王岗牵引变电所谐波缺陷整治浅析

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摘 要：通过对王岗牵引变电所因谐波引起故障情况的分析，集中力量开展基础研究、测试、分析，进行了模拟试验和整治攻关活动，依托现场情况和相关标准规程的要求，从技术和管理两方面对王岗牵引变电所谐波进行整治。

关键词：高次谐波 在线监测 低频谐振电压

中图分类号：TM922.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）09（b）-0061-01

随着牵引供电系统内交流电力机车的广泛应用，非线性负荷不断增加，牵引供电系统中的谐波含量不断上升，谐波污染对供电系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给电气环境造成较大影响，因此，在保证牵引供电系统安全可靠运行的前提下，优化机车运行数量、配置有效的技术手段及防范措施，以改善牵引供电系统供电质量。

1 故障概况

2011年10月22日16：20哈尔滨南站至五家站间接触网临时停电。原因为王岗牵引变电所电容1补偿报警，王岗牵引变电所221、212、215、101、201、211、214、222断路器相继跳闸。根据变电所保护动作情况及电容器出现的鼓包现象初步分析，引起变电所总保护动作致使全所跳闸的原因可能是牵引负荷产生的高次谐波影响造成。

2011年11月30日19：40至20：15分，王岗变电所牵引供电范围内运用的8台SS9型电力机车RC支路共计18个电阻烧损，导致多次旅客列车晚点。

2 并联电容补偿装置故障情况检查

牵引变电所内采用并联电容补偿装置，采用并联电容无功补偿装置是对变电所技术指标和经济性能起到一个综合的作用，补偿系统无功，提高系统功率因数，构成有效的滤波通路，同时有效的降低牵引变压器功率损失和网损，提高牵引变压器的容量利用率。组合后额定总电容量：8.89 uF，单只电容额定总电容量：17.78 uF、额定电压：27.5 kV、额定电流：87.3 A。

故障电容器测试电容量为0.0015 uF，通过对故障电容器进行拆解，采集介质绝缘油样，颜色呈黑灰色，含有杂质，绝缘油放出过程中间位置采取样品进行电气试验，耐压试验电压升10～12 kV电压等级绝缘介质击穿，电气指标不合格，仅能满足额定电压耐压（9928 V）水平。

将电容器解体，检查整组电容器外观，电容板由上至下第42～44块单独的电容板两侧出现击穿现象，主要击穿电容板为第43块，击穿造成极板两侧绝缘介质破裂，两侧破裂宽度分别为15 cm和10 cm，外壳内部相对应位置金属外壳有3点电弧灼烧痕迹。

3 引发故障原因分析

3.1 运行电压原因

正常运行情况下，此种电容器在所有气候条件下都使用，电容器的外壳温度不得超过60 ℃，运行电压不应该高出额定电压的10%，运行电压过高，将减少电容器的使用寿命，电容器内介质的损耗与电压的平方成正比，运行电压升高，电容器的介质损耗将增大，电容器温度上升，造成绝缘下降，导致击穿损坏。

3.2 高次谐波及过流原因

牵引网中的HXD3B、HXD3C型号交流传动电力机车（包括CRH5型动组车）在运用给流运行中均会产生高次谐波，同一时段内在线交流传动电力机车运用数量较多，而直流电力机车运用台数较少，导致高次谐波电流逐渐上升，谐波次数能够达到基波频率的100倍，并且在500 Hz至数KHz有多个波段谐波存在。

牵引网中的谐波源（机车），如果投入并联电容补偿装置，会造成系统中的谐波更大，产生涌流现象，如果条件具备可以对电容器网电处的谐波分量进行测试，确定安装的串联电抗器的容量。王岗所的并联电容补偿装置采用的串接电抗器，以此抑制高次谐波，在设计中应该考虑到抑制三次谐波电抗器的容量与电容器组的容量应满足下列关系，QDK≥QDR /n2 ×100%，哈大既有线牵引变电设备不具备谐波在线监测功能。

3.3 谐波共振

由接触网、系统电源、牵引变压器、电容补偿器组成的牵引供电网络具有一定的谐振频率，当外部电流频率与谐振频率一致时，可引发谐波共振，交直交车的谐波电流频谱分布广泛，易激发牵引网，形成谐波电流放大或电压畸变、电压升高。

4 谐波产生的原因及危害

（1）谐波的产生影响电子设备的工作精度，将使得继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差。

（2）谐波产生的谐波共振引起谐波电流放大，流经补偿电容器组，引起电容器组熔丝熔断及电容器过流损坏。

（3）谐波谐振会产生过电压，施加在回路中的电容器、互感器以及断路器等设备上，引起高压电气设备绝缘损坏。

（4）谐振引起的过电压，导致避雷器在过电压的作用下连续动作，最终会发生热崩溃而损坏。

（5）谐波污染电能质量引起直流机车元件损坏，如DC600V列供电源中RC支路电阻烧损。

5 谐波源测试

（1）装设电能质量在线监测装置对王岗牵引变电所馈线电压、电流指标情况进行在线监测，结合电力机车运行图找出相关机车的谐波特性。

通过实际测量HXD3B、HXD3C和CRH5谐波主要包含23、25、27和29谐波，不含偶次谐波，单机在空载和负载运行时谐波量变化不大，但是谐波含有率差别很大；SS9型电力机车谐波以3、5、7、11和13等低次谐波为主；HXD3B型电力机车单机谐波含有量小于20 A，哈南上行区段内输出高次谐波最大30 A以内，出口为哈站方向运行机车和牵引变压器高压侧，哈南下行谐波更小些，持续时间更短。

（2）通过实时测试王岗牵引变电所馈线电压波形畸变和电流高次谐波含量，找出低频谐振频率和谐波含量变化规律；谐波含有量高的时段发生在早晨客运列车集中到达时段，27次附近谐波最大可达到80 A以上，谐波含有率高达400%以上，原因是HXD3B、HXD3C和CRH5型车再生制动谐波叠加造成的，谐波出口为相邻馈线上的运行电力机车和变电所的牵引变压器高压侧。

6 采取技术措施

在王岗牵引变电所电流高次谐波在线监测系统，对27.5 kV侧馈线电流高次谐波实现在线监测，通过设置与供电调度的在线远程监控系统对监测的数据内谐波含量和频谱进行分析，通过设置的报警整定值实现实时告警。

监测王岗所27.5 kV侧母线低频谐振电压是否存在越线，整定值设定为28750 V， 214供电臂25次谐波含量越限告警设置为30、214供电臂27次谐波含量越限告警设置为35、212供电臂25次谐波含量越限告警设置为40、212供电臂27次谐波含量越限告警设置为45。

7 结语

在今后的工作中我们应该在深入调研、现场实测、试验研究的基础上，运用新的技术手段及防控措施对牵引供电系统中存在的谐波污染进行综合整治。

参考文献

[1] 西安铁路工程（集团）有限责任公司电气化技术研究所.德国牵引供电技术变电系统培训教材[Z].

[2] 苏晓渤，杨君，王跃.电气化铁道的谐波现状及其治理方法[Z].

[3] 哈铁机网电（2011）第2220号《关于下发“解决HXD3B、HXD3C型交流电力机车产生高次谐波造成直流电力机车过压电阻烧损问题”会议纪要的通知[Z].

[4] 哈铁供网电（2012）第608号《关于公布“哈局电力机车高次谐波防控措施”的通知》[Z].