机车主变压器及变流系统谐波特性分析

卢振华

摘要：机车主变压器是交流电力机车的主要部件,一般为单相多绕组结构,即一次侧接入单相25kV、二次侧输出多个电压等级,分别供牵引、空调及照明等,其中,牵引输出经“交—(直)—交”变流装置给牵引电机供电。变频装置的非线性使得供电系统中出现较强的谐波,对此,众多学者就变频装置的谐波特性及影响因素、设计优化和谐波治理等做了大量和深入的研究。

关键词：机车主变压器；变流系统；谐波特性

前言

现代电气化铁路大多供给大功率变流负载，其幅值和移动变动较为频繁且变化范围大，可能出现短时冲击负荷或者不平衡负荷，因此，电气化铁路供电网的谐波问题将是非常突出的。通常提到的电气化铁路对电网的影响，主要是指谐波和负序电流，由于电气机车沿铁路移动用电、且为单相负荷，其产生的谐波负序的危害性远比其他用电设备更为严重。

1机车主变压器

机车主变压器是交流电力机车的主要部件，两端分别连接高压接触网引线和机车变流系统，对于高压接触网而言它是负荷，而对于变流系统来说它又是电源。机车变压器是用来将接触网上取得的25kV高电压转变为适合的工作电压，机车变压器一般为单相多绕组结构，即一次侧接入单相25kV、二次侧输出多个电压等级，分别供给电动机、空调及照明设备等。我国在1996年就研制出了TBQ10-5489/25型机车主变压器，在机车主变压器的设计及优化领域有一定的实际经验。电力机车主变压器的发展趋势：重量更轻、体型更小、结构更为紧凑、容量更大、同时可靠性更高、更为环保，最终实现机车变压器的智能化设计及系统化制造。阻抗电压作为机车主变压器中的重要参数，对变压器的技术经济性能有较大的影响，因此在设计过程中需要重点考虑，实际中对于短路阻抗参数的设定颇为严格。对于直流传动机车主变压器而言，不同的负载，对阻抗电压的要求不尽相同，例如牵引绕组短路阻抗取决于整流器最大允许短路电流及功率因素，通常在10%-15%。不同于直流传动机车变压器，交流传动机车主变压器的阻抗电压是设计人员考虑电路实际情况之后再进行设定的。随着大功率可控晶闸管的出现，机车变流系统普遍采用四象限变流器。相应的对机车主变压器也提出了更高的要求，变压器必须能够实现能量的存储，然后通过频繁控制晶闸管的通断，来维持输出电压的稳定。采用GTO元件时，通断频率偏低，且损耗较大，为了减缓电流升高或降低的速度，主变压器的漏感需取较大值，主变压器阻抗电压的变化范围为40%-60%之间；而选用IGBT元件时，损耗较小，且通断频率高，此时主变压器阻抗电压不需太大，通常取值在20%-40%即可。变压器损耗主要包括铁损和铜损。铁耗主要分为磁滞损耗和涡流损耗。机车主变压器二次侧绕组与四象限变流器直接相连，并通过脉宽调制控制（PWM）来实现变流，其中脉宽调制频率会受限。实际中的变压器二次侧绕组端电流谐波含量较高，且波形严重畸变，这种情况下的高次谐波会产生大量的涡流损耗。用解析方法对形状规则的结构件中的涡流分布及损耗进行分析，但因为其方法是建立在诸多假设条件下才得以适用的，与实际情况并非完全相符合，所以只作为理论分析与参考。通常在对电力机车主变压器进行设计时，既要把谐波损耗、阻抗电压、直流磁化以及过励等因素纳入考量范围，也要考虑绕组连线、冷却方式以及外形尺寸。

2机车变流系统

机车变流系统实现的功能是交直流能量转换，供给交流或者直流牵引电机、空调及照明等机车设备使用，并对机车运行进行调控。早在1879年，SIEMENS公司就成功研制出了应用于电车的125V直流变流装置。上个世纪50年代，牵引变流技术就已开始有所发展，各种工频变流装置相继出现，变流方式也有多种：三相变频式、交直流旋转式、多阳极水银式和引燃管式等。然而这些新型变流装置还没来得及被广泛应用，就被更为先进的以大功率半导元件作为开关控件的变流装置所取代。最早的“交直流”整流变换是通过大功率二极管来控制电路关断。随着大功率晶闸管尤其是可控开断晶闸管（GTO）的出现，“交-直”整流变换从最初的不控整流发展为可控整流，同时整流系统还可以实现有源逆变“交-直变换”、“直-直变换”，并且开始研制“直流-交流”变换装置。从80年代到今天，机车牵引变流技术经历了飞速的发展，机车变流系统越来越被广泛地应用于各个交通行业，包括电力及电力驱动机车，地铁机车，电动汽车等。

3机车主变压器谐波特性及电气化铁路供电系统谐波

电气机车变压器谐波的主要来源有二：一是变压器铁心非线性特性引起的高次谐波，二是变压器二次侧所带变流系统产生的“谐波源”。由于变压器铁磁材料的不断进步，分析时可以忽略因变压器铁心磁饱和引起的谐波。但二次侧所带变流系统负载，使得变压器二次侧电流谐波含量较为丰富，且由于机车变压器为单相设备，3及3的倍数次谐波不能通过绕组的连接予以消除。当谐波作用于变压器时，其内部参数将发生变化，从而影响到变压器损耗及性能，下面仅就谐波对机车变压器有关性能的影响进行讨论。

3.1变压器谐波损耗

与基波不同，谐波功率的源自电流非正弦的用电或变电设备，并流经其他用电设备或系统。谐波功率实质就是谐波线损，不提供任何有益的功效，在各种发、送、变、配、用电等设备中以发热的形式消耗掉了，即谐波的出现增大了设备损耗，这将缩短设备寿命、降低各类电力设备的基波电压、电流和功率的允许极限值。当电网中谐波电压与电流不超过国标规定允许值时，谐波损耗占总损耗的比例较小，一般小于10%。但若谐波严重超标，甚至发生谐振，则谐波损耗在总损耗所中所占比例将大大增加，可高达20%。

3.2谐波对电压的影响

当二次侧加载非线性负载时，随负载电流谐波含量的增加，变压器原边、副边电压质量逐渐恶化。首先，由于负载电流增加导致漏阻抗压降及感应电势都增大，负载电压产生负偏差的同时，畸变率也增大，畸变电压又使线性负载上的电流发生畸变，对设备造成损伤。同时，变压器高压侧谐波流向系统，对高压电网造成污染，这种负载侧谐波电流窜行引起的高压侧电能质量恶化，尤其当沿线同时有多台机车运行时，各台变压器产生的高压侧谐波电流相互影响，将加速负载电压供电质量的恶化。

4谐波治理

目前国内外主要从3种途径治理电气化铁路的谐波：1）直接在机车上装设滤波器；2）在牵引站装设滤波器；3）电力系统变电站集中进行综合的电能质量改善(如日本的新干线)。对于前2种方式，具体措施为：（1）安装无功补偿装置，调谐为3次，5次。通常用晶闸管开关控制滤波器投切来进行谐波补偿。（2）在牵引站装设无源滤波装置。牵引站普遍通过断路器来控制滤波器投切以实现谐波补偿，由于投切不能过于频繁，故谐波补偿达不到预期效果。除了采用断路器来控制投切外，也有通过晶闸管控制SVC来实现无功功率和谐波的动态补偿，因为这种装置实质即无源滤波器，容易和系统发生谐振，且滤波器会出现频偏，最终补偿效果并不理想。（3）在牵引站装设有源滤波装置(APF)，APF能够实现谐波、无功功率及负序电流的动态补偿。若只装设APF进行谐波补偿，对容量要求较高，且APF价格不菲，所以一般情况下会同时安装有源和无源两种滤波装置，以更好地滤除谐波。随着电力电子技术的发展，采用有源滤波器（APF）治理电力谐波将是主流方向，这是因为电力谐波成分及强度可能随负载性质及大小而变，特别是在电气化铁路中，负荷的波动更是明显，因此，需要实时检测和补偿。

结束语

据据不完全统计，在电气化铁路建成运行的30多年中，由谐波和负序电流导致的发电机跳闸已经达到200兆瓦规模，并引发了大面积停电和系统解列事故，引起电网局部谐振。谐波和负序电流还会导致发电机转子受损，引起继电保护设备失控、电容器大量损毁及小火电厂无法就近并网等一系列问题，此外，谐波和负序的出现将增加发电、输电、供电和用电等设备的附加损耗，使得设备过热，降低设备的效率和利用率。

参考文献：

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