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摘要：本文分别对比介绍了新型交-直-交型大功率电力机车和以SS4为代表的传统型交-直型电力机车的主电路拓扑结构及其网侧电流谐波特性。由测试结果表明大功率电力机车与传统电力机车相比最显著的特征是其谐波特性不同，并分析了网侧谐波对牵引变电所电气设备造成的影响和采取的相应的技术改进措施，确保牵引供电系统的正常运行。
关键词：交直交，电力机车;牵引供电;谐波
引言
近年来，我国电气化铁路建设进入了高速发展阶段，交流传动的电力机车将逐步成为我国高速铁路和重载线路的主力车型，其核心是“交-直-交”型传动系统，其主电路拓扑和控制方式与传统的韶山系列交直电力机车有着明显不同，因此具有高功率因数、可实现能量的双向流动等优点，但谐波特性也有较大差别。由于谐波特性的改变，这些新型动车组及机车与已有牵引供电系统存在匹配问题，我国对于交直交型电力机车谐波问题的研究尚处于起步阶段，为便于诸如神朔铁路等重载铁路的牵引供电系统的稳定，因此有必要对不同类型的电力机车的谐波特性进行实测和对比分析。
在国铁工程试验和机车运行效果表明，新型电力机车陆续发生一些故障，如：牵引变电所交直流屏上的充电模块出现烧损、牵引变电所电容器组过电压跳闸、电力机车RC阻容烧损、电磁干扰引起牵引变电所继电保护误动作等。通过对神朔铁路府谷牵引变电所和陇海线华山变电所进行谐波测试、电容器组过电压跳闸前后的专题等测试工作，获得了交-直-交电力机车的谐波频谱、电铁谐波的特性、变电所无功动态补偿装置的补偿效果等资料。本文简要介绍SS4G型交直、HXD型交直交电力机车的谐波特性及其对牵引供电系统的影响，并针对运行中出现的故障研究提出了技术改进措施。
1 交-直型和交-直-交型电力机车模型
1.1 交直型电力机车主电路拓扑结构
以韶山4改进型电力机车为例（以下简称SS4G型电力机车），主电路采用大功率晶闸管与二极管组成的不对称经济半控桥式整流电路（不等分三绕组，三段半控桥式整流调压电路）。机车传动采用传统的直流传动方式，牵引电机为串励脉流牵引电动机。机车基本特性和参数参见文献[1] ，主电路如下图1所示。
1.2 交直交型电力机车主电路拓扑结构
HXD1、HXD2、HXD3型大功率电力机车的整流部分采用的是两电平4象限变流器，其主电路如图1所示。
图2中，uN为牵引变压器二次侧电压，Ud为直流侧电压，LN和RN分别为二次侧等效电感和电阻，Cd为直流侧支撑电容，L2和C2构成二次滤波回路。S1～S4为可关断电力半导体开关器件，由它们构成的桥式逆变器能将中间储能回路或者负载端的能量逆变为交流;D1～D4为功率二极管，由它们构成桥式整流，能将电网的交流电能变为直流，采用一定的控制策略对S1～S4进行导通与关断控制，可以在四象限变流器的输入端，即ab端生成一个与电网同步，基波相位和幅值均可调节的脉宽调制波，记为us。
2 谐波特性
依据GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》等系列国家标准，采用美国Fluke公司生产Fluke435电能质量分析仪对神朔铁路和陇海线某变电所和对牵引供电谐波特性进行了测试，该分析仪每周期采样点为256个，可测量50次内谐波，电压测量精度为0.1%，电流测量精度为0.5%，同时，该计量产品都经过国家技术监督局的质量检测，通过了CMC认证（计量产品生产许可证）。
本文分别对交直型电力机车、交直交型电力机车进行了谐波特性进行了测试与分析，对比35kV电压等级谐波电压要求，奇次谐波电压低于2.4%，偶数次谐波电压低于1.2%。
我国现有的交直型电力机车主要有SS4G型、SS4型、8K型、SS3型、SSI型，但其电路结构相同，只是电路参数有所不同，因此其谐波分布规律也基本相同。
通过对比测试与分析，由测试结果可知，交直型电力机车的谐波含量比较高，THD值在10%左右，机车功率因数较低，通常在0.6～0.9之间。网侧电流中主要含有低次的奇次谐波，尤以3次和5次谐波含量最高。同时，机车整流电路的段数越高，其功率因数也越高，这符合多段桥式整流电路的设计要求。
（2）交直交型電力机车谐波特性
随着我国电力机车生产企业“引进一吸收一消化一再创新”步伐的加快，企业已经具备了8轴、6轴和4轴交直交型电力机车的生产能力，开发出了HXD系列机车产品，与此同时，牵引供电设备所承受的谐波也面临的新的挑战。
交直交型电力机车，其传动系统的主电路为“交-直-交”型，即整流器+逆变器+交流异步牵引电机，其中整流器均为四象限PWM整流器，故交直交型电力机车其谐波特性与交直型电力机车的相控整流有着本质区别。
3 谐波对电气化铁路电力牵引设备的影响和改正措施
3.1 牵引变电所FC滤波支路过电压跳闸分析及改进措施
3.1.1 牵引变电所FC滤波支路过电压跳闸原因分析
‘十一五’期间，交直交型电力机车迅猛发展，HXD系列机车相继在国铁和地方铁路争相选用，铁路馈线负载主要包括HXD1、HXD3、SS4B、SS4G等交直、交直交系列电力机车混合分布，谐波特性由原有的低次谐波为主变为低次和高次谐波含量高的现状。
据统计，电气化铁路牵引变电所新增HXD系列交直交电力机车后，FC电容滤波支路频繁出现差压保护跳闸，二次保护输出值最大值达12V以上，严重影响牵引变电所功率因素等电能质量考核指标，导致电力部门采取经济罚款，对爬坡多、重负载、牵引供电末端等牵引供电工况，由于电压低落严重，时常出现机车停运等影响安全行车现象。
牵引变电所既有FC滤波支路主要针对交直型电力机车设计，主要有3次（感抗与容抗之比 a=XL/XC=12%）和5次滤波支路（a=6%），根据放电线圈国家标准DLT653-1998、JBT 8970-1999、DL/T653-2009技术文件，未对高次谐波引起放电线圈二次电压阻抗特性做要求，交直交电力机车引起的高次谐波流入FC滤波支路时引起LC阻抗特性发生变化，放电线圈低压侧感应的电压不协调，引起过电压跳闸。 3.1.2 牵引变电所FC滤波支路改进措施
针对交直交型电力机车引起的高次谐波对既有牵引供电FC滤波支路频繁出现过电压的现场，目前，普遍实施有效的措施是在放电线圈二次回路侧增设一种高通滤波装置，通过合理的对RC装置进行选型，该方案下3、5、7、11次低次谐波将有效引起微机保护装置跳闸，对正常基波时，基波阻抗X1>Max（R，Xc），亦可有效实现差压保护，同理可知，20次以上高次谐波流入该系统时，RC方案可有效滤除高次谐波，确保既有保护装置不差压保护而稳定运行。
3.2 牵引变电所交直流屏烧损原因及改进措施
3.2.1 牵引变电所交直流屏烧损原因
新型交直交电力机车迅猛投入各大路局和铁路沿线后，货运量快速提升的同时，牵引供电系统交直流屏不断出现指示灯、蓄电池烧损等现象。
传统的交直流屏交流电源进线处主要针对是韶山系列电力机车产生的3、5、7次等低次谐波而设置了滤波装置，而未能适用于新型交直交和谐号电力机车产生的高次谐波（31～47次谐波），交直流屏充电模块的输入端为桥式整流部分，对谐波电压抑制功能较差，完全靠母线电解电容来承受。
直流屏蓄电池整流模块工作时自身会产生较大的电流畸变，这个畸变电流在流经电网时又会额外地产生新的谐波电压，反过来作用于模块输入，进一步影响了模块工作。高次谐波电压直接叠加在交流屏的元器件上，整流模块上的电容因长时间在过电压状态下运行而烧损，进而导致整个整流模块烧损。
3.2.2 牵引变电所交直流屏烧损技术改进措施
为能有针对性地对交流电源进线高次谐波进行滤除，彻底有效地改善电源质量，在工程运用中取得显著的技术改进措施有：
（1）增設一种接触网电源净化装置。接触网电源净化装置采用交-直-交系统，输入电压经二极管不控整流和电解电容滤波后变为平滑直流，直流电经全桥功率逆变输出正弦脉宽调制波，通过升压变压器调整脉宽调制波幅值，经LC低通滤波得到所需交流电。此方案通过直流环节实现输入电压同输出电压解耦，可有效解决输入电压品质差的问题。同时为有效解决输入电压谐波含量较大和尖峰电压较高的情况，输入设计滤波支路，保证输入功率回路和控制回路的供电适应性。
（2）在牵引变电所增设置低压有源滤波器（APF）。有源滤波器是新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路2个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动功率模块生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。
3.3 牵引变电所电磁干扰及改进措施
3.3.1 牵引变电所电磁干扰现象
新型交直交电力机车产生的高次谐波引起的电磁干扰主要通过传导和辐射传播，辐射干扰源是指以电磁波形式传播的电磁干扰，通过天线等介质（包括自然空间）以电磁波的特性和规律传播，此外，布线，结构件、元件、部件等满足条件时，亦起到发射天线与接收天线的作用，即产生天线效应，并通过编织屏蔽层或连接电缆向外辐射。
传导干扰源是指许多电子设备的硬件包含着具有天线能力的元件，如电缆、印刷电路板的印制线、内部连接线和机械结构。它们能与电场、磁场或电磁场方式传播能量并耦合到输出电缆中，干扰源就是通过这些能量耦合方式将干扰施加于敏感设备上。
3.3.2 牵引变电所电磁干扰改进措施
针对高次谐波引起电气化铁路牵引变电所综合自动化系统误报、误跳闸;对通信设备和线路产生信号干扰;监控视频出现花屏、黑屏等现象，严重影响电调控制指挥、变电所值班人员安全作业。通过供电车间不断试探性技术改进试验，提出了衰减辐射干扰和降低电磁干扰的显著的措施：
一是增加滤波装置和信号隔离装置。
二是改造牵引变电所既有高压电缆和二次电缆屏蔽措施和敷线形式：回流电缆单独走电缆沟;二次电缆与高压电缆在电缆沟中分开并避免平行走线;监控视频线、VG线穿管布线防止产生电磁干扰。与此同时，更换既有综合自动化保护装置、监控视频装置和综合自动化系统和视频电源系统输入，改用所用电。
4 结束语
新型交直交大功率电力机车上线运行后，不断出现牵引变电所、亭交直流屏等电气设备烧损、电容器滤波支路过电压跳闸、电磁干扰等系列问题，经测试分析均与其产生的谐波有关，而既有牵引供电设备电气特性主要是针对原有韶山系列电力机车和国标、铁标制造，因此，改善电能质量和研制新型治理高次谐波装置将成为“十二五”电气化铁路亟待解决的课题。
参考文献：
[1] 张有松，朱龙驹主编.韶山4型电力机车.北京.中国铁道出版社，1998年
[2] 李建华，豆风梅，夏道止.韶山4型电力机车谐波电流的分析计算.电力系统自动化，1999.23（16）.PP 10-13
[3] 赵四洪.基于电力机车不同工况的负荷谐波分析及仿真.西南交通大学硕士学位论文，2003
作者简介：
范旋（1966年9月），男，工程师，从事铁路牵引供电、铁道电气化工程维护管理工作
（作者单位：神朔铁路分公司）
关键词：交直交，电力机车;牵引供电;谐波
引言
近年来，我国电气化铁路建设进入了高速发展阶段，交流传动的电力机车将逐步成为我国高速铁路和重载线路的主力车型，其核心是“交-直-交”型传动系统，其主电路拓扑和控制方式与传统的韶山系列交直电力机车有着明显不同，因此具有高功率因数、可实现能量的双向流动等优点，但谐波特性也有较大差别。由于谐波特性的改变，这些新型动车组及机车与已有牵引供电系统存在匹配问题，我国对于交直交型电力机车谐波问题的研究尚处于起步阶段，为便于诸如神朔铁路等重载铁路的牵引供电系统的稳定，因此有必要对不同类型的电力机车的谐波特性进行实测和对比分析。
在国铁工程试验和机车运行效果表明，新型电力机车陆续发生一些故障，如：牵引变电所交直流屏上的充电模块出现烧损、牵引变电所电容器组过电压跳闸、电力机车RC阻容烧损、电磁干扰引起牵引变电所继电保护误动作等。通过对神朔铁路府谷牵引变电所和陇海线华山变电所进行谐波测试、电容器组过电压跳闸前后的专题等测试工作，获得了交-直-交电力机车的谐波频谱、电铁谐波的特性、变电所无功动态补偿装置的补偿效果等资料。本文简要介绍SS4G型交直、HXD型交直交电力机车的谐波特性及其对牵引供电系统的影响，并针对运行中出现的故障研究提出了技术改进措施。
1 交-直型和交-直-交型电力机车模型
1.1 交直型电力机车主电路拓扑结构
以韶山4改进型电力机车为例（以下简称SS4G型电力机车），主电路采用大功率晶闸管与二极管组成的不对称经济半控桥式整流电路（不等分三绕组，三段半控桥式整流调压电路）。机车传动采用传统的直流传动方式，牵引电机为串励脉流牵引电动机。机车基本特性和参数参见文献[1] ，主电路如下图1所示。
1.2 交直交型电力机车主电路拓扑结构
HXD1、HXD2、HXD3型大功率电力机车的整流部分采用的是两电平4象限变流器，其主电路如图1所示。
图2中，uN为牵引变压器二次侧电压，Ud为直流侧电压，LN和RN分别为二次侧等效电感和电阻，Cd为直流侧支撑电容，L2和C2构成二次滤波回路。S1～S4为可关断电力半导体开关器件，由它们构成的桥式逆变器能将中间储能回路或者负载端的能量逆变为交流;D1～D4为功率二极管，由它们构成桥式整流，能将电网的交流电能变为直流，采用一定的控制策略对S1～S4进行导通与关断控制，可以在四象限变流器的输入端，即ab端生成一个与电网同步，基波相位和幅值均可调节的脉宽调制波，记为us。
2 谐波特性
依据GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》等系列国家标准，采用美国Fluke公司生产Fluke435电能质量分析仪对神朔铁路和陇海线某变电所和对牵引供电谐波特性进行了测试，该分析仪每周期采样点为256个，可测量50次内谐波，电压测量精度为0.1%，电流测量精度为0.5%，同时，该计量产品都经过国家技术监督局的质量检测，通过了CMC认证（计量产品生产许可证）。
本文分别对交直型电力机车、交直交型电力机车进行了谐波特性进行了测试与分析，对比35kV电压等级谐波电压要求，奇次谐波电压低于2.4%，偶数次谐波电压低于1.2%。
我国现有的交直型电力机车主要有SS4G型、SS4型、8K型、SS3型、SSI型，但其电路结构相同，只是电路参数有所不同，因此其谐波分布规律也基本相同。
通过对比测试与分析，由测试结果可知，交直型电力机车的谐波含量比较高，THD值在10%左右，机车功率因数较低，通常在0.6～0.9之间。网侧电流中主要含有低次的奇次谐波，尤以3次和5次谐波含量最高。同时，机车整流电路的段数越高，其功率因数也越高，这符合多段桥式整流电路的设计要求。
（2）交直交型電力机车谐波特性
随着我国电力机车生产企业“引进一吸收一消化一再创新”步伐的加快，企业已经具备了8轴、6轴和4轴交直交型电力机车的生产能力，开发出了HXD系列机车产品，与此同时，牵引供电设备所承受的谐波也面临的新的挑战。
交直交型电力机车，其传动系统的主电路为“交-直-交”型，即整流器+逆变器+交流异步牵引电机，其中整流器均为四象限PWM整流器，故交直交型电力机车其谐波特性与交直型电力机车的相控整流有着本质区别。
3 谐波对电气化铁路电力牵引设备的影响和改正措施
3.1 牵引变电所FC滤波支路过电压跳闸分析及改进措施
3.1.1 牵引变电所FC滤波支路过电压跳闸原因分析
‘十一五’期间，交直交型电力机车迅猛发展，HXD系列机车相继在国铁和地方铁路争相选用，铁路馈线负载主要包括HXD1、HXD3、SS4B、SS4G等交直、交直交系列电力机车混合分布，谐波特性由原有的低次谐波为主变为低次和高次谐波含量高的现状。
据统计，电气化铁路牵引变电所新增HXD系列交直交电力机车后，FC电容滤波支路频繁出现差压保护跳闸，二次保护输出值最大值达12V以上，严重影响牵引变电所功率因素等电能质量考核指标，导致电力部门采取经济罚款，对爬坡多、重负载、牵引供电末端等牵引供电工况，由于电压低落严重，时常出现机车停运等影响安全行车现象。
牵引变电所既有FC滤波支路主要针对交直型电力机车设计，主要有3次（感抗与容抗之比 a=XL/XC=12%）和5次滤波支路（a=6%），根据放电线圈国家标准DLT653-1998、JBT 8970-1999、DL/T653-2009技术文件，未对高次谐波引起放电线圈二次电压阻抗特性做要求，交直交电力机车引起的高次谐波流入FC滤波支路时引起LC阻抗特性发生变化，放电线圈低压侧感应的电压不协调，引起过电压跳闸。 3.1.2 牵引变电所FC滤波支路改进措施
针对交直交型电力机车引起的高次谐波对既有牵引供电FC滤波支路频繁出现过电压的现场，目前，普遍实施有效的措施是在放电线圈二次回路侧增设一种高通滤波装置，通过合理的对RC装置进行选型，该方案下3、5、7、11次低次谐波将有效引起微机保护装置跳闸，对正常基波时，基波阻抗X1>Max（R，Xc），亦可有效实现差压保护，同理可知，20次以上高次谐波流入该系统时，RC方案可有效滤除高次谐波，确保既有保护装置不差压保护而稳定运行。
3.2 牵引变电所交直流屏烧损原因及改进措施
3.2.1 牵引变电所交直流屏烧损原因
新型交直交电力机车迅猛投入各大路局和铁路沿线后，货运量快速提升的同时，牵引供电系统交直流屏不断出现指示灯、蓄电池烧损等现象。
传统的交直流屏交流电源进线处主要针对是韶山系列电力机车产生的3、5、7次等低次谐波而设置了滤波装置，而未能适用于新型交直交和谐号电力机车产生的高次谐波（31～47次谐波），交直流屏充电模块的输入端为桥式整流部分，对谐波电压抑制功能较差，完全靠母线电解电容来承受。
直流屏蓄电池整流模块工作时自身会产生较大的电流畸变，这个畸变电流在流经电网时又会额外地产生新的谐波电压，反过来作用于模块输入，进一步影响了模块工作。高次谐波电压直接叠加在交流屏的元器件上，整流模块上的电容因长时间在过电压状态下运行而烧损，进而导致整个整流模块烧损。
3.2.2 牵引变电所交直流屏烧损技术改进措施
为能有针对性地对交流电源进线高次谐波进行滤除，彻底有效地改善电源质量，在工程运用中取得显著的技术改进措施有：
（1）增設一种接触网电源净化装置。接触网电源净化装置采用交-直-交系统，输入电压经二极管不控整流和电解电容滤波后变为平滑直流，直流电经全桥功率逆变输出正弦脉宽调制波，通过升压变压器调整脉宽调制波幅值，经LC低通滤波得到所需交流电。此方案通过直流环节实现输入电压同输出电压解耦，可有效解决输入电压品质差的问题。同时为有效解决输入电压谐波含量较大和尖峰电压较高的情况，输入设计滤波支路，保证输入功率回路和控制回路的供电适应性。
（2）在牵引变电所增设置低压有源滤波器（APF）。有源滤波器是新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路2个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动功率模块生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。
3.3 牵引变电所电磁干扰及改进措施
3.3.1 牵引变电所电磁干扰现象
新型交直交电力机车产生的高次谐波引起的电磁干扰主要通过传导和辐射传播，辐射干扰源是指以电磁波形式传播的电磁干扰，通过天线等介质（包括自然空间）以电磁波的特性和规律传播，此外，布线，结构件、元件、部件等满足条件时，亦起到发射天线与接收天线的作用，即产生天线效应，并通过编织屏蔽层或连接电缆向外辐射。
传导干扰源是指许多电子设备的硬件包含着具有天线能力的元件，如电缆、印刷电路板的印制线、内部连接线和机械结构。它们能与电场、磁场或电磁场方式传播能量并耦合到输出电缆中，干扰源就是通过这些能量耦合方式将干扰施加于敏感设备上。
3.3.2 牵引变电所电磁干扰改进措施
针对高次谐波引起电气化铁路牵引变电所综合自动化系统误报、误跳闸;对通信设备和线路产生信号干扰;监控视频出现花屏、黑屏等现象，严重影响电调控制指挥、变电所值班人员安全作业。通过供电车间不断试探性技术改进试验，提出了衰减辐射干扰和降低电磁干扰的显著的措施：
一是增加滤波装置和信号隔离装置。
二是改造牵引变电所既有高压电缆和二次电缆屏蔽措施和敷线形式：回流电缆单独走电缆沟;二次电缆与高压电缆在电缆沟中分开并避免平行走线;监控视频线、VG线穿管布线防止产生电磁干扰。与此同时，更换既有综合自动化保护装置、监控视频装置和综合自动化系统和视频电源系统输入，改用所用电。
4 结束语
新型交直交大功率电力机车上线运行后，不断出现牵引变电所、亭交直流屏等电气设备烧损、电容器滤波支路过电压跳闸、电磁干扰等系列问题，经测试分析均与其产生的谐波有关，而既有牵引供电设备电气特性主要是针对原有韶山系列电力机车和国标、铁标制造，因此，改善电能质量和研制新型治理高次谐波装置将成为“十二五”电气化铁路亟待解决的课题。
参考文献：
[1] 张有松，朱龙驹主编.韶山4型电力机车.北京.中国铁道出版社，1998年
[2] 李建华，豆风梅，夏道止.韶山4型电力机车谐波电流的分析计算.电力系统自动化，1999.23（16）.PP 10-13
[3] 赵四洪.基于电力机车不同工况的负荷谐波分析及仿真.西南交通大学硕士学位论文，2003
作者简介：
范旋（1966年9月），男，工程师，从事铁路牵引供电、铁道电气化工程维护管理工作
（作者单位：神朔铁路分公司）