交流传动电力机车网侧电流谐波的特性研究

交流传动电力机车网侧电流谐波的特性研究

张发鹏

（中车兰州机车有限公司甘肃兰州730050）

摘要：在我国发展过程中，电力机车主要可以分为直流电力机车和交流电力机车两种，由于谐波特性的不同，导致在运行过程中容易出现问题。文章对HX_D1C型交流传动电力机车对供电网电压谐波特性进行研究，以望可以降低谐波所带来的危害，保证HX_D1C型交流传动电力机车的正常运行。

关键词：谐波特性；交流电力机车；HXD系列机车

一、谐波概述

所谓谐波主要是指电气量的频率是基波整数倍的正弦波分量。就目前来说，我国HXD系列机车都采用50Hz电源，其基波为50Hz，3次谐波为150Hz，5次谐波为250Hz，以此类推。谐波产生的主要因素是=正弦电压在工作过程中对非线性负载进行加压，导致基波电流产生变化。通常来说，非线性负载包含：整流装置、逆变装置、斩波装置、变频装置、开关电源等。在直流电力机车中整流装置以及交流电力机车中的整流、逆变装置等模块都可以产生谐波[1]。

二、HXD型电力机车概述

HXD系列电力机是一种较为先进的机车，其主要是将消化技术逐渐国产化所形成的交流电力机车，在设计过程中，最高时速可以达到120km/h。HXD系列电力机车主要由：受电弓、主断路器、变压器、整流器、逆变器等部件构成。受电弓主要作用是能够及时完成交流牵引网到机车高速受流情况；主断路器主要作用为能够及时接通断开25kV主回路，并且还能对机车过载、短路等模块进行保护；变压器的主要作用是能够实现高低电压的自由转换，并且还能对变流器电感以及二次谐波滤波电感进行集成；牵引整流器主要作用是能够及时将变压器次变电压转换为直流电压，并且还能将转换以后的直流电流提供给逆变器，使得次边电流和电压相位相同或相反；牵引逆变器的主要作用是对交流电机驱动进行有效控制。

HXD系列电力机车所采用的牵引整流器以及牵引逆变器都是四象限变流以及PWM技术为基础，因此，牵引整流器以及牵引逆变器又被称为四象限变流器或者PWM变流器。四象限变流器都是采用单相全桥电路，能够实现能量的双向流动，并且还能保证网侧功率因数近似为1。假设，四象限变流器的开关频率为f，使用单极性调制方式，通过对变流器交流侧输入电流谐波特性分析可以知道等效开关频率为2倍的f。由于机车容量庞大，不能使用单个四象限变流器进行能量变换，对于此种情况基本都使用基于机车变压多样性方式，不仅能够对容量进行拓展而且还能及时对谐波优化。如果机车使用n重四象限变流器，那么等效开关频率为2nf[2]。

三、HXD型电力机车谐波特征分析

总的来说，HXD型电力机车谐波特征可以分为三部分进行叙述，具体如下：

1.等效开关频率为2nf的机车变压器牵引网电流的主要谐波边带聚集在在2nf±1、2nf±3等区段，低次谐波通常都会被抵消，实现对谐波优化。HXD型电力机车运行以后，牵引网电流中的3、5、7次等低次谐波含量明显减低，但是谐波频谱逐渐变宽，基本在1～10kHz范围以内。

2.HXD机车牵引电流谐波畸变率和负载呈现反比，机车满载状态时，电流谐波畸变率数值较小，基本都小于5%，如果机车是轻载或空载状态，电流谐波畸变率会达到最大，甚至超过100%，此种情况说明基波电流弱于谐波电流。

3.HXD机车网侧变流器开关频率越高，那么谐波次数就会越高，并且谐波总量也在逐渐减少，但是，变流器开关频率还受到多种条件的限制，例如：器件损耗、散热条件等。HXD机车网侧变流器重数基数越大，那么等效开关频率基数越大，低次谐波按可以通过变压器的磁路相互抵消，主要谐波次数往高次上移，此时谐波总量减小[3]。网侧变流器交流侧输入电感越大，虽然牵引电流主要谐波次数不会发生变化，但是谐波总量会逐渐减少，输入电感受到多种因素的影响，例如：变流器容量、制造工艺、体积限制等因素。

四、谐波传递特性研究

任何原件如果包含：电感、电容元件等，在系统网络运行中，基本上都会存在谐振点；在机车运行中，牵引网可以看做一个包含了电感以及电容元件的复杂无源网络，并且存在许多串联谐振点以及许多并联谐振点，但是，即使存在谐振点并不意味着会发生谐振，谐振的发生取决于谐波源在网络中所注入谐波频率是否满足网络产生谐振的必要条件。如果谐波源在系统所注入的谐波频率和网络谐振频率相同或者接近时，就会产生谐波谐振。直流机车所产生的谐波基本都为3、5、7次谐波，但是由于牵引网谐振频率基本上都大于500Hz，所以，直流机车在应用中基本没有产生高频谐振状况。

不同机车牵引电流谐波之间的相位差和交流机车之间距离、牵引网分布参数等不是一成不变的，都会随着影响因素的不断变化而变化。即使在同一个供电臂下不同机车牵引电流出现的高次谐波，都会根据机车相位差变化变化，可能会出现线性叠加、矢量叠加等问题。如果多台交流机车之间距离较短，并且都小于电流工况时，那么就能够认为各台机车牵引网的电压数值相同，牵引电流谐波相位差为零，那么机车牵引网电流谐波只会出现相互线性叠加情况，因此，在交流机车使用聚集区段尤其是小电流使用区段，高次谐波影响较为明显。

五、牵引网谐波危害以及治理措施分析

1.牵引网谐波危害分析

总的来说，牵引网谐波危害可以从以下三点进行叙述：

（1）由于牵引网自身具有谐振点，如果交流机车的谐波频率和牵引网谐振频率的数值相同，那么就说明电阻足够小，则频率电压被放大已经超过了设备所允许的电压范围，就会对设备的绝缘造成破坏，导致跳闸。

（2）如果同一个供电臂下有许多轻载交流机车同时进行工作，牵引网电压可能会出现低频振荡现象，就会导致交流机车牵引力骤降，牵引负荷骤增，致使馈线负荷过大而跳闸。

（3）如果高频谐振较大，就会导致牵引变电所直流屏充电模块被烧毁，并且还会接触到避雷器。

2.牵引网谐波危害的应对措施

首先，设计工作人员在交流机车网侧变流器设计过程中，等效开关频率应该小于5000Hz（100次），如果牵引电流主要谐波频段达到100次以上，就可能会出现辐射干扰现象，就会增加谐波处理难度[4]。其次，工作人员可以对交流机车控制软件进行修改，及时在车载变压器原边串接电抗器，能够保证机车调度的合理性，从而能够降低注入牵引网的谐波量。最后，可以采用分线路对牵引网对谐波进行优化。对于一些纯直流机车来说，运行线路基本都使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；交直流机车基本都是混用线路，使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补偿方式，不仅能够无功进行补偿而且还能对高次谐波进行治理。

六、总结

综上所述，积极对交流传动电力机车网侧电流谐波的特性进行研究具有重要意义，是机车正常运行的根本保证。上文中通过对谐波传递特性的研究，明确了牵引网谐波危害以及治理措施，以望为谐波优化尽一份绵薄之力。

参考文献：

[1]康明明,邢涛.交流传动电力机车谐波特性研究[J].电力机车与城轨车辆,2016(2):6-10.

[2]胡贵,龙谷宗,许加柱,等.机车牵引传动系统干扰电流抑制方法的探讨[J].山东工业技术,2015(11):150-152.

[3]肖振鹏,陈特放,成庶,等.动态陷波滤波器在牵引变流器中的应用研究[J].电气工程学报,2016,11(8):1-8.

[4]钟小凤,罗安,刘德昌.HXD1C型电力机车在段检修模式的探讨[J].装备制造技术,2017(3):130-131.