交流传动与牵引供电系统高次谐波谐振及抑制技术.pdf

交流传动与牵引供电系统 高次谐波谐振及抑制技术 交流传动与牵引供电系统 高次谐波谐振及抑制技术 铁四院电化处 黄足平教授级高工 铁四院电化处 黄足平教授级高工 主要内容主要内容 一、国内出现的谐振事故案例 二、如何认识谐振问题 三、谐振机理分析与仿真 四、谐振抑制技术 五、结论与建议 一、国内出现的谐振事故案例 二、如何认识谐振问题 三、谐振机理分析与仿真 四、谐振抑制技术 五、结论与建议 一、国内出现的谐振事故案例一、国内出现的谐振事故案例 自新型交直交传动动车组和电力机车在 我国投运以来，机车高次谐波电流引发的 牵引供电系统谐振现象在不少线路（如京 哈线、京津城际、合武客专、武广客专 等）都有发生，造成避雷器爆炸、变电所 馈线跳闸、列车停车事故多起，对铁路正 常运输秩序产生了干扰。 自新型交直交传动动车组和电力机车在 我国投运以来，机车高次谐波电流引发的 牵引供电系统谐振现象在不少线路（如京 哈线、京津城际、合武客专、武广客专 等）都有发生，造成避雷器爆炸、变电所 馈线跳闸、列车停车事故多起，对铁路正 常运输秩序产生了干扰。 案例案例1：2007年京哈线（老京秦线）年京哈线（老京秦线） 2007年年4月我国铁路实施第六次大提速， 京哈线开始开行动车组（ 月我国铁路实施第六次大提速， 京哈线开始开行动车组（ CRH2， CRH5）。）。 7月月13日、日、7月月15日、日、7月月29日、日、8月月10日蓟县 南变电所供电区段 日蓟县 南变电所供电区段4次发生馈线跳闸、断电停 车事故，经查燕郊分区所附近 次发生馈线跳闸、断电停 车事故，经查燕郊分区所附近3次避雷器爆 炸， 次避雷器爆 炸，1次管型避雷器动作、火花间隙击穿。次管型避雷器动作、火花间隙击穿。 变电所值班员反映：变电所值班员反映： 动车组通过时，经常（但不是每次都发生）出现变压 器（包括主变、自耦变）噪声异常增大，网压不稳， 指针式电压表指针突然摆动增大。 动车组通过时，经常（但不是每次都发生）出现变压 器（包括主变、自耦变）噪声异常增大，网压不稳， 指针式电压表指针突然摆动增大。 沿线变电所亭、接触网工区内电源取自牵引网沿线变电所亭、接触网工区内电源取自牵引网27.5kV 自用变的设备，如电视机、空调机、电源屏低压漏电 保护器等损坏多个。值班员办公桌插座上的手机充电 器烧损。 自用变的设备，如电视机、空调机、电源屏低压漏电 保护器等损坏多个。值班员办公桌插座上的手机充电 器烧损。 变电所并联补偿支路断路器频繁跳闸，导致并联补偿 装置无法正常运行。 变电所并联补偿支路断路器频繁跳闸，导致并联补偿 装置无法正常运行。 经与运行图比对，供电臂仅经与运行图比对，供电臂仅1列动车组，列动车组，CRH2型，轻 负载电流，重联车发生几率较单编大。 型，轻 负载电流，重联车发生几率较单编大。 测试时间：（测试时间：（1）2007年年8月月1115日 （ 日 （2）2007年年8月月27、28日日 测试设备：电能质量测试系统测试设备：电能质量测试系统 ATAT 燕郊三平段甲岭蓟县南彩亭桥韩家林别山 螺山玉田三河大厂 15.03 0.98 16.2117.149.4916.8413.80 5.889.156.339.887.259.596.277.53TM 测点1: 牵引母线电压 四路馈线T线F线电流 高压侧电压电流 测点2: 母线F-R电压 两侧T线电流 测点3: 列车网压 列车网流 10:48:0010:50:0010:52:0010:54:0010:56:00 0 10 20 30 40 50 60 70 蓟县南M座 55kV母线电压 Voltage (kV) Time 16:18:3016:19:0016:19:3016:20:0016:20:3016:21:00 0 10 20 30 40 50 60 燕郊F-R电压 蓟县南T座 55kV母线电压 Voltage (kV) Time 01020304050 -120 -80 -40 0 40 80 120 T Bus-bar Voltage (kV) Time (ms) T座母线电压频谱 0 20 40 60 80 100 1357911 13 15 17 19 21 23 25 27 29 基波上叠加较高的谐波电压造成网压升高基波上叠加较高的谐波电压造成网压升高 燕郊分区所（供电臂末端）母线谐波电压较变电所高燕郊分区所（供电臂末端）母线谐波电压较变电所高 案例案例2：2008年年8月京津城际月京津城际开通后 武清牵引变电所永乐分区所 开通后 武清牵引变电所永乐分区所(ATS3) 区段区段 8月月1日正式开通后，原京沪线动车调至 京津城际， 日正式开通后，原京沪线动车调至 京津城际，CRH2动车组引发的牵引网高次 谐波谐振： 动车组引发的牵引网高次 谐波谐振： 8月月2日日22:13 ATS3天津方向上行天津方向上行T线因避 雷器烧损引起接触网断电 线因避 雷器烧损引起接触网断电32分钟。分钟。 8月月4日日13:16 ATS3天津方向下行天津方向下行T线因避 雷器烧损引起接触网断电 线因避 雷器烧损引起接触网断电7分钟。分钟。 案例案例3：2009年年4月月16日合武客专日合武客专长安集变 电所低压侧相过压保护动作， 长安集变 电所低压侧相过压保护动作，201断路器 跳闸， 断路器 跳闸，D3054动车组在长安集动车组在长安集合肥西区间 停车 合肥西区间 停车5分钟 。分钟 。 动车组报主变压器一次侧过电流故障，复 位无效，切除 动车组报主变压器一次侧过电流故障，复 位无效，切除3单元动车，维持运行。单元动车，维持运行。18日 凌晨动车组入上海南动车库后，发现 日 凌晨动车组入上海南动车库后，发现10车 高压设备箱内避雷器烧毁， 车 高压设备箱内避雷器烧毁， 案例案例4：2011年年2月月2324日武广客专日武广客专 广州南变电所里水分区所区段广州南变电所里水分区所区段23日下午 连续爆炸 日下午 连续爆炸4个避雷器。个避雷器。 CRH380A引起。 谐振现象有一些新特征： 引起。 谐振现象有一些新特征：47-55次，局部次，局部 09:2009:2509:3009:3509:4009:4509:50 22000 23000 24000 25000 26000 27000 28000 29000 30000 31000 Current (A) Voltag (V) VT VF Time 0 200 400 600 800 Down273TI Down273FI Up274TI Up274FI AT3I 01020304050 -60000 -40000 -20000 0 20000 40000 60000 Voltage (V) VT VF Time 二、如何认识谐振问题二、如何认识谐振问题 ?牵引网高次谐波谐振属牵引网高次谐波谐振属车网电气匹配车网电气匹配问 题。 问 题。 ?牵引供电系统与动车组高次谐波谐振是车 网电气耦合系统工作失稳的一种表现。 牵引供电系统与动车组高次谐波谐振是车 网电气耦合系统工作失稳的一种表现。 ?牵引供电系统网络结构，特别是牵引网的 分布参数特性，决定了其必然存在谐振频 率，动车组是谐振的激发源。 牵引供电系统网络结构，特别是牵引网的 分布参数特性，决定了其必然存在谐振频 率，动车组是谐振的激发源。 谐振的其他特征：谐振的其他特征： 谐振发生的谐振发生的“随机性随机性”：电力系统状态、 动车组状态、同一供电臂其他机车状态。 电力系统状态、 动车组状态、同一供电臂其他机车状态。 谐振过程的谐振过程的“准稳态准稳态”：通常时间几秒几 十秒不等，但可时断时续长达近 ：通常时间几秒几 十秒不等，但可时断时续长达近10min，波 形有渐变过程，但在一段时间内谐振状态 相对不变，不同于一般意义上的暂态。 ，波 形有渐变过程，但在一段时间内谐振状态 相对不变，不同于一般意义上的暂态。 三、谐振机理分析与仿真三、谐振机理分析与仿真 简单电路的解析分析简单电路的解析分析 L c z D x Ih Z1Z2 LC f 2 1 谐振频 率： 谐振频 率： 目前多用的方法归纳起来大致两类： 频谱分析法 谐振模态分析法 谐波源模型类型 谐波电流源模型 谐波电压源模型 更进一步：谐波功率有限，考虑车网耦合 我们开发的分析软件 1、依据牵引网的数学模型和计算机解法，利用面向对象（OOP）技 术和关系数据库技术，开发出了界面友好、扩展和维护方便的牵引网 分析软件（TranaEs 1.0）。 2、统一归纳了直接供电系统、BT供电系统、AT供电系统、带回流线 的直供系统和有埋设地线和回流线的直供系统解析分析方法，提出研 究了牵引网各种基础性电气参数的计算方法和网络的数学建模方法及 其计算机解法。解决了电气化铁道特有的异形截面接触线内阻抗计算 问题，对于牵引网中的架空导线采用精确Carson公式计算串联阻抗， 推导了用于计算埋地裸导线自阻抗、自电位系数、互阻抗、互电位系 统以及埋地裸导线同架空导线之间互阻抗的计算公式。能够准确分析 牵引网性能，包括高次谐波性能。 3、考虑了上下行钢轨横连，增设CPW线，PW线利用支柱接地，特 设埋地地线和特设集中接地极的细节。 多导体传输线理论 将一段均匀多导体传输线看作复合二端口 网络，利用多相传输线精确等值模型， 可从一侧节点电位和节点注入电流算出另 一侧的电位与电流。 Y1Y2Y3YN . . . Z2 G1G2G3GN-1GNYN-1 Z3ZN V1V2V3VN-1VN I2 I3 IN 组织鉴定单位：组织鉴定单位：湖北省科技厅（ 盖章） 鉴 定 日 期鉴 定 日 期：2005年 5月28日 鉴定批准日期：鉴定批准日期：2005年 5月25日 结论结论1：牵引网的谐振可近似看作是牵引网分布电容 与等值电源电感（包含变压器漏感和系统电感） 的并联谐振。 ：牵引网的谐振可近似看作是牵引网分布电容 与等值电源电感（包含变压器漏感和系统电感） 的并联谐振。 结论结论2：牵引网的谐振频率主要由其自身电气参数和 变压器以及系统阻抗决定，与负荷位置有关，与 机车负荷有关。 ：牵引网的谐振频率主要由其自身电气参数和 变压器以及系统阻抗决定，与负荷位置有关，与 机车负荷有关。 结论结论3：在相同悬挂结构接触网条件下，供电臂越 长，总并联电容越大，牵引网谐振频率越低，谐 振频率近似与供电臂长度的平方根成反比；对复 线， ：在相同悬挂结构接触网条件下，供电臂越 长，总并联电容越大，牵引网谐振频率越低，谐 振频率近似与供电臂长度的平方根成反比；对复 线，V停运行时的谐振频率要比复线运行时高。停运行时的谐振频率要比复线运行时高。 谐振导致避雷器爆炸机理还有争议。 怀疑高达 谐振导致避雷器爆炸机理还有争议。 怀疑高达10kV以上、频率以上、频率1kHz左右的电压 施加在避雷器上，阀片发热加剧。 左右的电压 施加在避雷器上，阀片发热加剧。 谐振的又一特征：谐振的又一特征： 谐振频率的非单一固定性：谐振频率的非单一固定性：构成谐振的 多因素的变化。 构成谐振的 多因素的变化。 CRHCRH2 2动车组谐波特性测试动车组谐波特性测试 牵引工况再生工况牵引工况再生工况 01020304050 -40000 -20000 0 20000 40000 电流 电压 Current (A) Voltage (V) Time (ms) -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 01020304050 -40000 -20000 0 20000 40000 电流 电压 Current (A) Voltage (V) Time (ms) -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 2 4 6 8 10 1357911 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 0 2 4 6 8 10 13579 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 电压电流测试接线电压电流测试接线 CRHCRH5 5动车组谐波特性测试动车组谐波特性测试 牵引工况再生工况电压电流测试接线牵引工况再生工况电压电流测试接线 01020304050 -40000 -20000 0 20000 40000 电流 电压 Current (A) Voltage (V) Time (ms) -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 01020304050 -40000 -20000 0 20000 40000 电流 电压 Current (A) Voltage (V) Time (ms) -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 2 4 6 8 10 1357911 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 0 2 4 6 8 10 1357911 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 CRH380BL动车组谐波特性测试CRH380BL动车组谐波特性测试 牵引工况再生工况电压电流测试接线牵引工况再生工况电压电流测试接线 01020304050 -40000 -20000 0 20000 40000 电流 电压 Current (A) Voltage (V) Time (ms) -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 01020304050 -40000 -20000 0 20000 40000 电流 电压 Current (A) Voltage (V) Time (ms) -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 0 2 4 6 8 10 13579 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 0 2 4 6 8 10 13579 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 计算机仿真能够给 出谐振发生时的谐 振过电压、谐波电 流放大定量结果。 计算机仿真能够给 出谐振发生时的谐 振过电压、谐波电 流放大定量结果。 Us 212T 212F 211T 211F 0.987.457.587.508.7117.14 蓟县南段甲岭三河三平大厂燕郊 北京 秦皇岛 T R F PW T R F PW (755,1000) (水平,高度) 单位：mm (-755,1000) 5000 (5755,1000)(4245,1000) (0,6650) (0,7650) (9510,8000) (5000,7650) (5000,6650) (0,0) 坐标原 点 1000 (-4510,8000) (-3650,8200) (8650,8200) CTHA120 THJ70 LGJ70/10 LGJ185/30 P60 01020304050 5 10 15 20 17 18 19 20 Resonant Current Amplification Load Position (km) 01020304050 0 2 4 6 8 SP SS 17 18 19 20 Resonant Bus-bar Voltage (kV/A) Load Position (km) 01020304050 5 10 15 20 25 17 18 19 20 Resonant Current Amplification Load Position (km) 01020304050 0 5 10 15 20 SP SS 17 18 19 20 Resonant Bus-bar Voltage (kV/A) Load Position (km) 四、谐振抑制技术四、谐振抑制技术 车上对策：车上对策： 1）调整牵引传动系统控制参数，抑制谐波电流的含量；）调整牵引传动系统控制参数，抑制谐波电流的含量； 2）改变整车不同动力单元（牵引变流器）的控制策略，如调整多 重化移相角度，使电流频谱避开牵引网的谐振频率； ）改变整车不同动力单元（牵引变流器）的控制策略，如调整多 重化移相角度，使电流频谱避开牵引网的谐振频率； 3）在动车组主电路上（主变高压侧或低压侧）增设）在动车组主电路上（主变高压侧或低压侧）增设RC吸收滤波 装置，减小网流高次谐波含量。 吸收滤波 装置，减小网流高次谐波含量。 地面对策：地面对策： 1）倒换牵引变电所的外部电源；）倒换牵引变电所的外部电源； 2）改变牵引网的运行方式（改变越区方式、并联 方式）； ）改变牵引网的运行方式（改变越区方式、并联 方式）； 3）在供电臂末端分区所安装二阶阻尼滤波装置。）在供电臂末端分区所安装二阶阻尼滤波装置。 C1T 1.083 T R R1T 250 L1T 95.5mH F 30 C1F 1.083 R1F 250 F L1F 95.5mH 30 F 幅频特性 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 15913172125293337414549 n Z(Ohm) 京哈线治理工程谐振抑制装置电路、参数及幅频特性京哈线治理工程谐振抑制装置电路、参数及幅频特性 京哈线燕郊和韩家林分区所各安装2套京哈线燕郊和韩家林分区所各安