电气化铁路用户的谐波分析与治理方案

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为了消除电气化铁路用户产生的谐波对电力系统及用户电力设备的影响，从SS4改进型电力机车牵引原理出发，分析了电气化铁路谐波产生的原因及危害。根据有源滤波器与无源滤波器的原理和特点，并结合不同的系统情况，提出了适宜电气化铁路用户的谐波治理方案。为电气化铁路用户谐波治理提供了经济有效的路径。

【关键词】谐波治理 谐波危害 电气化铁路 有源滤波器

目前，电力机车的牵引动力回路都含有整流电路，越来越多的电气化铁路也成为影响电力系统电能质量的主要谐波源之一。谐波对电力系统以及用户设备的危害是多方面的，且考虑到电气化铁路用户负荷的重要性，我们有必要采取合理措施，对电气化铁路产生谐波进行治理，使电力系统以及电气化铁路能够安全可靠运行。

1 电气化铁路谐波的产生原因与分析

无论是交直传动的电力机车还是交直交传动的电力机车，其牵引动力回路都含有整流电路。我们以SS4改进型电力机车为例，分析谐波产生的原因。SS4改进型电力机车是目前比较常见的重载货运列车，其技术特点为：采用不等分三段半控桥晶闸管相控调压，采用大功率ZPA21001-28、KPA1300-28整流管和晶闸管，采用LC功率因数补偿和三次谐波滤波装置。其牵引主电路如图1。

不等分三段半控桥晶闸管相控调压的工作方式为先投入四臂桥，触发T5和T6。T5、T6、D3、D4顺序移相，待整流电压由零升至1/2Ud（总整流电压）时，依次触发T1、T2、T3、T4，投入六臂桥。因此电力机车从电力系统中吸收的是缺角的正弦波，给电网留下的是另一部分缺角的正弦波，显然其留下部分含有大量的谐波。因为平波电抗器的谐波阻抗远远大于系统的交流谐波阻抗， 这种谐波源注入电网的谐波只由直流侧电流和各半导体的切换方式决定。且电流谐波成分基本与交流侧的内阻和电压无关， 所以这种谐波源可以被看成是一个典型的电流型谐波源。图1可知SS4改进型电力机车的牵引主电路由四臂桥和六臂桥两部分组成，且其主电路中装设有三次谐波滤波装置。因此，我们可以重点关注5、7次谐波对电力系统的影响，对于早期的韶山型电力机车还应考虑3次及其他谐波对电力系统的影响。

2 电气化铁路用户的谐波监测与治理

随着电气化铁路不断发展建设，它已成为影响电力系统的主要谐波源之一。因此，我们必须采取相应措施对电气化铁路产生的谐波进行限制。

2.1 电气化铁路的谐波监测

根据GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》相关规定，测试谐波时，公共连接点母线应在最小运行方式下运行，并选择谐波量大的时段进行监测。我们在某110KV牵引变电站线路供电侧，即电气化铁路的公共连接点进行了谐波监测。其基波及各次谐波最大值如表1。

GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》中对注入公共连接点的谐波电流允许值也做了相应规定。对于110KV电网注入公共连接点的谐波电流允许值为如表2。

当电网公共连接点的最小短路容量不同于表2 基准短路容量时按公式（3）修正表2 中的谐波电流允许值

（3）

式中Sk1为公共连接点最小短路容量；Sk2为基准短路容量；Ihp为表2中谐波电流允许值；Ih为短路容量为Sk1时的谐波电流允许值。公共连接点处母线最小短路容量为741.8MVA，经过公式（3）修正后，注入公共连接点的谐波电流允许值如表3。

对比表1与表3可知，公共连接点处5次、7次谐波均超标。

2.2 电气化铁路的谐波治理方案

谐波对电力系统及电力设备的危害已引起广泛关注。包头电网就曾发生过由于谐波侵扰导致停电的事故。针对电气化铁路谐波我们可以采取以下治理方案。

2.2.1 采用新型电力机车

与先前韶山型电力机车相比，SS4改进型及更先进的电力机车采用了LC功率因数补偿和三次谐波滤波装置即PFC装置。

该装置通过滤波电容和滤波电抗形成串联谐振，以降低三次谐波含量，提高电力机车的功率因数。通过表1与表3的对比可以发现，三次谐波可以被抑制在允许范围内。目前，大部分机车内已安装PFC装置，有效减少了三次谐波对电力系统的侵扰。老型号的机车应逐步淘汰，避免使用。

2.2.2 装设无源滤波器

无源滤波器是实际应用最多、效果较好、价格较低的谐波解决方案。但它也存在一些问题，例如当它的阻抗与系统阻抗接近时，有发生并联谐振的危险。此时滤波器对该次谐波电压反而会放大数倍，导致设备的损坏。此外，它还有调谐困难、损耗大、体积大、只能吸收固定一到两种谐波等缺点。

如果供电点系统阻抗变化不大，且经过实际监测超标的谐波次数较单一，就可以考虑采用装设无源滤波器的方案。尤其适用于一些偏远地区电网所接带的牵引变电站。这些电网中所接带的工业用户少，系统阻抗基本不变，谐波分量也较单一。该方案的经济性和稳定性很受用户青睐。

2.2.3 装设有源滤波器

有源滤波器是一种新型的抑制谐波兼具补偿无功功能的装置。它能实时检测负载电流中的谐波分量， 产生一个与其幅值相同、相位相反的谐波电流， 并将其注入系统， 使线路中的谐波相互抵消， 达到滤波的目的。

3 结语

综上所述，由于有源滤波器与无源滤波器的特点不同，抑制谐波的原理也有很大差异。我们应根据电气化铁路用户及电力系统的具体情况采取相适宜的谐波治理方案，才能使用户的谐波治理工作达到经济有效的目的。

参考文献

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[3]任元会，姚家，卞铠生等.工业与民用配电设计手册[M].北京：中国电力出版社，2005.

作者单位

包头供电局 内蒙古自治区包头市 014030