供电方式对牵引供电系统谐波谐振的影响研究

摘要：电气化铁路牵引供电系统存在车网耦合谐波谐振隐患，畸变电压会损坏避雷器、牵引变压器等核心设备，干扰沿线通信与信号设备稳定运行。供电臂长度、系统等效阻抗由供电运行方式直接决定，进而改变系统固有谐振频率，是调控谐波放大程度的关键运行变量。本文对铁路常规正常供电、应急越区供电两类主流运行模式的拓扑特征，阐释牵引网多导体传输线谐波谐振生成物理机理，并对两种供电模式下的谐振频率、谐波放大倍数和电压总畸变率差异进行分析研究，总结越区供电抑制谐振的内在规律，提出基于供电方式动态调整的谐波防控实操思路。

关键词：牵引供电；越区供电；正常供电；谐波谐振；多导体牵引网

引言

国内高速与普速电气化铁路普遍采用 AT 全并联牵引供电架构，动车组牵引变流器采用 PWM 调制策略运行，会产生分布于开关频率附近高次特征谐波，叠加区域电网输入的低次背景谐波，形成多频次谐波激励源。当谐波频次匹配牵引供电系统固有谐振频率时，谐波电流会在牵引网内成倍放大，引发严重谐波过电压，大幅缩短设备服役周期[1]。而通过调整供电方式，依靠分区所断路器开合即可改变供电臂总延展长度，调整系统等效电感、电容匹配关系，从根源偏移谐振点，具备低成本、即时响应的电能质量优化优势。本文从供电模式分类、谐振生成机理和不同供电方式谐振特性对比三方面进行分析研究，以供参考。

1 牵引供电系统的供电方式分析

电气化铁路牵引供电系统由高压电网、牵引变电所、分区所与多导体牵引网构成完整供电体系，结合线路运行需求可分为正常供电与越区供电两种核心运行方式，两类供电模式通过改变牵引网拓扑结构与供电覆盖范围，形成差异化的电气参数特性。（1）正常供电为线路常态化标准运行方式，分区所断路器保持分闸状态，各供电臂由单侧牵引变电所独立供电，常规供电臂长度维持在合理区间，故障影响范围相对局限，保护装置动作逻辑简洁，能够适配高密度列车通行工况，但较短的供电臂会使系统固有谐振频率偏高，极易与动车组高次特征谐波形成频段匹配，诱发持续性谐波谐振与电压电流放大问题。（2）越区供电属于故障检修阶段的临时应急供电方式，在变电所停机、设备检修或线路故障工况下，闭合分区所联络断路器，由单侧变电所跨区域为两段供电臂供电，大幅延长牵引网等效供电长度，系统等效电感与对地分布电容随之增大，促使系统谐振频率向低频区间偏移，有效规避机车主流谐波激励频段。该模式虽具备良好的谐波抑制潜力，但会延长故障电流传输路径，降低线路故障处置效率，仅适用于短时应急工况，无法在日常运营中长期投入使用。

2 牵引供电系统谐波谐振机理

牵引网属于典型多导体分布参数传输系统，沿线均匀分布的电感、电容参数与机车非线性负载共同构成谐波谐振的基础条件，系统谐振现象的产生源于谐波激励源与牵引网固有电气参数的频率匹配效应，整体机理可结合谐波来源、线路传输特性与谐振判定规律进行综合阐释。（1）牵引供电系统谐波激励主要包含电网侧低次背景谐波与动车组高次特征谐波两类，电网输送电能携带的低次谐波畸变程度较低，对系统谐振的诱发作用有限，而交直交动车组牵引变流器工作产生的高频特征谐波，会随多列车并行运行持续叠加，形成稳定且集中的谐波激励源。（2）线路传输特性。牵引网可拆解为大量微小等效传输单元，各单元串联阻抗与对地导纳共同决定线路整体电气特性，牵引网总长、等效电感与分布电容直接影响系统振荡条件，当机车注入谐波频率与系统固有振荡频率一致时，牵引网内部会出现谐波能量持续累积的现象，形成严重的谐波谐振问题。（3）谐振判断规律。牵引供电系统固有谐振频率计算公式为：

，基于该公式可以得出谐振频率与等效电感、供电臂长度、分布电容呈负相关。供电臂长度L增加时，根号内乘积项同步变大，谐振频率数值下降。正常供电模式下 L取值偏小，谐振频率落在 40 至 60 次高次谐波区间，与动车组 47 至 53 次特征谐波高度重合；切换为越区供电后等效长度翻倍，谐振频率下降至 20 次以内低次区间，机车特征谐波无法匹配振荡条件，谐波放大效应大幅衰减。谐振发生后，放大倍数最高可达数十倍，牵引网电压畸变急剧上升，出现持续性过电压，损伤沿线全部高压电气设备。

3 不同供电方式对牵引供电系统谐波谐振的影响分析

3.1 对系统固有谐振频率的调控作用

正常供电工况等效供电臂长度有限，系统 LC 振荡回路固有频率集中于 45 至 55 次谐波区间，恰好匹配国内主流动车组特征谐波分布范围，车网耦合谐振极易常态化发生。研究表明某环线实测 α 供电臂正常运行时谐振点为 33 次谐波，与列车谐波频段高度重合；切换越区供电延长供电总长后，谐振点偏移至 37 次附近，脱离谐波集中分布区间，不再形成持续振荡激励。供电臂长度每提升一倍，谐振频率下降接近 40%，供电方式切换依靠改变传输总长实现谐振点偏移，无需改造硬件设备即可破坏谐振匹配条件[2]。

3.2 对谐波电流放大倍数的抑制效果

谐波电流放大倍数代表牵引网对机车注入谐波的放大能力，数值越高谐振危害越严重。经检测显示正常供电下 α 供电臂 33 次谐波放大倍数达到 55.5，大量微弱谐波电流经牵引网放大后形成幅值可观畸变电流；投入越区供电后同一区域最高放大倍数降至 23.07，谐波放大强度削减过半[3]。供电长度增加带来分布电感提升，回路阻尼特性同步改善，谐波能量无法持续累积振荡，放大效应得到根本性削弱。多列车并行运行、谐波激励总量提升场景下，越区供电的抑制优势体现更为明显。

3.3 对牵引网电压总谐波畸变率影响

电压总谐波畸变率是评判电能质量的核心量化指标。某研究表明，正常供电工况下 α 供电臂实测最大畸变率 19.42%，远超出铁路电能质量管控阈值；同一区段越区供电运行时畸变峰值降至 7.50%，β 远端供电臂畸变最大值仅 2.23%[4]。电压畸变降低直接减少避雷器持续泄漏电流、变压器铁芯谐波损耗，降低设备过热、绝缘击穿故障概率。需要明确越区供电仅为临时谐振调控手段，长期跨区供电会增大线路短路故障处置难度，高峰行车密度工况下不建议长期投入。

3.4 供电方式动态调控工程应用建议

日常常态化行车维持正常供电模式，依靠固定供电臂保障故障快速切除；在线路监测系统捕捉到电压畸变率持续超标、谐波放大倍数快速抬升时，可短时闭合分区所断路器切换越区运行，待谐波指标回落完成后恢复常规供电。线路前期规划阶段可适度优化单段供电臂设计长度，降低常态工况下谐振触发概率；多变电所串联长线路可预留分区所越区联络开关，预留谐振应急调控运行拓扑。

结语

通过调整供电运行方式，可以改变牵引网等效供电长度，调整系统等效电感、分布电容匹配关系，直接调控牵引供电系统固有谐振频率，有效缓解谐振带来的设备损伤风险，且该方法成本低，具有即时操作性。在具体运维过程中可以依托分区所断路器分合实现两种模式动态切换，在线电能质量监测设备捕捉谐振超标时短时投入越区供电完成应急治理；在线路设计阶段合理控制单段供电臂设计长度，从源头降低常态谐振触发概率。

参考文献

[1]张云峰,陈山,谭云春,等. 牵引供电系统高次谐波谐振分析及治理策略[J].电工技术,2025, (14):266-269+272.

[2]贺昆.电气化铁路高压专线贯通供电系统谐波谐振特性研究[D].西南交通大学,2024.

[3]董浩.普速铁路牵引供电系统谐波分析[D].安徽理工大学,2023.

[4]钟帆.贯通同相供电系统谐波谐振特性及抑制措施研究[D].西南交通大学,2023.