交流电力机车谐波特性及治理初探
中图分类号：U264 文章编号：1009-2374（2016）09-0072-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.034
1 谐波的概念
谐波是电气量频率为基波整数倍的正弦波分量。对于我国使用的50Hz电源来说基波为50Hz，三次谐波为150Hz，5次谐波为250Hz，以此类推。产生谐波的主要原因是正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变。主要非线性负载有整流装置、逆变装置、斩波装置、变频装置、开关电源等。直流电力机车中的整流装置，交流电力机车中的整流、逆变装置，牵引变电所直流屏充电模块均可产生谐波。
2 HXD型电力机车简介
HXD系列电力机车是南车集团和北车集团与国外企业合作，引进消化技术并国产化的新一代交流电力机车，设计最高时速均为120km/h。HXD系列电力机车主电路由受电弓、主断路器、变压器、整流器、逆变器及辅助变流器等组成。受电弓完成从交流牵引网到机车的高速受流；主断路器接通断开25kV主回路，并具备机车过载、短路、接地等保护功能；变压器完成高低电压转换、电气隔离，同时还集成了变流器电感和二次谐波滤波电感；牵引整流器将变压器次变电压转换为直流电压提供给逆变器，同时保证次边电流与电压相位相同或相反；牵引逆变器完成对交流电机的驱动控制；辅助变流器提供通风机、压缩机、各种泵、空调、加热器、蓄电池充电机、冰箱、计算机等辅助设备电源。
HXD系列电力机车牵引整流器和牵引逆变器均采用四象限变流及PWM技术，所以牵引整流器和牵引逆变器也被称为四象限变流器或PWM变流器。四象限变流器采用单相全桥电路，可实现能量的双向流动并保证网侧功率因数近似为1。设四象限变流器的开关频率为f，采用单极性调制策略，则从变流器交流侧输入电流（牵引网电流）谐波特性分析来看可视等效开关频率为2倍的f。机车容量较大，无法采用单个四象限变流器实现该容量的能量变换，通常采用基于机车变压器的多重化策略，一方面实现容量拓展；另一方面实现谐波优化。若机车采用n重四象限变流器，则等效开关频率为2nf。
3 HXD型电力机车谐波特征
第一，等效开关频率为2nf的机车变压器原边电流（牵引网电流）主要谐波边带集中在2nf±1、2nf±3等区段，低次谐波基本被抵消，从而实现谐波优化。HXD型电力机车上线运行后，牵引网电流中的3、5、7次等低次谐波含量显著减少，但谐波频谱变宽，通常在1～10kHz范围都存在可测谐波电流。
第二，HXD机车牵引电流谐波畸变率随着负载增大而减少。当机车处于满载时，电流谐波畸变率值较小，通常小于5%，但当机车处于轻载或空载时，电流谐波畸变率值达到最大，这时甚至超过100%，也就是说基波电流小于谐波电流。谐波畸变率是表征电压或电流谐波含量的参数，其定义为各次谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比（用百分数表示）。
第三，HXD机车网侧变流器的开关频率越高，主要谐波次数越高，且谐波总量也越少，但变流器开关频率还受器件损耗和散热条件限制。HXD机车网侧变流器重数越多，则等效开关频率越高，低次谐波通过变压器磁路相互抵消，主要谐波次数往高次上移，而谐波总量缩小。网侧变流器交流侧输入电感越大，牵引电流主要谐波次数不变，但谐波总量变少，但输入电感还受变流器容量和制造工艺和体积限制。
4 牵引网谐波传递特性
任何含有电感、电容元件的系统网络都存在谐振点，从机车往牵引变电所看，牵引网可以视为一个包含电感和电容元件的复杂无源网络，任何牵引网均存在多个串联谐振点和多个并联谐振点，但存在谐振点并不一定发生谐振，是否引发谐振取决于谐波源向该网络中注入的谐波频率是否恰好满足该网络发生谐振所需的条件。当谐波源注入系统的谐波频率等于网络谐振频率或两者接近时，便会激励该网络产生谐波谐振。直流机车产生的谐波多为3、5、7次谐波，而牵引网谐振频率通常高于500Hz，因此直流机车运用多年并未发生高频谐振现象。
各台机车牵引电流谐波的相位差与交流机车彼此之间的距离、牵引网分布参数、交流机车牵引电流的大小相关是一个不断变化的时变系统。同一供电臂下各台机车的牵引电流高次谐波，随着机车之间相位差变化，可能产生相互线性叠加、矢量叠加以及抵消等关系。当多台交流机车彼此之间距离很短且均工作于小电流工况时，可以认为各台机车牵引网电压相同，牵引电流谐波的相位差为零，各台机车牵引网电流的谐波将只会相互线性叠加，而不会出现抵消，所以在交流机车集中使用区段特别是小电流使用区段，高次谐波影响凸显。尤其是较大的战场，如平凉南因谐振经常造成变电所馈线跳闸。谐波影响还与系统容量有着密切关系，比如同样是较大战场的迎水桥，却受交流机车谐波影响较少，原因在于迎水桥牵引变电所所在系统容量大，抗谐波干扰能力强。
5 牵引网谐波危害
第一，牵引网自身存在一定的谐振点，当交流机车产生的谐波频率与牵引网谐振频率相等或接近且幅值足够大或者说阻尼电阻足够小，该频率的电压被放大，超过设备所容许的电压范围，击穿设备绝缘或放电间隙引起跳闸。2014年银川供电段管内变电所因机车设备绝缘击穿或放电间隙烧伤原因造成的跳闸共计107件，多数跳闸发生在供电臂末端和较大战场所在处。
第二，当同一供电臂下存在多台轻载交流机车同时工作时，牵引网电压当中可能出现低频振荡现象，导致交流机车牵引力急剧下降，牵引负荷急剧增加，造成馈线过负荷跳闸。据不完全统计，2014年银川供电段管内变电所因馈线过负荷造成的跳闸共计23件。
第三，高频谐振烧毁牵引变电所直流屏充电模块，烧毁接触网避雷器。仅2014年银川供电段管内变电所牵引变电所直流屏充电模块共计烧损15块，对安全供电产生了极大威胁。
6 牵引网谐波治理初探
第一，交流机车网侧变流器设计时，等效开关频率不宜超过5000Hz（100次），如果牵引电流主要谐波频段在100次以上，可能导致辐射干扰现象，加大谐波处理难度，另外，开关频率提高还使得整车损耗增大，效率降低。
第二，通过修改交流机车控制软件，在车载变压器原边串接电抗器或并接RC支路，合理调度交流机车适当分散使用等措施减少交流机车注入牵引网的谐波量。
第三，分线路应对优化牵引网对谐波的抑制。对于纯直流机车运营线路采用静止型无功补偿装置SVC加滤波电容FC补偿方案达到提升功率因数需求；对交直流机车混用线路采用静止型无功发生装置SVG（或有源电力滤波器APF）加高通滤波器HPF补偿方案既对无功进行补偿又可以有效治理高次谐波。对于纯交流机车运营线路采用有源电力滤波器APF）加高通滤波器HPF治理方案可满足小容量无功补偿和谐波治理的需求。
7 结语
优点众多的交流电力机车的投运是对铁路运输能力的一次提升，但同样也是对牵引供电设备的一次考验，需要供电系统密切关注，注意加强数据监控和分析，并积极主动寻求与机务等系统沟通和联系，借鉴其他兄弟单位的经验。只有这样才能与时俱进，提高设备质量，才能确保安全、优质供电。
