轨道交通牵引变压器网侧谐波治理分析

2022-09-11

城市轨道交通牵引供电系统采用整流机组向电动车组提供直流电源, 因此不可避免产生谐波。城市轨道交通牵引供电系统治理谐波的方法除了采用不同方式的滤波技术外, 从源头上对谐波加以治理的方式就是采用多脉波整流变压器系统。为了减少牵引整流变电站网侧谐波电流对城市电网的影响, 我国城市轨道交通牵引整流变电站已经由原来的6相12脉波向12相24脉波发展。本文通过对12相24脉波牵引整流变电站的网侧谐波电流的分析与谐波电流实测值的对比来说明24脉波变压器在谐波治理上的作用。

1 轨道交通牵引变压器谐波的产生及其危害

1.1 轨道交通牵引变压器谐波产生

谐波主要是由谐波源产生。电力系统中的谐波源可分为两类: (1) 非线性元件, 如各种整流设备, 变流器等电力电子设备。 (2) 含电弧和铁磁非线性设备的谐波源, 如日光灯、变压器、发电机组及铁磁谐振设备等。

变压器谐波的产生的原因一方面是变压器设计和运行, 另一方面则是变压器的励磁电流及变压器投入或电压恢复时的励磁涌流。

(1) 励磁电流。

由于经济原因, 变压器正常运行时, 铁芯处于磁饱和状态。当外施电压是正弦波时, 主磁通也是正弦波。由于铁芯饱和, 励磁电流波形畸变为尖顶波, 考虑到磁滞影响, 励磁电流波形不再对称于最大值。谐波电流的大小与变压器的铁芯材料、磁通密度、结构和使用条件等因素有关, 取决于铁芯的饱和程度。外施电压愈高, 铁芯饱和程度愈高, 变压器励磁电流的波形畸变就愈严重。因此, 要避免低负荷时因端电压偏高, 引起的励磁电流波形严重畸变。

(2) 励磁涌流。

稳态运行时, 变压器的励磁电流不大, 只有额定电流的2%~5%。当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时, 由于磁通不能突变, 会在变压器铁芯中产生周期分量和非周期分量, 此时磁通的最大值为稳态时磁通的2倍 (如果考虑剩磁的影响则此值更大) 。在投入瞬间, 两个磁通极性相反, 合成磁通为零。但到第二个半周时, 两个磁通极性相同, 合成磁通相加, 使铁芯大大饱和, 励磁电流可达变压器额定电流的8~10倍, 称为励磁涌流, 变压器在空载或轻载投入时, 励磁涌流更为严重。励磁电流中除基波外, 还含有数值很大的直流分量、奇次谐波和偶次谐波。

1.2 变压器谐波的危害

(1) 引起电网电压波形畸变。

供电系统电网电压应为正弦波, 由于变压器负荷与电网相连, 谐波电流由变压器谐波源注入电力系统, 与供电系统的正弦电压叠加, 使母线电压波形畸变, 出现谐波分量, 由该母线供电的各配出线的负荷电流中就出现对应的谐波电流, 产生谐波污染, 影响各种电气设备的正常运行。

(2) 引起电力电容器及其串联电抗故障。

电容器工作在满载状态, 它的工作电流是谐波电流加基波电流, 在高次谐波电压作用下会出现严重过电流, 引起温度过高, 导致绝缘损坏或使用寿命缩短;谐波会使介质损耗增加, 引起发热, 导致电容器寿命缩短;在电容器和电源电感构成的并联谐振电路中, 谐波被放大, 谐振电压会大大高于电压额定值并导致电容器损坏。

(3) 危害变压器。

(1) 谐波电流流入变压器时, 增加了变压器的铜损和铁损, 并且随着谐波频率的增大, 集肤效应会更严重, 变压器铁损会更严重。

(2) 会引起外壳硅钢片和某些紧固件发热, 并有可能引起变压器局部过热和噪声。

(3) 3次 (及其倍数) 谐波侵入三角形连接的变压器, 会在其绕组中形成环流, 使绕组发热。侵入Y形连接中性点接地系统中会使中性线发热。

2 轨道交通牵引变压器谐波治理

传统的变压器谐波抑制主要采用改变变压器自身绕组接法或者在变压器的高压侧或低压侧安装无源滤波装置的方法, 这些方法能对谐波抑制起到一定的效果, 但是其缺点也较明显, 即只能对特定次数的谐波有抑制作用, 对不确定谐波及随机谐波源的抑制效果较差。昆明赛格迈电气有限公司开发设计的H级NOMEX绝缘12相24脉波地铁牵引整流变压器能够有效的抑制谐波电流对电网的污染, 总谐波含量较6相12脉波干式牵引整流变压器下降70%左右, 尤其是11次、13次谐波下降90%以上, 以工程实践证明了从源头上对牵引变压器谐波加以治理的方式是采用多脉波整流变压器系统。