重载铁路牵引网谐波谐振过电压分析及治理措施探讨 孙禹文 接触网
DOI：10.19587/j.cnki.1007-936x.2019.05.004
重载铁路牵引网谐波谐振过电压分析及治理措施探讨
孙禹文
摘 要：电气化铁路牵引供电系统的稳定影响着铁路运输的质量和效率。针对牵引供电系统中经常出现的谐波
谐振问题，本文通过几起谐波谐振过电压的案例，对几种谐振过电压情况和测试结果进行分析，提出相应的抑制措施和解决意见，并对治理效果进行验证。
关键词：重载铁路；过电压；牵引网谐波谐振
Abstract: The stability of traction power supply system of electrified railway plays an important role to quality and
efficiency of railway transportation. With regard to the problems of harmonic resonance oscillation occurred frequently in the traction power supply system, the paper, on the basis of several cases of over-voltage caused by the harmonic resonance oscillation, analyzes the status and test results caused by several types of resonance over-voltage, puts forward related suppression measures and proposals for disposal. The disposal effectiveness has been verified accordingly.
Key words: Heavy haul railway; over-voltage; harmonic resonance oscillation in traction network
中图分类号：U226.5 文献标识码：B 文章编号：1007-936X(2019)05-0017-04
0 引言
交直电力传动机车和交直交电力传动机车是我国电气化铁路应用最为广泛的2种机车[1]。前者采用晶闸管相控整流技术，向牵引网注入含量较大的谐波分量，但以低频成分为主；后者采用PWM整流技术，向牵引网注入谐波总含量相对较少，但频谱较宽，含有一定高频分量，是造成牵引网谐振问题的主要原因，在一定程度上影响牵引供电系统运行的安全和稳定性[2
～4]
讨，并对接触网和机车电能质量进行实地监测，针对采集到的电能数据和采取的治理措施提出建议意见。
1 弓网谐振过电压现状
HXD系列大功率交流传动电力机车自运用以来，牵引网的高次谐波问题逐渐暴露，机车运行中经常发生设备烧损等故障。近年来，中国铁路太原局集团管内五寨、大同、曹南、曹西等站区均多次发生高次谐波谐振过电压情况，严重干扰铁路系统的正常运输生产。 1.1 五寨站高次谐波谐振
自2012年以来，在五寨站频繁发生弓网谐振，造成HXD型机车不能继续运行，HXD1型机车表现为主断路器断开，牵引变流器封锁，HXD2型机车表现为避雷器炸裂和高压放电间隙击穿。2010年6月，太原局集团公司机务处组织北京交通大学和中车株洲电力机车研究所，分别对接触网、变电所和HXD型机车的各电压、电流参数进行了现场实时监测。测试结果表明，当多台HXD型机车投入使用，特别是HXD2机车空载或轻载使用2台以上时，机车对接触网产生23次高次谐波，引发谐振过电压。五寨站由于谐振过电压导致的机车故障一般都会引起牵引变电所馈线开关跳闸。
案例一：2017年7月25日8：47，宁岢线秦家庄变电所212开关跳闸，阻抗II段动作，重合成
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。对铁路牵引供电系统谐
波谐振的相关问题进行分析和研究，对铁路运输安全具有重要的实际意义。
近年来，在宁岢铁路五寨站、大同枢纽及迁曹铁路的唐海至曹南、曹西段频繁发生牵引供电系统车网谐振现象，引起严重的过电压，造成多台HXD型机车不能继续运行、机车避雷器炸裂或高压放电间隙击穿、SS4型机车开关柜吸收电阻烧损等情况，严重影响运输。为了保证设备的稳定运行，减小对正常运输秩序的干扰，消除谐波谐振过电压成为急需研究解决的重要课题[5]。
本文以五寨站、大同站及迁曹线曹南、曹西等站区谐波谐振过电压的案例为样本，详细分析谐振过电压发生时变电所和机车相应设备的动作或损坏情况，就谐波谐振过电压产生的原因进行深入探
作者简介：孙禹文.中国铁路太原局集团有限公司供电部，高级工程师。
接触网 电气化铁道 2019年第5期 功，故标24.85 km，阻抗角73.5°，电压11.68 kV，电流1 677 A。跳闸原因是由于谐振过电压造成五寨站2道HXD20026机车放电间隙击穿。
案例二：2017年8月17日14：43，宁岢线秦家庄变电所212开关跳闸，阻抗II段动作，重合成功，故标25.49 km，阻抗角72.6°，电压12.405 kV，电流1 734 A。跳闸原因是五寨站2道HXD20167机车放电间隙击穿。 1.2 大同枢纽高次谐波谐振
自2016年10月以来，大同枢纽连续发生13次高次谐波谐振过电压现象，造成客、货运电力机车非正常停车。2017年3月，由中国铁道科学研究院对平旺变电所、大同西开闭所以及相关电力机车进行了电压、电流状态实时监测。测试结果表明，大同枢纽高次谐波由HXD3C、HXD3CA、HXD2机车产生，谐波成分主要分布在21、35次，当HXD3C机车部分动力低速小级位动车作业时，在接触网产生35次高次谐波，引发谐振过电压。
案例一：2016年12月22日9：13，大同站机车反映网压过高，9：28恢复正常；9：24，大同站机车反映网压过高，9：31恢复正常。在此过程中，平旺变电所开关未跳闸。车流情况统计：K961次机车HXD3C1045在大同站1道；822105次机车HXD2C147在大同站6道；K1366次机车HXD3C1062在大西II场；保留车HXD21329在大西II场9道；保留车HXD210在大西II场11道。
案例二：2017年7月5日11：30，大同站东场机车反映网压过高，12：50恢复正常。12：16，K1次大同站出发机车（HXD3C1049）反映网压过高。在此过程中，平旺变电所开关未跳闸。车流情况统计：大同运用车间准备出库机车HXD3 C1049（大同运用车间14道）；库内机车有HXD3 D1052（大同运用车间15道）、HXD3C0661（大同运用车间14道）和HXD3C1044（大同运用车间12道）。
1.3 迁曹线弓网谐振
2018年5月，迁曹铁路唐海至曹南、曹西段连续发生谐波谐振过电压现象，造成SS4机车开关柜吸收电阻烧损、HXD1机车跳主断、HXD2避雷器击穿等故障。5月31日，北京交通大学专家在曹南分区所（北京局管辖）、曹北开闭所和唐海变电所对各电压和电流参数进行了连续监测。测试结18
果表明，运行的HXD机车向网侧注入高频谐波电流，激发了牵引供电系统的谐振现象，引起了较高的谐波过电压，以17次和19次谐波为主。
案例一：2018年5月28日23：39，SS4型1026号机车（B节操纵）在迁曹线首钢工业站6道停车，0：02转至首钢工业站5道停车，4：50在停车状态下机车主断跳闸，操纵台A、B节主接地灯亮。司机检查发现A、B节功补柜上部一端过压吸收电阻烧损。在此过程中，唐海牵引变电所开关未跳闸。
案例二：2018年5月29日15：50，迁曹线曹北分区所236开关（曹妃甸西站空车场）跳闸，16：07恢复供电，16：32再次跳闸，16：40恢复供电。2次跳闸皆由谐振过电压导致机车HXD20043 B端车顶绝缘子炸裂而引起。
2 原因分析
2.1 高次谐波产生原因及危害
机车牵引变压器原边电流的基波及谐波均以牵引网电压的相位为基准，当多台机车运行于同一供电臂时，各机车谐波电流的传递特性较为复杂，随着彼此间距离的变化以及牵引电流大小的变化，各机车的谐波电流可能呈线性叠加关系，导致波形严重畸变，甚至引发谐波谐振[6
～8]
。机车高次谐波
引发的车网耦合系统谐振过电压、过电流现象对电力机车和牵引供电设备均会产生较大的危害[9]。
高次谐波的危害是多方面的，对HXD型机车的主要危害：破坏电气设备的绝缘，使电容器过负荷和过电流，产生脉动转矩，严重干扰通信系统，使断路器不能良好地运行，导致继电器误动作。机车高次谐波不仅危害自身电气系统，同时也对处在同一电网中的其他机车造成危害，其危害程度取决于谐波量和现场运行条件[10
，11]
。
2.2 五寨站谐振过电压监测分析
对五寨站机车故障情况进行统计分析，发生问题的机车大多停留在五寨站的2、3、4、5道和万通、乡镇专用线内，该区域处于秦家庄—五寨间供电臂的末端。对运行电压数据进行采样发现，出现问题时网压波形产生畸变，谐波冲击较大，网压有效值瞬间突变，最大时达到71 kV。对供电臂内不同机车运行情况下的网压波形进行分析，如图1所示。可以看出，在供电臂内无机车运行的情况下，牵引网的电压幅值、频率均正常，基本不含谐波分量，供电系统本身没有谐波；供电臂内只有1台
重载铁路牵引网谐波谐振过电压分析及治理措施探讨 孙禹文 接触网 HXD2机车时，网压稍有波动，波形基本正常；供电臂内有2台HXD2机车投入时，网压波形振荡加剧。当多台HXD型机车投入使用，特别是HXD2机车空载或轻载使用2台及2台以上时，当接触网参数达到一定条件，机车和接触网间产生高次谐波，进而引发谐振，导致网压突变升高，严重时引起机车车顶放电或封锁。
（a）供电臂内无车时
（b）供电臂内有1台HXD2机车时
（c）供电臂内有2台HXD2机车时 图1 不同机车运行情况下的网压波形
2.3 大同站谐振过电压监测分析
调阅大同站网压异常的机车故障记录发现，故障时机车、接触网电压均超过30 kV，大多为HXD3C型机车。例如，2016年10月8日21：49，2604次机车司机反映网压高，调阅HXD3-1033机车故障履历，接触网过电压值最高达到36 kV。
组织科研单位对大同枢纽谐波进行了测试，测试期间共发生过2次接触网过电压导致机车断主
断故障，2次谐波过电压时网压波形如图2所示，其中，2018年6月1日故障发生时段，1 750 Hz频段附近谐波含量超过30%（图3），严重影响了高压设备的正常运行。
（a）2018年3月19日21：35
（b）2018年6月1日21：19 图2 大同站谐振过电压时网压波形
图3 2018年6月1日21：19前后网压谐波分布
通过分析监测结果认为，大同枢纽地区高次谐波由HXD3C、HXD3CA、HXD2机车产生；车网
耦合系统会发生1 750 Hz频段附近的高频谐振，该高频谐振是造成机车报“网压高”的主要原因；当HXD3C机车部分动力低速小级位动车作业时，在接触网侧会产生1 750 Hz频段高频谐波。 2.4 迁曹线谐振过电压监测分析
迁曹线曹西站发生的HXD1、HXD2机车故障伴随曹北开闭所236开关跳闸，类似于五寨站HXD1、HXD2机车由于谐振过电压故障时引起秦家庄变电所212开关跳闸的情况。经分析，由于迁曹线运输任务增量，HXD型机车大量投运，机车
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接触网 电气化铁道 2019年第5期 和接触网间产生高次谐波，进而发生谐振，导致网压突变升高造成机车故障。
曹北开闭所电源由唐海变电所曹北方向（T座）供电臂供出，经现场测试发现，该供电臂存在高次谐波谐振现象，主要是由曹北—曹西区间运行的HXD系列电力机车引起。谐振以17次（850 Hz）和19次（950 Hz）谐波为主，谐振的谐波电压叠加在网压基波上，使网压总有效值和峰值均增高。发生谐振时，从唐海变电所到曹北开闭所，再到曹南分区所（及曹西），谐波电压逐渐升高，末端曹南分区谐波电压所有效值超过32 kV，峰值超过70 kV，17次谐波电压可超过12 kV，19次谐波电压可超过10 kV。可见，谐振过电压是造成机车故障的直接原因。
3 牵引供电系统谐波谐振过电压抑制措施
3.1 五寨站采取的措施
先期在五寨站专用线内停放2组SS4机车，利用其RC吸收装置对网压波动进行抑制，但是效果不太理想。随后在秦家庄变电所增容改造工程中增加了110 kV电源谐波抑制装置，对牵引网注入110 kV系统的3次、5次、21次谐波进行抑制。该装置已经安装完成，投入后将对高次谐波过电压产生一定的抑制作用，但是由于其不是专门针对五寨站谐振过电压设计，难以从根本上解决五寨站谐振过电压的问题。
3.2 大同枢纽采取的措施
对于大同枢纽的谐振治理，从车网2方面均采取了措施，一方面运输部门调整了大同站区的车流设置；另一方面，按照测试结果制定了安装地面无源滤波装置抑制高次谐波谐振的技术方案，具体实施方式为在大西开闭所加装1套二阶高通滤波装置。预计实施后，该滤波装置能够解决大同枢纽谐振过电压问题。 3.3 迁曹线采取的措施
中国铁路北京局和太原局协调合作，在曹南AT所安装了1套既有高次谐波滤波装置用于抑制谐波谐振，并针对该区段谐波谐振特性，设计1套全新无源滤波装置安装在曹北开闭所，于2018年7月投入运行。2组装置投入运行后，对曹北开闭所和唐海变电所波形和数据进行了监测，高次谐波谐振现象再未发生，谐振治理效果显著。 20
4 结语
经过对近年来较为突出的牵引网谐振过电压情况的分析，针对谐振特点得出以下结论：在各个线路区段，高次谐波谐振过电压的出现往往是在HXD型机车大量投入使用以后；机车谐波源特性无法在短期内得到改善的情况下，采取在地面牵引供电系统加装滤波设备的措施是可行、有效的。但采用在供电系统加装滤波装置的措施，往往是在过电压已经发生后，而不是在牵引供电系统设计阶段，较难做到风险预防，治理此类高次谐波谐振，还需要相关研发和制造单位对HXD型机车进行深入研究，优化网侧变流系统的谐波特性，从源头上解决谐波谐振问题。
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收稿日期：2019-02-28
