（中国铁路上海局集团有限公司供电部）
摘要：牵引变电所所用电源由一路电力10kV贯通电源、一路27.5kV电源供电。当27.5kV电源供电时，出现交直流屏电子元器件频繁烧损故障，通过电源质量采集分析，发现电源高次谐波含量加大，电压波动异常，提出两种整治方案，均可实现电能质量治理，对比两种方案优缺点，选择适合现场实际运行状态的方案，实施电能质量治理。
关键词：所用电源；电能质量；治理
牵引变电所亭所用电源一般采用一路电力10kV贯通电源、一路27.5kV电源通过变压器变压后引入交直流屏进线端。通过交直流屏提供牵引变电所、自耦变压器所、分区所内的照明、控制、应急等电源。所用交直流电源的电能质量直接影响到交直流屏内低压元器件的运行稳定性。在日常运行检修管理中，当10kV停电，交流屏主用电源切换至二路27.5kV进线运行。在运行过程中，出现进线电压过电压严重，低压熔断器熔断、交流接触器线圈烧损、直流模块烧损等设备故障。
一.故障原因分析
10kV进线电源停电或故障，交流屏一路10kV进线失压，二路27.5kV进线自动投入运行，交流屏二路27.5kV进线电源运行期间，27.5kV进线电源出现过电压，最高为508V（相电压290V），交流接触器额定电压为240V，远高于其额定电压，从而导致交流屏2#系统27.5kV进线跳闸、接触器、熔丝烧损等，初步判断为电力机车通过接触网取流后出现高次谐波，电源质量降低，造成设备烧损。
二.电能质量数据采集及分析
1.数据采样
利用谐波数据采集装置，采样所用变二次侧电压电流进行数据分析如下：
（1）三相电压有效值最大值采集
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12时37分35秒至12时37分55秒电能质量检测仪表上对应的三相电压电流数据和三相电流数据：
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电能质量检测仪表上对应的三相电压电流数据
（2）电压各相谐波畸变率情况
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2.电能质量分析
（1）10时22分，用电负荷倒切至27.5kV所用变压器供电，在此之前，为电力贯通10kV电源供电，电能质量检测仪表检测电流为0；
（2）用电负荷倒切到27.5kV所用变压器供电后，电流相对平稳，12时37分左右，电压电流值明显增加，且电压电流谐波均较大，每相电压谐波畸变率均大于15%，且高次谐波（31次及以上）含量较大。
3.原因分析
由于接触网主要的用电负荷为交直交电力牵引机车，电力牵引机车根据运行图时刻表运行，不同时刻牵引网上的电能质量状况存在较大的差异，机车位置与牵引变压器的相对距离不断变化，距离随着列车的运行发生变化，在同一测量地点牵引网电能质量状况也在变化。牵引负荷（整流性负荷）在空间和时间分布上的存在随机性，使得接触网电压波形、谐波含量在不同时间、不同地点有不同的特点。当用电负荷倒切到27.5kV所用变压器供电后，在12时37分之前，此接触网供电区间没有机车通过，此时接触网的用电负荷只有所内用电设备，所以负荷相对单一，且电流谐波相对较小；当12时37分左右，此接触网供电区间有机车通过或多列机车通过时，电力牵引机车产生的大量谐波返送至接触网，27.5kV所用变压器电源引接至所内母线，因此电能质量检测仪表检测出电流的有效值在不断增加，同时，谐波电流在变压器上产生较大压差和谐波电压，导致测量点的电压谐波大大增加。
三.电能质量治理方案
通过对电气化铁路接触网电源电能质量采集和分析得知，27.5/0.23kV降压得到的所用变电源电压波动较大，电压有效值一般在210V-300V范围内波动，有时可能会更大，且谐波含量超过15%，基本是31次以上的高次谐波。接触网电源的电能质量与用电负荷对供电质量的要求存在巨大矛盾，在接触网与用电负荷间加入一级能量路由与净化装置对接触网电源的电能质量进行净化处理，将接触网输出的波动大且谐波含量高的电压转换为幅值稳定、谐波含量满足国标要求的电压给用电负荷供电。
目前可采用两种方案对电能质量进行治理。
1.采用并联型电能治理设备（如 SVG、APF）
有源电力滤波器主要由主功率元件、滤波电感排、DSP控制板和数据采样元件组成。当DSP控制板数据采样电路采集到该配电系统的畸变电流（电压）后，通过PWM输入端子获得DSP控制板的PWM驱动信号，PWM驱动信号经过光电隔离芯片驱动主功率电路输出任意幅值、波形和相位的电压和电流，从而达到改善电能质量的要求。系统结构原理图如下：
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抑制谐波和无功补偿原理图
本方案对于无功补偿和谐波的抑制是可以分相控制，进而使电网三相无功和谐波电流平衡，主要减小了电网变压器的内部谐波压降，达到三相平衡的目的。在硬件结构上主要包括：主功率电路、滤波电感排、DSP控制板和数据采样电路、控制面板及大屏幕显示屏。
2.能量路由与净化装置技术
通过设计一面屏柜，将能量路由与净化装置系统串联到27.5KV变压器低压总进线供电回路，实现彻底的电源质量净化。主回路采用交直交拓扑结构，主要由可控整流器、直流滤波器、逆变器、工频隔离变压器组成。输入电压经过三电平AC/DC可控整流和LC滤波器，将输入三相交流电压整流、滤波为平滑直流电压，该直流电压经过三电平三相四线制逆变电路，且经过LCL滤波器消除逆变过程中产生的高次谐波，再将交流电压经过工频隔离变压器隔离后给负荷供电。由于中间直流母线的存在，输入交流侧的谐波不能传递到输出交流侧，有效地滤除了接触网电压中存在的谐波。能量路由与净化装置系统结构图如下：
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能量路由与净化装置系统结构原理图
能量路由与净化装置的核心部分为三电平AC-DC-AC变换器，此部分由三电平AC/DC整流器、直流滤波器和三电平DC/AC逆变器组成。对于能量路由与净化装置控制系统的设计，要求系统有较好的动态和稳态特性，对稳态特性来说，要求输出电压精度高，谐波含量小，对于瞬态特性来说，要求超调量小，响应速度快，在系统负载突变时，能很快的稳定，选择合适的控制方法对系统的特性有着至关重要的影响。
四．两种治理方案比选
通过两个方案的安装试验比对，方案二的电能质量治理效果优于方案一，效果明显，但是方案二生产成本高，既有交直流屏增设电源净化装置困难，适合使用在交直流屏整体改造或新线投运，方案一基本满足电源质量整治要求，生产成本优于方案一，采用并接方案，安装方便，适合既有交直流屏电源质量治理。
参考文献：
[1]唐杰.配电网静止同步无功补偿器的理论与技术研究[D.]长沙：湖南大学，2007.
[2]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006.