许斌

摘要：随着电气化铁路中交流和直流火车数量的增加，交流和直流火车带来了诸如提高功率因数和调试后降低谐波电流等优点。不同类型的交流和直流电力火车在运行期间具有较高的谐波电流频谱，该频谱被馈送到牵引电源系统中。电力火车的运行条件（牵引、空转、再生制动）也会影响将其馈入牵引电源系统的方式。本文通过对电力火车谐波过电压的影响研究，进行了相应抑制措施的探讨，希望为相应工作的处理提供思路与参考。

关键词：电气化铁路;高次谐波;抑制技术

随着电气化铁路中交流和直流火车数量的增加，交流和直流火车带来了诸如提高功率因数和调试后降低谐波电流等优点。由于电流波动产生了很多不利局面，在这种情况下，会出现停车、部件燃烧甚至是爆炸的危险，严重影响电气化铁路正常运输秩序[1]。尽管关于谐波过电压问题的研究成果很多，但从技术实施的角度来看，仍然缺少针对某些领域的创新与技术措施改革。

1 牵引变电谐波过电压的原理及影响分析

1.1牵引变电中引起过电压的原理分析

在电力火车的运行期间，高次谐波的电流被馈入牵引网络。这些高次谐波电流到了网络，通过网络最终汇入牵引变电站，然后经过使用中的变压器影响牵引变电。在外部电源系统中，当电网中的高谐波电流在牵引变电中产生较高的谐波电压，达到牵引网络阻抗。牵引网络是由分布式R，L和C组成的多组件系统。

对于火车的高次谐波电流源，可以使用图1所示的简化等效电路来表示其在牵引变电上的行为。牵引变电的等效谐波阻抗也会发生变化，因此，由注入的相同幅度的谐波电流产生的谐波电压也会发生变化。同时，牵引变电的等效值会因频率不同的谐波电流而变化，对应着不同的抗阻。网络中电压的大小与其对应的电流与位置都存在密切的关系。

通过戴维宁等效电路对其外部情况进行计算，电抗收到牵引影响出现了不规律的变化，牵引变电的电流量可以通过公式进行计算，通过对应T电路，对牵引变电的相关参数进行计算。网络每公里分为一个部分，牵引网各部分的等效值为：对于π型电路，根据牵引网络的导线参数和几何形状，使用多导体理论计算π型电路的参数[2]。

牵引变电是有牵引变压器、网络等效电路和外部系统一块组成的。上面提到的级联等效电路基于Matlab / Simulink平台。将阻抗测量模块放置在有效电路中需要测量的阻抗上，并在牵引网络中的一定距离处扫描牵引变电的阻抗频率，以获得电源臂的阻抗特性曲线。曲线显示：牵引变电在一定的频率下达到最大阻抗。当电力火车的电流正好落在这些频率范围内，就会出现很高的波动以及谐波过电压。该值的频率不会因火车的位置不同而发生变化，即对于运行中的电力火车，牵引变电等的阻抗值对应一定的频率，但是其在不同的位置因为性能不同体现了差异化的参数，电力火车在网络中具有不同的电流消耗点并具有相应的更高阶，谐波的高电压电平也不同。通过在仿真模型中更改π型级联等效电路图中的阻抗测量模块的访问位置，应将抗阻设置在牵引变电不同的位置上，图2 表明了相关参数下曲线的变化规律。等效抗阻在变化中依据一定的规律，在汇入点通过高次谐波造成了该位置电压的不同。

1.2牵引变电谐波过电压主要影响因素

有许多因素会影响牵引变电的谐波阻抗特性，并会从电力火车向牵引网络注入更高次的谐波电流。考虑到牵引变电谐波过电压水平的指标，这些是最重要的影响因素：（1）电力火车将谐波含量和频谱注入牵引网络。不同类型的交流和直流电力火车在运行期间具有较高的谐波电流频谱，该频谱被馈送到牵引变电中。电力火车的运行条件（牵引、空转、再生制动）也会影响将其馈入牵引变电的方式。高次谐波电流的电平和频谱会影响牵引变电的谐波过电压电平。（2）牵引网络的谐波阻抗特性有很多因素会影响牵引变电的谐波阻抗特性。出现最大阻抗的谐波频率，这也影响了牵引变电的较高谐波过电压电平。（3）外部电源。

2 牽引变电的谐波过电压调节

如前所述，当将某些频带中的较高谐波电流馈入牵引变电中时，会产生较高的谐波过电压。因此，可以采用在牵引变电中处理高次谐波的技术措施。次级谐波电源和牵引变电的阻抗特性从两个方面进行：根据采取控制措施的具体安装位置，在车辆的高次谐波控制措施中对它们进行了描述。高次谐波控制措施分。前者安装在电源上，后者安装在地面供电和转换系统（例如变电站和分区）的火车上。

2.1车上谐波过电压处理

对于每个牵引变电，基本定义了高次谐波阻抗的阻抗特性，即，基本定义了具有最高谐波特征阻抗的阻抗值的频率。从理论上讲，电力火车不会将高次谐波电流馈入牵引变电中，不会发生谐波过电压现象，但是交、直流电力火车使用电子设备来校正牵引网络中的交流电，从而确定控制类型[3]。类似于交流和直流电力火车，这也是不可能的，将高次谐波电流馈入牵引变电的频率避免了牵引变电的峰值谐波特性阻抗。

滤波器对于降低馈入牵引变电的谐波电流具有重要的作用。但是，很难完全防止火车将高次谐波进入变电的过程。在这样的条件下，因为火车种类较多，这项技术还能在谐波过电压方面起到很好的调节频率的作用，但仍可以馈入牵引变电。其对应着差异化的抗阻，因此，这也是测试处理火车高次谐波电流的技术措施有效性的重要因素[4]。

2.2地面高次谐波处理

可以通过在牵引变电中添加高通滤波器来实现高次谐波控制。本文仅说明无源高通滤波器。高通滤波器（一阶高通滤波器和二阶高通滤波器）都用于牵引变电中高阶谐波的管理[5]。其他高通滤波器，例如三阶高通滤波器和C型高通滤波器，由于滤波器的结构很复杂，在实际应用中较少。

如果上述无源高通滤波器与牵引变电站的牵引总线并联连接，则整个牵引变电的谐波阻抗特性可以进行相应的分析。通过比较可以确定安装了哪些高通滤波器。在发电机前面的牵引变电的等效最大阻抗大约为1300 Hz，模块值大约为3100Ω。这意味着一阶或二阶高通滤波器投入运行后，牵引变电的谐波阻抗特性在两个方面发生变化：首先，谐波阻抗的最大值变小，当相同的高谐波电流输入时，谐波电压降低。第二，发生最大谐波阻抗的频率会降低到较低的频率，从而可以有效地避免电力火车谐波电流的频率并降低总体上较高的谐波电压水平。

谐波阻抗特性是在未优化的一阶和二阶高通滤波器进行投资后获得的，即在设计过程中未针对一阶和二阶高通滤波器的参数，这对检测高通滤波器的操作没有影响一阶和二阶抑制高阶谐波过电压[6]。

3结语

随着电气化铁路中交流和直流火车数量的增加，交流和直流火车带来了诸如提高功率因数和调试后降低谐波电流等优点。同时，牵引变电的等效值会因频率不同的谐波电流而变化，对应着不同的抗阻。网络中电压的大小与其对应的电流与位置都存在密切的关系。本文通过对电力火车谐波过电压的影响研究，进行了相应抑制措施的探讨，通过研究得出以下结论：（1）通过改变牵引变电的高次谐波电流和谐波阻抗的特性，可以抑制过电压。在牵引变电中安装高通滤波器是处理的有效技术措施。（2）交、直流电力火车使用电子设备来校正牵引网络中的交流电，从而确定控制类型。类似于交流和直流电力火车，这也是不可能的，将高次谐波电流馈入牵引电源系统的频率避免了牵引电源系统的峰值谐波特性阻抗。（3）在牵引变电中进行高通滤波器的安装工程时，应根据具体的项目运行模式，牵引变电的条件、运行维护条件、现场条件等来选择高通滤波器的形状和参数，并评估不同安装位置的抑制效果完善的保护系统，并集成到远程监控系统中进行监控。

参考文献：

[1]中国铁道科学研究院.京沪高铁先导段试验报告[R].北京：中国铁道科学研究院，2011.

[2]邱忠才，肖建，郭冀岭，等.火车变流器对高速铁路牵引网谐振的影响[J].电气传动，2013（10）：32-39.

[3]孟志强.高次谐波对牵引网保护的危害及改进措施[J].电气化铁道，2006（Zl）：131-134.

[4]郑琼林.交流传动HXD1电力火车谐振原因分析与对策[J].变频器世界，2009（5）：41-44.

[5]刘建强，郑琼林，杨其林.高速列车牵引传动系统与牵引谐振机理[J].电工技术学报，2013（4）：221-227.

[6]张培.AT牵引网谐波谐振规律及其抑制技术研究[D].成都：西南交通大学，2017.