提升，电力机车上线运行的数量不断增加，谐波含量也不断加大，电能质量下降问题越来越突出，对信号设备产生了不小的干扰，诸如信号楼区间电源屏多次出现“稳压模块保险熔断”等问题，都不同程度地对运输产生了影响。本文通过分析信号设备故障现象与牵引网谐波之间的联系，找出特征谐波对电气参数的影响并制定相应的对策加以制止，以满足运输生产的需要。

1 信号设备故障现象及电能质量监测结果

1.1 肃北站通信电源屏故障报警

1.1.1 故障现象

2013年7月26日，通信电源AC相高压瞬间报警，作业组用数字万用表测试，电压值正常。2013年7月27日，供电部门测试结果显示电压值正常。通信工程师与供电工程师测试结果相同，与电源屏生产厂家共同判断，初步定性为通信电源屏的电能质量监测部件出现故障。

2013年7月30日，通信电源柜厂家对监测板进行了更换，在观察新板运行状况过程中，高压报警又频繁发出，初步分析为电能质量有问题。

1.1.2 电源质量测试

2013年7月30日，通过对肃宁北站通信电源电压质量进行测试，发现通信主用电源波形严重失真，谐波含量较高。通过与洛阳电源屏厂家对神池南站信号引入电源测试波形分析的比对看，肃宁北站的电源失真度更为严重，神池南站信号引入的电源失真度在14%～17%（标准是不大于5%），其波形如图1、图2所示。

通过监测发现，肃宁北站AC相出现的高压是由于外电网造成，捕捉到的高压值瞬间达到709 V。

1.1.3 处理措施

2013年7月31日，通信电源屏供电电源倒接至备用2路试验，通过观察试验未发生高压报警。与供电部门联系，2013年8月13日，利用天窗点再次对主用 1路电源质量进行测试，波形相对正常，在合格范围内。

1.2 其他车站信号电源屏故障

为了验证谐波的影响，对沿线车站自闭电源使用情况进行调查。调查结果见表1。

2 谐波干扰来源分析

2.1 谐波与非谐波

在电力系统谐波问题中，要特别强调谐波的次数n为正整数。实际上在电力系统中有时也存在一些频率不是基波频率整倍数的正弦分量。为区别起见，称这些正弦分量为非谐波或称为分数谐波。

图1 肃宁北站通信主用三相电源谐波图

图2 洛阳电源屏厂家测试的神池南站的谐波图

表1 2013年朔黄线沿线车站自闭电源使用情况调查表

2.2 谐波产生原因

在供电系统中波形畸变问题主要由 2大因素造成。

（1）大功率换流设备和调压装置等的广泛应用。大量家用电器如：电视机、电磁炉、变频空调和调光灯等普遍采用晶闸管以及各种非线性负荷的增加导致波形畸变。

（2）设备设计思想的改变。过去倾向于采用在额定情况以下工作或余量较大的设计。现在为了竞争，对电工设备倾向于采用在临界情况下的设计。例如有些设计者为节省材料使磁性材料工作在磁化曲线的深饱和区段，在该区段内运行会导致激磁电流波形严重畸变。由此可见，非线性负荷接至供电系统，以及供电系统本身存在非线性元件，是造成电力网电压波形畸变的根本原因。

2.3 谐波源分析

2.3.1 发电源质量不高产生谐波

发电机由于三相 绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致，造成发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说相对很少。

2.3.2 输配电系统产生谐波

输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密度选择在磁化曲线的近饱和区段上，这样就使得 磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中 3次 谐波电流可达 额定电流的0.5%。

2.3.3 用电设备产生的谐波

由于晶闸管整流设备在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。分析产生的原因，是由于 晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的 正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的 正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经 统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。

3 谐波治理对策

3.1 谐波治理基本思路

（1）优先采用谐波含量符合标准的电源。按照“TB/10008-2006铁路电力设计规范”电源及供电系统规定：“铁路供配电系统的电源，应优先采用公共电网可靠电源。在电气化区段，技术经济合理时可与牵引变电站共用电源或接触网供电作为备用电源。”的原则。

作为用户，如果有条件，贯通、自闭电源应直接从电能质量较高的地方 10 kV电源引入两路独立电源，或者通过更高等级的电源降压获得。鉴于27.5 kV母线降压至10 kV电源存在的谐波含量高、网压波动大的问题，应尽量避免使用该方法。

（2）仅对重要、敏感的设备进行谐波治理。受电源条件限制，根据朔黄线AT改造设计的主接线方式，即使采用110 kV降压获得自闭、贯通的10 kV电源，也不可避免地要和牵引电源共用一条进线，谐波的存在不可避免。所以，为了避免谐波对通信、信号设备的干扰，谐波治理应遵守效益最大化的原则。并非所有用电设备都对谐波特别敏感，如果供电部门进行综合治理，投入设备的容量势必会大增。如果只对通信、信号乃至特殊用户的设备进行前端谐波治理，则需要的容量就会很小，经济效益明显，所以，谁敏感、谁加治理设备的方式更好。

3.2 谐波治理的方法

（1）采用无源滤波装置。无源滤波器主要由滤波电容器，滤波电抗器等适当组合成LC滤波装置，滤波器除起滤波作用外，还兼作 无功补偿作用。这种滤波器最早出现，具有结构简单，投资少，运行可靠性高，应用较为广泛。但也存在一些问题，如当系统结构或参数发生变化或滤波器本身参数变化时，滤波器可能产生谐波放大，而且这种滤波器对电压波动负序等不能综合治理。

（2）采用有源滤波装置。随着大功率电力电子器件技术的突破与发展，ABB公司推出了采用脉冲宽度调制（PWM）技术构成的有源谐波滤波器，如：“有源动态滤波器 PQFM，可以实现滤除2次到50次谐波和无功功率补偿的目的”。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行很好的补偿，且补偿特性不会改变，阻抗特性不会受到影响。当电网结构发生变化时，装置本身不存在谐振问题，其补偿谐波的性能不变，同时还能抑制串、并联谐振，因而受到了广泛的重视，并且已获得应用。

（3）采用交直交电源供电。为了解决信号供电因谐波含量较高，影响信号供电的问题，将380 V电源侧改为交-直-交的供电方式，这种供电方式在西欧一些国家已经有了十年的运行时间，其效果较好。

4 针对朔黄线的改进措施

通过对以上 3种常见的谐波治理方法的分析可以看出，这3种方法各有优缺点。根据朔黄线负荷特性要想从根本上治理牵引供电的谐波污染，在对谐波较敏感的设备处采用有源滤波器相对效果较好。当有源滤波器从电网中检测到谐波电流时，补偿装置会产生一个与电网谐波电流大小相等但极性相反的电流，以此起到抵消谐波污染的目的。其优势显而易见：能补偿各次谐波；滤波特性不受系统阻抗等的影响，不会与系统发生谐振；具有良好的自适应功能，能跟踪补偿变化着的谐波，具有可控性和快速响应性，这些特性对于朔黄铁路牵引负荷不断变化的特点显得尤为适合。

但是有源滤波器本身价格较高，加之牵引电网容量很大，使得补偿装置造价更高。笔者认为采用有源滤波与无源滤波结合组成混合补偿器的方案比较合理。可以利用无源滤波器来消除电流中含量较高的谐波，同时采用有源滤波器来消除无源滤波器没有过滤掉的电流谐波。这样既充分发挥无源滤波器结构简单、易实现、成本低的优势，又利用了有源滤波器补偿性能好的优点，克服了单纯采用大容量有源滤波器成本高的缺点。混合补偿使得在工程总造价较低的基础上整个装置获得优良的性能，技术经济指标合理。

5 结语

在目前的电力能源供给方式中，谐波是不可避免的。随着经济社会发展，各行业对电力能源依赖度的提高，谐波不仅仅单纯来自工业用电，为了节能和电气运行平稳性的要求，家用电气设备也越来越多的使用整流和变频技术，如节能灯、电磁炉、变频洗衣机、空调、电视及微波炉等，干扰源来自用户，用户与用户之间互相干扰，在供电方集中治理已不太可能。除非将传统的输电方式改为直流输电方式，用户可根据自己使用的频率来逆变，也就是“交直交”模式，否则谐波将在用户间互相干扰。谐波的治理要本着区别对待，减少用户的投入，使用户获得最大收益为原则。对于谐波的治理不能遵循一成不变的原则，如何把谐波的污染降到最低程度，又不需花太多的钱，是值得同行们一起探讨和研究的问题。

[1] 功率因数矫正和谐波滤波 ABB技术资料：http:// www.

abb.com.cn.

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This essay analyses traction network harmonic wave of Shuozhou-Huanghua railway, discusses impact to signaling equipment caused by harmonic wave and puts forward pertinent solution scheme.

Traction network harmonic wave; signaling; effect; solution

U228.2

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：1007-936X(2015)04-0021-03

2014-12-19

张世标.天津滨海快速交通发展有限公司，高级工程师，电话：022-65702708；

于国旺.朔黄铁路公司，高级工程师；

陆 军.天津滨海快速交通发展有限公司，高级工程师。