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高速列车与牵引供电网高次谐波谐振分析

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基于模态分析的牵引供电系统谐波谐振过电压研究

基于模态分析的牵引供电系统谐波谐振过电压研究

摘
要： 针 对 高 铁 牵 引供 电 系 统 的 谐 振 过 电 压 问 题 ， 通 过 分 析其 谐 波 特性 ， 综 合 考 虑 线 路 集 肤 效 应 及 分 布 参 数 的
特性 ， 研 究 由 接触 网 、 馈线 、 钢轨回路（ 包括大地 ） 、 回流 导 线 以及 牵 引变 电所 至 接 触 网 的 馈 电 线 等 构 成 的 牵 引 网 的
参数计算方法 ， 建立牵引网线路等效模型 ， 使 用 该模 型计 算 牵 引 网 线 路 参 数 ； 采 用 模 态 分 析 方 法 解 耦 牵 引 网 与 电 力 机 车 的耦 合 关 系 ， 确 定 基 于 车 网耦 合 的牵 引 供 电 系统 的 谐 波 谐 振 次 数 、 电压波形 、 影 响 范 围 等 数 据 以 及 所 引起
证 了该 方 法 的 正 确 性 。
关键 词 ： 牵 引 供 电 系 统 ；电 能 质 量 分 析 与 控 制 ； 谐 波 谐 振 过 电压 ； 模 态 分 析 ；Ｅ ＭＴ Ｐ — ＡＴ Ｐ
中图分类号 ： Ｕ２ ２ ３ ． ６ 文 献标 志 码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ８ ３ ６ ０ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ７ ． ０ ０ ６
第３ ５卷 第 ７ 期
２ ０ １ ３年 ７月
铁
道
学
报
Ｖｏ １ ． ３ ５ Ｎｏ ． ７
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩ ＮＡ ＲＡＩ ＬＷ ＡＹ Ｓ ０ＣＩ Ｅ ＴＹ
Ｊ ｕ ｌ ｙ
２ ０ １ ３
文章 编 号 ： １ ０ ０ １ — ８ ３ ６ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７ — ０ ０ ３ ２ ～ １ ０

城市轨道交通牵引供电系统谐波分析

城市轨道交通牵引供电系统谐波分析

城市轨道交通牵引供电系统谐波分析随着城市轨道交通的发展，牵引供电系统在保障列车运行安全和稳定性方面起着至关重要的作用。

随之而来的问题也日益显现，其中之一便是谐波问题。

谐波是指在交流电网中产生的频率是基波频率的整数倍的电压和电流成分，由于牵引供电系统中存在大量的电机、变频器等非线性负载，谐波在其工作中难免会产生，并且会对系统的稳定性和设备的寿命造成影响，因此对于牵引供电系统中的谐波进行分析和控制显得尤为重要。

对于牵引供电系统中谐波的来源需要进行详细的了解。

在城市轨道交通中，列车牵引系统是整个系统中耗电最大的部分，其主要由牵引变流器、牵引电机等组成，其中变频器是主要的谐波源。

当列车从静止状态加速至工作速度时，会导致变频器系统的工作频率从极低的频率变化至很高的频率，这种频率的变化带来的是非常复杂的谐波波形。

除变频器外，城市轨道交通的供电系统中还包括变电站、接触网、牵引线路等多个环节，这些环节中的负载也会产生谐波。

城市轨道交通牵引供电系统中谐波的产生是多方面的，需要全面的分析。

对于牵引供电系统中谐波的影响进行详细的研究。

谐波会对系统中的设备和设施产生一系列的负面影响，包括设备的损坏、系统的稳定性下降、电磁干扰等。

谐波会对变频器等非线性负载本身产生影响，导致设备的性能下降，甚至烧坏。

谐波会加大供电系统的损耗，进一步减短设备的使用寿命，增加了维护和更换的成本。

谐波还会在系统中引起电压、电流等参数的波动，对系统的稳定性和功率因数造成影响，甚至对其他设备产生电磁干扰，影响系统的正常运行。

针对城市轨道交通牵引供电系统中谐波的分析，需要采取一系列有效的控制措施。

首先是从源头上控制谐波的产生。

通过选择合适的牵引电机和变频器，减小非线性负载对系统中谐波的产生，从而减小对供电系统的影响。

其次是在系统中加入谐波滤波器，对系统中的谐波进行衰减。

谐波滤波器可以将谐波电压和电流滤除，减小对其他设备的影响，提高系统的稳定性和安全性。

浅析高次谐波过电压对牵引变电设备的影响

浅析高次谐波过电压对牵引变电设备的影响
滤 除 的 谐 波 范 围 较 广 。 运 行 机 车 对 的型号适 应性 强 。 方案 二 ：
由于 整流 负 荷 的影 响 ， 常使 变
电所母 线 中高次 谐 波 电 流增 加 ， 并
使 母线 电压 波形 畸 变 ， 联 电容 器 并 将 使母 线 电压 高 次谐 波成 分 增 加 。 由于 Ｘ ＝ ／２ ｆ） ｃ ｌ（Ｂ ｃ ，高 次谐 波 的存 在 将使 容抗 下 降 ， 生较 大 的 高次 产 谐 波 电 流 ，使 电容 器 组严 重 过 流 。
响
机车 。通过 与 厂家共 同对 变 电设 备
现 场 监测 结 果统 计 分 析 ， 定整 治 制
措 施 ． 除 了 谐 波 过 电 压 对 变 电 设 消
励磁 涌流
（ ） 流 牵 引 机 车 整 流 回 路 采 ２直
充 电 模 块 的 输 入 端 为 桥 式 整 流 部 分 ， 谐 波 电 压 的 抑 制 功 能 较 对
自２１ ０ １年陇海 线新 增 Ｈ Ｄ１ Ｘ Ｃ
型 交 直 交 机 与 Ｈ ３ Ｓ Ｄ、Ｔ 以 ＸＤ 、７ Ｓ Ｅ
中某些 设 备 和负 荷 的 非线性 特 性 ， 即所 加 的 电 压 与 产 生 的 电 流 不 成 线 性 （ 比 ） 系 而造 成 的 波 形 畸 正 关
变。
运 输运 量 的 不 断增 加 ， 变波 的谐 畸 波 成 分更 加 复 杂化 ． 波 峰值 及 谐 基 波 的速率 进一 步提 高 。电气铁 道是 当前 中压 供 电 系 统 中典 型 的 三 相 不平 衡谐 波源 。
把 部分 基 波 能量 转 换 为谐 波 能 量 ， 向系统 倒 送 大量 的高 次谐 波 ． 电 使 力系统 的正 弦波 畸 形 ， 电能质 量 降 低 。牵 引供 电方 式产 生非 正弦 畸变 波 产生 的原 因有三类 ： （ ） 车 降压 变 在 机 车运 行 过 １机

城市轨道交通牵引供电系统谐波分析

城市轨道交通牵引供电系统谐波分析

城市轨道交通牵引供电系统谐波分析轨道交通系统已经成为现代城市交通运输的重要组成部分，其牵引供电系统作为轨道交通载体的重要组成部分，也成为了城市轨道交通运输的核心技术之一。

谐波分析是牵引供电系统设计和运行中的重要技术之一，对于提高牵引供电系统的稳定性和可靠性具有重要意义。

城市轨道交通的牵引供电系统是通过供电轨来为列车提供电力，供电轨通常由钢轨和额外的导线组成。

当列车运行时，供电轨上会出现交流电压，由于列车的牵引电机和其他设备的特性，会导致谐波电流和谐波电压的产生。

比如列车电机的非线性特性、整流装置的谐波过滤等都会导致牵引供电系统中的谐波。

1. 对设备的影响供电系统中的谐波会对设备产生一定的影响，如电机、变压器、电容器等设备都会受到谐波的影响，可能导致电磁噪音、热损耗增加、设备寿命缩短等问题。

谐波会导致系统中电能的损耗增加，进而导致能耗增加，从而提高了牵引供电系统的运行成本。

由于谐波的存在，可能会对其他系统产生影响，如控制系统、通信系统等，可能会导致设备的故障或不稳定。

谐波分析是针对牵引供电系统中的谐波进行的一种技术手段，通过对牵引供电系统中的谐波进行分析，可以得到系统中谐波的分布情况、谐波谐振点等重要信息。

具体的谐波分析方法主要包括以下几种：1. 理论分析通过对牵引供电系统的结构和工作原理进行分析，从而得到系统中谐波产生的机理和规律。

2. 实验测试通过在实际的牵引供电系统中进行测试，获取牵引供电系统中的谐波特性数据，如谐波电流、谐波电压等。

3. 数值模拟通过建立牵引供电系统的数学模型，利用计算机软件进行仿真，得到系统中谐波的分布情况和谐波谐振点等重要信息。

谐波分析仪可以用于测量牵引供电系统中的谐波电流和谐波电压，从而了解系统中谐波的分布情况和特性。

2. 谐波滤波器谐波滤波器可以用于对牵引供电系统中的谐波进行滤波，从而减小系统中谐波的影响，提高系统的稳定性和可靠性。

3. 谐波仿真软件通过对城市轨道交通牵引供电系统进行谐波分析，可以了解系统中谐波的分布情况和特性，从而采取相应的技术手段对谐波进行控制和消除，提高供电系统的稳定性和可靠性，减少系统中谐波对设备和其他系统的影响，降低系统的运行成本，提高能源利用率和运行效率，保障城市轨道交通的安全运行。

我国电气化铁路高次谐波谐振问题研究综述

我国电气化铁路高次谐波谐振问题研究综述

第43卷第1期2021年1月Vol.43No.1January2021铁道学报journal of the china railway society文章编号：1001-8360(2021)01-0064-13我国电气化铁路高次谐波谐振问题研究综述宋可荐打吴命利1,杨少兵1,潘朝霞2,马春莲3(1.北京交通大学电气工程学院，北京100044； 2.中国铁路太原局集团有限公司供电部，山西太原030013；3.大秦铁路股份有限公司大同西供电段，山西大同037005)摘要：自2007年京哈线第一次发生牵引供电系统高次谐波谐振以来，已有超过15条电气化铁路发生过谐振事故，严重影响铁路运输系统的安全稳定运行°通过案例分析和统计，总结谐振规律及其危害°根据电路结构阐明车网电气耦合关系，分别介绍交流机车谐波源特性和牵引供电系统阻抗频率特性的建模方法，并提供一种简化谐振机理分析来解释主要谐振规律°探讨地面和车上的多种谐振抑制措施，提岀解决谐振问题的基本思路°对谐振的研究工作将车、网在电气上看作一个耦合整体，同时考虑理论分析的准确性和工程应用的简明性需求，希望对牵引供电系统谐振及其预防和治理工作提供一个全面的参考°关键词：电气化铁道；牵引供电系统；牵引传动系统；车网电气耦合系统；谐波谐振；谐振抑制中图分类号：TM922；U233.6文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.l001-8360.2021.01.008Review of High-order Harmonic Resonances of Electric Railways in ChinaSONG Kejian1,WU Mingli1,YANG Shaobing1,PAN Zhaoxia2,MA Chunlian3(1.School of Electrical Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing100044,China；2.Power Supply Department,China Railway Taiyuan Group Co.,Ltd.,Taiyuan030013,China；3.Datong West Power Supply Section,Daqin Railway Co.,Ltd.,Datong037005,China)Abstract:Since the first occurrence of a high-frequency harmonic resonance in traction power supply system(TPSS)in the Beijing-Harbin railway line in2007,more than15Chinese electric railway lines have experienced similar incidents, some with serious impact on the safe and stable operation of the railway transportation system.In this paper,following the analysis and statistics of the cases of resonance incidents,the features and impacts of harmonic resonance in traction power supply system(TPSS)were summarized.The electrical interaction between the TPSS and AC drive locomotives was illustrated based on their corresponding circuit models.The modelling methods of both AC locomotive harmonic char­acteristics and TPSS impedance-frequency characteristics were discussed.Moreover,a simplified resonance mechanism analysis was provided to explain the key resonance features.Several wayside and on-board methods for resonance elimi­nation were presented,followed by the proposal of a principle for resonance elimination.By addressing the complete set of interactions between the TPSS and the locomotives,and considering both the validity of theoretical analysis and sim­plicity of engineering implementation,this research work aims to serve as a single comprehensive reference on TPSS res­onances,their prevention and elimination.Key words:electric railway；traction power supply system；traction drive system；network-train interaction system；har­monic resonance；resonance elimination收稿日期：2018-12-24;修回日期：2019-06-16基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发课题(P2018X011)；国家科技部“十三五”重点研发计划(2017YFB1200802)；博士后创新人才支持计划(BX201700026)第一作者：宋可荐(1988—),男，湖南株洲人,副教授，博士°E-mail-songkj@通信作者：吴命利(1971—),男，河北藁城人，教授，博士°E-mail:mlwu@铁路作为国家综合交通运输体系的骨干,是国民经济大动脉和关键基础设施,在我国经济社会发展中的地位和作用至关重要。

城市轨道交通牵引供电系统谐波分析

城市轨道交通牵引供电系统谐波分析

城市轨道交通牵引供电系统谐波分析随着城市轨道交通的发展，牵引供电系统作为轨道交通的重要组成部分，其质量和稳定性对于整个轨道交通系统的运行至关重要。

牵引供电系统中随之产生的谐波问题，却给轨道交通系统的稳定性和运行效率带来了一定的影响。

对城市轨道交通牵引供电系统的谐波进行分析和研究，对于提高轨道交通系统的稳定性和电能质量具有重要意义。

1. 谐波的来源城市轨道交通系统的牵引供电系统通常采用交流电供电，而牵引系统中的电机和逆变器等装置工作时会产生大量的谐波。

牵引供电系统采用的整流装置、滤波器等设备也会引入谐波。

城市轨道交通系统中的非线性负载如空调、照明等设备也会对牵引供电系统产生谐波扰动。

这些谐波扰动将对轨道交通系统的电能质量和稳定性产生影响。

2. 谐波对牵引供电系统的影响谐波对牵引供电系统的影响主要表现在以下几个方面：（1）电能质量受到影响。

谐波会导致电压波形失真、电压不平衡、频率偏差等问题，影响到电能质量的稳定性。

（2）设备损耗增加。

谐波会导致设备内部电流增大、温升升高，加速了设备的老化和损坏。

（3）系统容量减少。

由于谐波的存在，轨道交通系统的供电系统容量会减少，影响到系统的运行效率和稳定性。

（4）电磁干扰加剧。

谐波会导致设备之间的电磁干扰加剧，影响到系统的正常运行。

3. 谐波分析方法对城市轨道交通牵引供电系统的谐波进行分析，可以采用以下几种方法：（1）测量分析法。

通过在系统关键点进行电压、电流等参数的实时测量，对系统中的谐波进行分析和评估。

（2）仿真计算法。

利用电磁暂态仿真软件对牵引供电系统进行建模，并进行谐波扰动的仿真计算和分析。

（3）实验验证法。

通过在实际轨道交通系统中设置实验台，对牵引供电系统中的谐波进行实际验证和观测。

4. 谐波治理方法针对城市轨道交通牵引供电系统中的谐波问题，可以采用以下几种方法进行治理：（1）利用滤波器进行谐波消除。

在牵引供电系统中设置合适的谐波滤波器，对系统中的谐波进行消除和抑制。

高铁谐振

考虑到上行或者下行导线之间的影响和上下行之间的导线之间的影响， 需要确定的线路参数包括各导线的阻抗和对地电容、上行导线或者下行 导线之间的互阻抗、 互电容和上下行导线之间的互阻抗互电容
4 系统模型
机车电流频谱（181A运行工况）
5 仿真结果
线路阻频特性
变电所处电流FFT
在已投运的线路中，由于谐振引起牵引变电所及分区所谐波电流放大、 母线电压升高，造成设备烧损的案例己有发生： (1) 2006年，京沪、沪昆线开通后，部分牵引变电所交直流屏上的充电模块 相继出现烧损现象，同时还出现牵引变电所电脑屏幕不停闪动、手机充电器 烧损等现象。 (2) 2007年7月，随着动车组的开行，北京铁路局京哈线蓟县南牵引变电所两 侧供电臂电压异常波动，电压波动高达35-75KV，对供电设备和机车的的安 全稳定运行造成严重危害，其中：7月13日燕郊—大厂间上行线路接触网避 雷器爆炸一台，造成D502动车组停车；7月15日燕郊—大厂间上行线路接触 网避雷器爆炸一台；7月29日燕郊分区所下行F线供电线上网点管型避雷器动 作，火花间隙击穿，断路器跳闸并重合失败；8月10日燕郊分区所所内上行T 线进线杆上避雷器爆炸；沿线接触网工区、变电所发生数起交流电源屏、浪 涌保护器、电视机、空调机、手机充电器、低压漏电保护装置等损坏事故； 另据北京局车辆段反映，动车组通过蓟县南供电区段时，牵引变流器经常报 故障，其中 7月31日，动车组 D504（重联）过电压保护动作跳闸，司机室 观测到网压极值32kV。
(3) 2008年12月15日、20日、21日、22日、23日、25日，合宁线龙城变电 所越区供电至合武线长安集变电所，CRH2动车组位于供电臂中部（合肥站 附近）运行时，7次造成长安集变电所附近接触网上避雷器爆炸事件。同时 CRH2动车组运行至龙城-合肥站间时，动车组频繁报变流器故障。

高次谐波过电压对牵引变电设备的影响


２ 牵 引变 电 系统产 生 高次谐 波过 电压 的原 由翻
电力系统 中三相交流发 电机发 出的电压 ，其波形基本上 是正弦波 ， 即波形中基本上无 直流和 高次谐波 。但在许 多的系统 中， 会有 某些设备 设施与负荷设施 出现非线性 的特 点性质 ， 也就是需要负载的电压和生成 的电流形成了非线性的相 互关 系， 最 终导致 波发生了形变， 一般， 导致这 种现象发生的原因有以下几种： （ １ ） 机车在 正常运 行过程 中， 降压变 因为过分相时断电， 断 电的同时 又带 电， 因此产生励磁涌流 。 图。 （ ２ ） 直流 电在牵引机车 的过程 中， 其整流的回路 是采用 了晶闸管 的 电网 中含高次谐波 时， 会使 电机 内部 产生高频磁场 ， 使运行 中的 电 整 流方式， 控制着极度靠近 导通角输 出的波形跳 动的调节 ， 直 流电输出 机发热， 损耗增加 ， 效率降低。其次是 当电动机中谐波电流频率接近于某 后 的电压质量和 电流质 量， 交流 电的正弦波形 无法让完整波吸收 ， 导致 些零部件 的固有振动频率时， 诱使产 生机械共振、 噪声和谐波过 电压 。 残 留下 的波形对正弦波进行了冲击 。 整个谐波 引起 的损耗为； （ ３ ） 在逆 变的 电路 中， 把直 流电的带 电能进行 交流 电和直 流 电的变 口 … ∑ Ｐ ＝ ３ — Ｌ × ２ Ｕ ： ／ ｎ ～ 换， 再将交流 电的电源反馈 的电能量转变 成 电路， 在其再 生制 动的过程 （ ２ Ｌ， ） 和直流 电机器 ， 同时处在发 电机的运行状态下 ， 由于惯性 ， 机械力会产生
引 言
东 西连 接江 苏连 云港 和 甘 肃 兰州 的 陇海 线 ，在 ２ ０ １ １年 新 增 了 这可 能引起系统的过电压 。 它又分为分直击和感应两类 。 雷 Ｈ ＸＤ １ Ｃ型交流、 直流 电力机车， 此机车在与 ｓ ４型机车 、 Ｓ ７ Ｅ型机车 、 Ｓ ７ Ｄ 放 电的过程 ， 具有 脉冲 的特性 。 型机车和 ＨＸ Ｄ ３型机车进行混合 的牵 引之后 ， 牵 引变 电的设 备设施就会 电过 电压的持续时间约为几十微秒， （ ５ ） 电力系统发生 故障后的恢复初期 ， 此时 系统 往往与 正常情况下 频繁的出现故 障， 多次烧毁了变电的设备设施 ： ３次烧毁系统 内部 的计算 变压器轻载甚至空载 ， 引起谐波畸变 ， 如果 网络 中电抗和容 机， １ Ｏ次烧 毁交流 电电盘信号灯， ２次烧毁直流 电的电模块， ３ ９次造 成电 的结构不 同， 产 生的谐波畸变将被放 大 ， 最终 产生谐波 过 容器系统 的突然跳 闸， ３次造成断路器 出现 问题 ， 其中， 电容器 的突然跳 抗恰 巧构成并联谐振条件 ， 电压 。 闸等系统故 障， 占了故障总数 的 ６ ０ ％， 这 巨大的比例成为 了首先解 决的 如今 ， 随着 社会的进步和发展 ， 铁 路运输方 面 已经进行 了多次 的提 必要 问题。对并路电容器 的保护装置进行 故障内容 的报告分析， 得出， 在 旅客运输量和货物运输量 都在不断的增加 ， 导致波发 生了形变 的谐 电容器跳 闸期间 ， 谐波 的电流 的变化情况很 明显 ， 最低 可达到 １ １ ． ２ ％， 而 速 ， 波成分 也变得十分 复杂， 基础 的波峰 数值和 谐波 的波速速 率也在不断的 最高可达到 ７ ８ ． １ ％。对其进行更详细的分析可发现， 造成这种现象 的原 诸 多发生 了形变 后的波 中， 电气铁道 是 目前 供电的系统中， 三相都 因在 于 ＨＸ Ｄ ３型机车 ， 随后对其进 行及时的处理 ， 直 到谐 波过 电压 不再 提高， 对变电的设备设施产生影响， 保证了运行过程中的安全性和可靠性为止【 ｕ 。 不平衡 的谐波产生源 。

高次谐波对供电系统的干扰及解决方法

高次谐波对供电系统的干扰及解决方法摘要：随着电力事业的发展越来越好，供电系统发生的高次谐波谐振，导致电力机车高压跳主断，牵引变电所主变低压侧过电压跳闸，甚至烧损机车、接触网电气设备，严重干扰正常运输秩序，需引起牵引供电从业人员高度关注，深入分析牵引网谐振机理，研究谐振抑制对策，采取被动和主动的防御手段，确保牵引供电安全。

关键词：高次谐波；供电系统；干扰；解决方法引言国民经济的发展日新月异、科技水平和人民生活水平也在不断地提高，要顺这样的时代潮流铁路运输就必须做到安全高效。

要保证铁路运输安全高效的运行，如何提高供电质量和可靠性也就成为了我们电力专业目前工作的重点。

众所周知影响供电质量和可靠供电的不利因素较多，其中高次谐波对供电系统的影响及危害就不容忽视。

1高次谐波的定义及其产生原因分析目前对于谐波的定义的说法较多，而国际上普遍认为谐波是一个有周期的正弦波的分量，其频率是基波的整数倍。

当电力系统的频率为额定频率50Hz，则基波频率为50Hz、2次谐波频率为100Hz、3次谐波频率为150Hz等。

而目前在电力系统中存在危害的谐波较多，高次谐波的危害越来越大，这也是今后电力系统改革中首要解决的问题。

由于各种非线性的电子元件日益应用到电力系统中，使得原本能产生正弦波的电源由于非线性元件的存在使在系统中和用户处的线路中总会产生高次谐波的电流和电压，产生高次谐波的元件比较多，例如一些交流电动机、电焊机、电石炉、变压器和感应电炉等，化工行业的高频炉、电解设备，钢铁行业的大型轧钢机，铁道部门的电气机车、电车公司的整流站等，家用电器如电视机等。

最为严重的是大型的整流装置和电弧炉，它们产生的高次谐波电流最为突出，是造成电力系统中谐波污染的最主要的因素。

在电力系统中运用的电气设备都能产生高次谐波，并对电力系统的安全运行产生很大的影响，在这里可通过以下设备进行分析：整流装置是电力系统中最重要的谐波源，例如在很多的设备中都是用整流装置，例如电视机、电池充电器、电力机车等；电弧炉因为在燃烧方面不够稳定，容易产生三相谐波电流；变压器则由于铁芯处于饱和状态，磁化的曲线呈非线性，电流畸变也会变大，这是一种稳态的谐波源。

牵引供电系统谐波谐振特性分析

ＭａＱｘａ Ｃ ｅ ｉ ｉｉｏ ｈｎＬ
（ ｌ ｇ ｆ ｌｃｒｃ ｌ ｇｎ ｅｉｇ Ｓ ｕｈ ｓ Ｊａ ｔｎ ｉｅｓｔ， ｅ ｄ ０ ） Ｃｏｌ ｅｏ ｅ ｔｉａ ｉｅ ｒｎ ， ｏ ｔｗｅ ｔ ｉｏｏ ｇＵｎｖ ｒｉ Ｃｈ ｎ ｕ６ ３ ｅ Ｅ Ｅｎ ｙ １ ０ １
阻抗共 同决 定 。其 中谐 波 电流 厶取 决于谐波 源 ，而 在高速 电气 化 铁路牵 引供 电系统 中谐波源 主 要是各 型 电力机 车 。根据 牵 引网 的谐 波传 输特 性 ，牵 引 网
对谐 波 电流会 有 一 定放 大 作用 。牵 引供 电系统 的谐 波 阻抗 在 发 生谐振 时其 阻抗模值 会增 大 ， 因此 当 系统 某 次谐波 电流 与谐 波 阻抗在 发生谐 振 时共 同作 用就 会产 生较 高 的谐 波 电压 。
研 究 与 开 发
牵 引供 电系统 谐波谐振特 性分析
马放 潇 陈 莉
（ 南交通 大学 电气 工程 学院 ，成都 ６ ０ ３ ） 西 １０ １
摘 要 牵 弓供 电系 统谐 波谐振 一 直是 影 响系 统安全 的重 要 因素之 一，本 文首先介 绍 了牵 弓 Ｉ Ｉ 供 电系 统等 效 阻抗 的分 析方 法 ，然后在 等效 阻抗 的基 础 上进 一步分 析 了谐 波 阻抗和 系统谐 振 频 率 的 变化规律 ，同 时利 用均 匀输 电方程 和传 输参 数矩 阵分析 了系 统 中的谐波 电流放 大情 况 ，讨
ｏ ａ ｍ ｏ ｉ ｕ ｒ ｎ ｓｉ ｅｓ ｓｅ ， ｏｄ ｓ ｕ ｓｔ ｅｒ ｌｔｏ ｓ ｉ ｅｗｅ ｎｔ ｅｈ ｒ ｎｉ ｕ ｒ ｎ ｍｐｌ ｃ ｔｏ ｆｈ ｒ ｎｃｃ ｒｅ ｔ ｎｔ ｙ ｔｍ ｔ ｉｃ ｓ ｈ ｅａｉ ｎ ｈｐ ｂ ｔ ｅ ａ ｍｏ ｃｃ ｒｅ ｔａ ｈ ｈ ｉ ａｉｎ ｉ ｆ ａ ｄ ｓ ｓｅ ａ ａ ｔｒ ｎ ｃ ｍ ｏｉｅｐ ｓ ｉｎ Ａｎ ｒｅ ｐ ｒ ｓｉｎｏ ａ ｍｏ ｉ ｅ ｏ ａ ｃ ａｕ ｅ ｔｌｓ． ｎ ｙ ｔｍ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓａ ｄｌ ｏ ｔ ｏ ｉ ｏ ， ｄｂ ｉｆｓ ｐ ｅ ｓｏ ｆｈ ｒ ｎｃｒ ｓ ｎ ｎ ｅｍｅ ｓ ｒ ｓ ｔ ｏ ｖ ｔ ｕ ａ ａ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ：ｅ ｕ ｖ ｌｎ ｍ ｐ ｄ ｎｃ ｄｓ ｑ ｉ ａ ｅ ｔｉ ｅ ａ ｅ；ｈ ｒ ｏ ｃｉ ｐ ｄａ ｃ ａ ｍ ｎｉ ｍ ｅ ｎ ｅ：ｒ ｓ ｎ ｎ ｅ ｕ ｎｃ ｅ ｏ ａ ｔｆ ｑ ｅ ｙ；ｈａ ｍ ｏ ｉ ｕｒｅ ｔ ｒ ｒ ｎ ｃｃ ｒ ｎ ａ ｐｌｆｃ ｔｏ ｍ ｉ ａｉ ｎ； ｓ ｐ ｒ ｓ ｉ ｎ ｏ ｒ ｏ ｉ ｅ ｏ ｎｃ ｉ ｕ ｐ ｅ ｓｏ ｆｈａ ｍ ｎ ｃｒ ｓ ｎａ ｅ
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根据系统各部分的阻抗矩阵和导纳矩阵可算得 各切面电压。阻抗矩阵和导纳矩阵根据牵引网的相 关参数计算得到。首先，根据各导线的型号、空间 位置等信息算出牵引网的单位长度阻抗矩阵和导纳 矩阵 [3,4]。根据导线合并原则简化模型，即对矩阵进 行降阶处理。再利用整体 T 参数逼近算法算得一小 段均匀传输线的型等效电路参数矩阵，代入链式网 络的数学模型中进行计算 [3,4]。
其中：
Z 0Y0
Zc Z0 Y0Fra bibliotek（ 2）
（ 3） （ 4） （ 5）
Z 0 R0 j L0 Y0 jC0
式中，Z 0 为传输线单位长度的阻抗；Y 0 为传输线单 位长度的导纳； R0 为单位长度传输线分布电阻值； L 0 为单位长度传输线分布电感值；C0 为单位长度传 输线分布电容值；Z ss 为变电所等效阻抗；L 为供电 段长度。 根据等效阻抗的公式便可得到列车两端不同频 率下等效阻抗与列车位置的关系。由于模型中存在 大量的串并联的电阻、电感、电容元件，在某一位 置列车两端的等效阻抗值如图 2 所示。
Zq Z c cosh( L2 )[ Z ss cosh( L1 ) Z c sinh( L1 )] （ 1） Z ss sinh( L) Z c cosh( L)
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电 工 技 术 学 报
2013 年
3
3.1
系统谐振分析模型
高速铁路牵引供电系统谐波分析模型 目前，我国的高速铁路主要采用 AT 复线供电方式，
iN (t ) M 2U d 2 2U N 2 cos(m t )
The structure of AT-fed power supply system
牵引网是由供电网导线和回流网导线组成的平行 多导体传输线系统，可以用链式网络的拓扑结构对其 进行建模。链式网络模型拓扑结构如图 4 所示。根据 牵引供电系统的网络结构特点和列车实际位置对系统 划分切面，所得的网络由串联元件和并联元件组成。 图中的 Z1、Z2…表示系统的串联元件，Y1、Y2…表示系 统的并联元件，如果多导体传输线的平行导体数为 m， 则 Z 和 Y 均为 m×m 阶的矩阵，称为阻抗矩阵和导纳 I2…为变电所或动车组向牵引网注入的电流。 矩阵， I1、 对于一个有 N 个切面的拓扑结构，其节点电压矩阵方 程为
次谐波带来的问题也日趋严重，由于车网参数不匹 配而引起的谐振现象便是其中之一。当列车注入牵 引网的某次谐波频率在系统谐振点频率附近时就会 引起谐振现象，此时列车端会产生幅值很高的谐波 电压，严重时会影响列车的正常运行。车网谐振现
国家 973 计划资助项目（ 2011CB711106 ）。 收稿日期 2013-10-11 改稿日期 2013-11-11
本文主要研究了由于高速列车与牵引供电网参数不匹配而引起的高次谐波谐振现象。
首先，简要介绍了高速铁路牵引供电系统与高速列车牵引传动系统建模的理论和方法。从理论上 分析了高速列车网侧电流谐波特性， 基于传统的牵引网单线模型分析了谐振现象产生机理。 然后， 参考京沪线先导段某供电区间和 CRH-380A 型动车组，搭建了系统仿真模型，仿真分析了高次谐 波谐振引起的列车端电压升高的现象、供电区间谐振点分布规律及阻抗特性。 关键词： 复线 AT 供电方式 中图分类号： TM315 三电平四象限整流器 牵引网 谐波特性 谐振
其结构如图 3 所示。该供电系统主要包括牵引变电所、 牵引网、自耦变压器 3 个部分。牵引变电所内的 Scott 变 压器将电网的 220kV 三相交流电变成两相 55kV 交流电， 分别为两个供电区间供电。一个供电区间内，在接触网 与正馈线之间每隔一定距离并接入一台自耦变压器，自 耦变压器将变电所提供的 55kV 交流电变成接触网和钢 轨之间的 27.5kV 交流电供给列车。保护线与轨道并联。
2013 年 第 28 卷增刊 2
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.28
Sup.2 2013
高速列车与牵引供电网高次谐波谐振分析
初 曦 林 飞 杨中平 孙
北京
湖
100044）
（北京交通大学电气工程学院电力电子研究所 摘要
2
谐振现象产生机理
车网谐振现象可以看成是列车运行过程中产生
的某次谐波电流流入牵引网，与牵引网和牵引变电 所的阻抗构成了某次谐振电路，使得牵引变电所或 列车端阻抗值达到极大值，电压幅值明显升高。其 谐振频率由牵引网和牵引变电所的阻抗参数决定。 分析车网谐振现象普遍采用牵引网单线模型，其等 效电路如图 1 所示。
Y1 Z11 Z11 1 1 1 1 Z1 Z1 Y2 Z 2 Z2 1 1 1 1 Z Z Y Z Z 2 2 3 3 3 1 1 1 Z N 2 YN 1 Z N 1 Z N 1 1 1 Z N ZN 1 1 YN U1 I1 U 2 I2 U3 I3 = （ 6） I U N 1 N 1 I U N N
and the power supply line is analyzed in this paper. The modeling methods of the high-speed railway power supply system and high speed train traction drive system are described in detail. And the characteristic of harmonic current generated by the high speed train is mentioned in theory. The generation mechanism of resonance is investigated based on the traditional power supply line simulation model. Then, according to Beijing-Shanghai line and CRH-380A, the simulation model is built with the MTL model. It’s resulted that high frequency resonances may cause the high value of harmonic voltage. In addition, the distribution pattern of resonant points and impedance characteristic are researched deeply. Keywords： AT-fed power supply system, three-level PWM rectifier, power supply line, harmonic characteristic, resonance
Analysis of High Frequency Resonances in the Power Supply Line of the High Speed Train
Chu Xi Lin Fei Yang Zhongping Sun Hu （ Institute of Power Electronics and Electric Traction of School of Electrical Engineering Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China） Abstract The high frequency resonance caused by the mismatch between the high speed train
图4 Fig.4
链式网络模型拓扑结构图 Chain network model topology
变电所中的 Scott 变压器和自耦变压器的建模 方法是根据变压器电路模型和绕组参数得出输入输 出侧电压电流的传递关系，即导纳矩阵。文献 [4]
图3 Fig.3 AT 供电方式结构图
中详细阐述了供电系统中变压器的建模方法。 3.2 高速列车网侧电流谐波分析模型 本节以 CRH-380A 型动车组为例，简要分析高 速列车网侧电流的谐波特性。 CRH-380A 型动车组 牵引传动系统结构为一台变压器带两台三电平变流 器的二重化拓扑结构，整流器控制采用载波移相策 略 [6,7]。 理想情况下， 三电平脉冲整流器输入电流表达式为
1
引言 1
随着高速列车的大量使用，其注入牵引网的高
象给列车运行带来的不良影响是一个值得深入研究 并亟待解决的问题。 目前，对车网谐振现象的研究主要分两个方面： 二是分析高速列车注 一是分析牵引网的谐波特性[3,4]， 分析车网谐振现象一般 入牵引网电流的谐波特性[5,6]。 采用牵引供电网单线简化模型[4]。这种方法将变电所 等效成阻感负载，将牵引网看成一根均匀的传输线， 在电路中用串联的阻感和并联的电容等效，将列车等 效成一个谐波电流源。根据电路相关知识可以准确写 出列车两端阻抗值与列车位置的关系，便于定性、定 量分析系统谐波传播规律和谐振频率特性。但这种建
图2 图1 Fig.1 牵引供电网单线简化模型 Fig.2
列车两端等效阻抗值
Train side equivalent impedance
Simple model of the power supply line
从图 2 中可以看出， A 、 B、 C、 D 四个点为列 车在该位置的谐振点，谐振点处阻抗达到极大值， 其附近一定频率范围内的阻抗值也明显高于其他频 率处的。列车端谐波电压幅值为列车注入牵引网的 谐波电流幅值与列车端等效阻抗值的乘积，当列车 注入牵引网的谐波电流频率在系统的谐振频率处或 其附近，就会产生并联谐振，在列车两端产生几千 甚至几十千伏的谐波电压。 这种建模方法主要是针对由一根接触线和钢轨组 成的牵引网，只适用于直接供电方式（T-R 方式）[3]， 无法针对比较复杂的供电系统进行建模。而高速铁路 牵引网结构复杂，多为多导线并联结构，导线之间互 有影响。因此，本文采用多导体传输线建模方法搭建 了高速铁路牵引网模型，并建立了高速列车网侧电流 谐波分析模型，仿真分析了列车注入牵引网的谐波电 流产生的谐振现象。