浅析接触网高次谐波对交流电力机车运行的影响

浅析接触网高次谐波对交流电力机车运行的影响

樊冬宝

北京局集团有限公司唐山机务段河北唐山064000

摘要：交流电力机车运行中产生的高次谐波占牵引供电系统谐波总量的40%，危害较大。本文通过分析一起唐呼线单元万吨列车避雷器炸裂的原因，提出对策。

关键词：交流机车；高次谐波；运行；对策

1前言

随着电力电子技术的迅猛发展，电气化铁路牵引动力进入交流传动时代。交流电力机车工作时，升起的受电弓将单相工频交流电引入机车，经主变压器降压，再转换、逆变为电压和频率都可调的三相交流电，供给三相异步牵引电机动力。但是，交流电力机车运行中产生的高次谐波与牵引供电线路的电容、电感耦合引起振荡，形成过电压导致接触网跳闸，因此，抑制高次谐波过电压是关系交流机车正常运行的一个课题。

2事故概况

2018年12月3日，呼和局集宁机务段司机使用外重联HXD1型1674+1675机车值乘72329次单元万吨列车，运行至唐呼线下行K395+300时，本务机车A节避雷器击穿放电，接触网连续三次跳闸后请求救援。

3原因分析

3.1司机作业过程

2018年12月3日，72329次杨木栅子站通过，电制工况运行时，机车车顶异音、主断跳闸，立即降弓、停车，后二次升弓放炮，请求救援。

3.2HXD1型1674机车故障情况

（1）机车IDU屏故障：原边电压偏低一级保护；主断硬件回路断开。

（2）机车进入无电区后，登顶检查发现：本务机车A节避雷器炸损。

图1IDU故障履历图21674号机车A节避雷器放电炸损

3.3HXD1型1674机车微机数据分析

（1）机车于14时39分21秒出现：原边电压偏低一级保护。

图31674机车A级故障记录

（2）事件记录波形显示：14时37分51秒，速度73Km/h，电制动工况，原边电压26271V；14时38分04秒原边电压跃变为23667V；14时39分21秒主断跳开，网压为零，此时避雷器击穿。

故障发生前后，原边电压有突变现象。从图4看出，机车电制动工况，避雷器击穿前77S内原边电压有效值跌落幅度达2604V。

图41674机车A节事件记录波形

3.4HXD1型1674机车TCU数据分析

（1）网压信号以变压器变比（25/970）记录于TCU数据，即：TCU数据显示970V时，表示网压为25KV。

机车TCU数据显示：故障时信号峰值为1835V，即：瞬时网压为1835×25/970=47.29KV。

（2）从TCU波形图看出，故障时刻机车处于小功率电制动工况，网压严重畸变，其波形峰值被削平。因TCU采集的原边电压最高限值为47KV，故记录的最高数据低于瞬时峰值。

（3）机车TCU波形显示：网压突然消失，此刻避雷器已击穿，接触网对地绝缘骤降导致变电所跳闸。

3.5牵引供电数据分析

(1)机车故障区段处于杨木栅子变电所211#馈线供电臂（K374+041～K397+933），供电臂长23.892Km，采用AT供电方式。

（2）变电所数据显示：14时22分前，211#馈线电压在27.6KV正常范围内。自14时22分开始出现波动，14时39分14秒电压达到最大值34.58KV；14时40分恢复正常，网压波动时长8min。

3.6综合分析

(1)该供电臂存在严重的谐波谐振现象，究其原因系区间运行的交流机车在小电流电制工况下产生谐振，以17次（850Hz）和19次（950Hz）谐波为主，谐振谐波电压叠加在网压基波（50Hz）上，使其总有效值和峰值都增高，最高达47KV以上。

(2)由于网压异常升高，避雷器启动保护功能，开始吸收过电压；频繁出现过电压或单次过电压超过避雷器承受能力时，其内部氧化锌阀片失效、击穿、炸裂。

(3)接触网第一次跳闸系1674机车避雷器击穿所致，第二次跳闸系接触网自动重合闸所致，第三次跳闸系司机盲目二次升弓所致。

4结论

（1）从机车往牵引变电所看，牵引供电系统可视为一个包含电感和电容元件的复杂网络，存在多个串、并联谐振点，当谐波源注入电网的谐波频率接近或等于网络谐振频率（通常高于500Hz）时，激励电感、电容产生谐振，形成谐波放大，产生过电压。

(2)各台交流机车牵引电流谐波的相位差与彼此之间的距离、牵引电流的大小及牵引供电网络分布参数密切相关。

(3)在同一供电臂内，多台交流机车同时运行，若机车满载时电流畸变较小，高次谐波影响不大；若机车空载或轻载（小电流电制动工况），且彼此间距较近时，电流畸变达到最大，高次谐波影响凸显，各台机车网压相同，牵引电流谐波的相位差为零，产生的11～19次谐波将相互线性叠加在网压基波，出现网压峰值。

(4)牵引变电所容量越小，抗谐波干扰能力弱，高次谐波影响严重；馈线距离越长，高次谐波影响严重；直接电气连接的阻抗平衡型变压器两个供电臂之间的高次谐波相互叠加，影响严重。

5防范对策

(1)研判安全风险。机务部门对交流机车产生的谐波因素做好认知，研判两台外重联机车在特殊场景下运行风险，制定措施。司机运行中注意确认网压表显示，遇车顶异音、网压异常或无网压时，立即断电、降弓、停车，严禁盲目二次升弓；数据分析中心调阅CMD数据做好指导，防止发生顶电或烧网。

(2)测试谐波频率。供电部门在唐呼线分区所进行牵引供电网络阻抗频率特性测试，准确掌握整个供电臂在各种运行方式下的阻抗频率特性，采集谐振频率的分布及变化数据，制定滤波对策。

（3）源头治理谐波。由于交流机车的谐波源特性无法在短期内获得改善，建议：供电部门在地面牵引供电系统加装滤波设备，以抑制谐振过电压，提高电能质量。

（4）优化运输组织。针对唐呼线高次谐波谐振现象突出的现状，调度所严格限制同一供电臂内单元万吨列车的开行数量，以3列为限，避免3台及以上机车同时在同一供电臂内运行。

结束语

针对唐呼线谐振谐波过电压危害，机务、供电部门要密切配合，加强机供联控，掌握相关信息，开展联合整治，源头治理谐波，提高电网品质，有效减少高次谐波对机车运行的影响。

参考文献：

[1]于坤山，电气化铁路供电与电能质量，中国铁道出版社，2011

[2]王兆安、刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009