于国旺

（神华朔黄铁路发展有限责任公司，河北省肃宁县，062350）

朔黄线作为国家继大秦铁路之后的第二条西煤东运的大通道，使用电力牵引是满足重载铁路运输任务和环境保护要求的首选，但不论哪种型号的电力机车，都会使用大功率的换流装置，谐波的产生是一个不可回避的问题。朔黄线的贯通、自闭10 kV 电源，一路从牵引27.5kV 母线降压至10kV获得，另一路取自地方10kV 电源，肃北地区的两路10kV 电源均通过110kV 电源降压后直接获得，但110kV 进线电源与牵引进线电源并接。与牵引网电源有关联的10kV 电力电源均受到了牵引网谐波的干扰。随着运量的不断提升，电力机车上线运行的数量不断增加，谐波含量也不断加大，电能质量下降问题越来越突出，对通信、信号设备产生了不小的干扰，比如，肃北通信楼机房开关电源频繁上报 “交流输入电压超限报警”；信号楼区间电源屏多次出现 “稳压模块保险熔断”；铁路沿线使用的自闭线路因电源电压的大幅波动 （超过25%，电源电压瞬间低于165V）、闪变造成信号电源自动倒路等，都不同程度地对运输产生了一定的影响。本文通过分析通信、信号设备故障现象与牵引网谐波之间的联系，找出特征谐波对电气参数的影响并制定相应的对策加以制止，以满足运输生产的需要。

1 通信、信号设备的故障现象及电能质量监测结果

1.1 肃北站通信电源屏故障报警

1.1.1 故障现象

2013年7月26日，通信电源AC 相高压瞬间报警，作业组用数字万用表测试，电压值正常。

2013年7月27日，供电部门使用数字万用表测试，结果显示电压值正常。通信工程师与供电工程师测试结果相同，遂通知电源屏生产厂家共同判断，初步定性为通信电源屏的电能质量监测部件出现故障。

2013年7月30日，通信电源柜厂家对监测板进行了更换，在观察新板运行状况过程中，高压报警又频繁发出，经过分析怀疑电能质量有问题。

1.1.2 电源质量测试

2013年7月30日，通过对肃宁北站通信电源电压质量进行测试，发现通信主用电源波形严重失真，谐波含量较高。通过与洛阳电源屏厂家对神池南站信号引入电源测试波形分析的比对看，肃宁北站的电源失真度更为严重，神池南站信号引入的电源失真度在14%～17% （标准是不大于5%），波形如图1～图4所示。

通过监测发现，肃宁北站AC相出现的高压是由于外电网造成，捕捉到的高压值瞬间达到709V，如图5所示。

1.1.3 处理措施

2013年7月31日，通信电源屏供电电源倒接至备用2路试验，通过观察试验未发生高压报警。与供电部门联系，2013年8月13日，利用天窗点再次对主用1路电源质量进行测试，如图5所示。波形相对正常，在合格范围内，天窗点测试的波形如图6所示。

图1 肃宁北站通信主用三相电源波形图

图2 肃宁北站通信主用三相电源谐波图

图3 洛阳电源屏厂家测试的神池南站的单相电源波形图

1.2 肃北站信号楼区间电源屏故障

1.2.1 故障现象

2013年8月18日，肃宁北站旧信号楼区间电源屏报警，稳压模块保险熔断。查看设备记录，在7月29号也发生过稳压模块保险熔断。

图4 洛阳电源屏厂家测试的神池南站的谐波图

图5 肃宁北站通信电源屏电压质量监视图

图6 肃宁北站通信电源屏主用1路电源天窗点波形图

1.2.2 电源电压质量测试

经过测试，电压波形及谐波同通信楼一样。

1.2.3 初步判断

通过调查发现，通信的主用1路电源由肃北变电所334开关供电，旧信号楼1路、由肃北变电所338供电，三处设备电源虽然供电开关编号不一致，但334、338 开关由同一台动力变压器供电，电压波形一致也就顺理成章。

切换至不与牵引变压器并联使用110kV 电源的备用2路电源，情况明显好转，且电源电压波形图与天窗点 （图6）基本一致。

1.3 肃宁北更新改造的区间电源屏故障

2013年10 月20 号，肃宁北对更新改造区间电源屏借用空调电源进行上电调试，通电后多个轨道模块出现保护状态，电源无输出。

通过用示波器监测空调电源，发现空调电源瞬间B相电压较低，峰值160V 左右，有效值120V左右，A、C相电压较高，相电压峰值达到430V，有效值310V 左右，谐波含量较高，如图7所示。

图7 肃宁北站信号楼空调电源电压波形图

通过对信号1、2路电源的比对测试，1 路电源与空调电源波形一致，如图8所示。

图8 肃宁北站信号1路电源电压波形图

肃宁北站信号楼2路电源波形如图9所示。

通过与厂家共同分析，出现模块保护的主要因是外电网引入的电源的质量问题导致。

图9 肃宁北站信号2路电源电压波形图

出现波形异常的原因，经过与供电询问，空调电源使用的是站馈4，信号1 路使用的是站馈8，信号2路使用的是站馈3 （由肃宁北变电所1号动力变供电），当时肃宁北变电所内牵引变压器是2号变向牵引网供电，与供给站馈4、站馈8的2号动力变共用110kV 进线电源。确定出现波形异常的电源主要来自与2号动力变供电的系统。

1.4 其他车站信号电源屏故障

为了验证谐波的影响，对沿线车站自闭电源使用情况进行调查发现。

2013年6月6日，沧州西站微机监测报警窗口频繁出现 “三相电源错序Ⅰ路错序”报警提示，如图10所示。

图10 沧州西站信号电源监测提示窗

“三相电源错序Ⅰ路错序”发生无规律性，发生周期不定，每次从发生到恢复的时间有长有短，长则超过3min，短则10s左右。且区间电源屏由Ⅰ路电源主供时，多次出现自动由Ⅰ路电源倒至Ⅱ路电源供电的现象。经查看Ⅰ、Ⅱ路电源质量监测曲线，无论是相电压、线电压还是相位角，Ⅰ路电源波动都较大，特别是相位角的波动已超出了微机监测设置的上下限，造成微机监测频繁出现报警提示。同时区间电源屏由Ⅰ路电源供电时会自动切换到Ⅱ路电源供电，也极有可能是因为区间电源屏相序盒监测到输入电源波动较大造成的。相反，Ⅱ路电源的各种参数曲线均较平滑，无剧烈波动，供电质量远高于Ⅰ路电源。如图11、图12、图13、图14所示。

图11 1路电源相电压波形

图12 2路电源相电压波形

图13 1路电源相位波形

2013年10月19日07：01分，蠡县车站信号电源报警，经检查确认区间、站内电源屏1、2路电源正常，站内电源屏故障灯亮红灯，DHXDSD1-2模块 （直流转辙机电源2）、DHXD-SH1-1模块 （稳压备用电源的备用模块）和DHXDSH1-3 （联锁电源备用模块）的面板保护指示灯均亮黄灯，模块保护无输出，由于都是备用，未发生设备影响，以上现象持续几分钟后恢复，7：01至8：00期间出现三次。通过与供电询问，出现问题的信号1路是由肃北311供电，311是由2号动力变供电，牵引变压器是2号变向牵引网供电，通过分析导致智能屏3个模块出现过压保护的主要原因是由于肃北电网质量问题导致，10月19日利用天窗时间对区间电源屏和智能电源屏进行I路转换至II路使用，进行观察，未发现问题。天窗结束后，问题重复出现，原因是II路由安国变电所贯通线供电，贯通电源来自安国变电所27.5kV 母线降压至10kV 获得，同样受到干扰。改用安国自闭线向蠡县车站信号供电，故障消除，蠡县自闭电源直接取自地方10kV 电源线。

图14 2路电源相位波形

2 谐波干扰来源分析

2.1 谐波与非谐波

在电力系统谐波问题中，要特别强调谐波的次数n为正整数。实际上在电力系统中有时也存在一些频率不是基波频率整倍数的正弦分量。为区别起见，称这些正弦分量为非谐波或称为分数谐波。

2.2 谐波产生原因

在供电系统中波形畸变问题主要由两大因素所造成。

（1）大功率换流设备和调压装置等的广泛应用。大量家用电器如：电视机、电磁炉、变频空调和调光灯等普遍采用晶闸管以及各种非线性负荷的增加导致波形畸变。

（2）设备设计思想的改变。过去倾向于采用在额定情况以下工作或余量较大的设计。现在为了竞争，对电工设备倾向于采用在临界情况下的设计。例如有些设计者为节省材料使磁性材料工作在磁化曲线的深饱和区段，在此区段内运行会导致激磁电流波形严重畸变。

由此可见，非线性负荷接至供电系统，以及供电系统本身存在非线性元件，是造成电力网电压波形畸变的根本原因。

2.3 谐波源分析

2.3.1 发电源质量不高产生谐波

发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致，造成发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说相对很少。

2.3.2 输配电系统产生谐波

输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密度选择在磁化曲线的近饱和区段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流0.5%。

2.3.3 用电设备产生的谐波

晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5 次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11 次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。

3 谐波治理对策

3.1 谐波治理基本思路

3.1.1 优先采用谐波含量符合标准的电源

按照 “TB／10008-2006 铁路电力设计规范”电源及供电系统规定： “铁路供配电系统的电源，应优先采用公共电网可靠电源。在电气化区段，技术经济合理时可与牵引变电站共用电源或接触网供电作为备用电源”的原则。

作为用户，如果有条件，贯通、自闭电源应直接从电能质量较高的地方10kV 电源引入两路独立电源，或者通过更高等级的电源降压获得。鉴于27.5kV 母线降压至10kV 电源存在的谐波含量高、网压波动大的问题，尽量避免使用。

3.1.2 仅对重要敏感的设备进行谐波治理

受电源条件限制，根据朔黄线AT 改造设计的主接线方式，即使采用110kV 降压获得自闭、贯通的10kV 电源，也不可避免的要和牵引电源共用一条进线，谐波的存在不可避免。所以，为了避免谐波对通信、信号设备的干扰，谐波治理应遵守效益最大化的原则。并非所有用电设备都对谐波特别敏感，如果供电部门进行综合治理，势必投入设备的容量会很大。如果只对通信、信号乃至特殊用户的设备进行前端谐波治理，则需要的容量就会很小，经济效益明显，所以，谁敏感、谁加治理设备的方式更好。

3.2 谐波治理的方法

3.2.1 采用无源滤波装置

无源滤波器主要由滤波电容器，滤波电抗器等适当组合成LC 滤波装置，滤波器除起滤波作用外，还兼作无功补偿作用。这种滤波器最早出现，具有结构简单，投资少，运行可靠性高，应用较为广泛。但也存在一些问题，如当系统结构或参数发生变化或滤波器本身参数变化时，滤波器可能产生谐波放大，而且这种滤波器对电压波动负序等不能综合治理。

3.2.2 采用有源滤波装置

随着大功率电力电子器件技术的突破与发展，ABB公司推出了采用脉冲宽度调制 （PWM）技术构成的有源谐波滤波器，如：“有源动态滤波器PQFM，可以实现滤除2～50次谐波和无功功率补偿的目的”。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行很好的补偿，且补偿特性不会改变，阻抗特性不会受到影响。当电网结构发生变化时，装置本身不存在谐振问题，其补偿谐波的性能不变，同时还能抑制串、并联谐振，因而受到了广泛的重视，并且已获得应用。

3.2.3 采用交直交电源供电

为了解决信号供电因谐波含量较高，影响信号供电的问题，将380V 电源侧改为交-直-交的供电方式，这种供电方式在西欧一些国家已经有了十年的运行时间，其效果较好。

4 针对朔黄线的改进措施

通过对以上3种常见的谐波治理方法的分析可以看出，这3种方法各有优缺点。根据朔黄线负荷特性要想从根本上治理牵引供电的谐波污染，在对谐波较敏感的设备处采用有源滤波器相对效果较好。当有源滤波器从电网中检测到谐波电流时，补偿装置会产生一个与电网谐波电流大小相等但极性相反的电流，以此抵消谐波污染目的。其优势显而易见：能补偿各次谐波；滤波特性不受系统阻抗等的影响，不会与系统发生谐振；具有良好的自适应功能，能跟踪补偿变化着的谐波，具有可控性和快速响应性，该特点对于朔黄铁路牵引负荷不断变化来说显得尤为适合。

但是有源滤波器本身价格较高，加之牵引电网容量很大，使得补偿装置造价更高。笔者认为采用有源滤波与无源滤波结合组成混合补偿器的方案比较合理。可以利用无源滤波器来消除电流中含量较高的谐波，同时采用有源滤波器来消除无源滤波器没有过滤掉的电流谐波。这样既充分发挥无源滤波器结构简单、易实现、成本低的优势，又利用了有源滤波器补偿性能好的优点，克服了单纯采用大容量有源滤波器成本高的缺点。混合补偿使得在工程总造价较低的基础上使整个装置获得优良的性能，技术经济指标合理。

5 结论

谐波在目前的电力能源供给方式中是不可避免的。随着经济社会发展，各行业对电力能源依赖度的提高，谐波不仅仅单纯来自工业用电，为了节能和电气运行平稳性的要求，家用电气设备也越来越多的使用整流和变频技术，如节能灯、电磁炉、变频洗衣机、空调、电视及微波炉等，干扰源来自用户，用户与用户之间互相干扰，在供电方集中治理已不太可能。除非将传统的输电方式改为直流输电方式，用户可根据自己使用的频率来逆变，也就是“交直交”模式，否则谐波将在用户间互相干扰。谐波的治理要本着区别对待，减少用户的投入，使用户获得最大收益为原则。对于谐波的治理不能遵循一成不变的原则，而一定要滤波。如何把谐波的污染降到最低程度，又不要花太多的钱，是值得同行们一起探讨和研究的问题。

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