地鐵供電系統(tǒng)諧波的分析及治理

段永強(qiáng)

（西安市地下鐵道有限公司，710018，西安∥工程師）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種非線性和時(shí)變性電子裝置如逆變器、整流器及開關(guān)電源等大規(guī)模使用，使得電力系統(tǒng)中諧波成分顯著增加，其負(fù)面效應(yīng)日益顯見?！爸C波污染”已經(jīng)成為影響電能質(zhì)量的主要因素之一，因此進(jìn)行諧波治理也成為電力生產(chǎn)發(fā)展的迫切要求。

為確保電網(wǎng)的電壓總諧波畸變率和各次諧波電壓含有率在地鐵投入運(yùn)營時(shí)能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，防止?fàn)恳╇妼﹄娋W(wǎng)和用戶（包括地鐵）的各種電氣設(shè)備、用電器具造成危害，保證電網(wǎng)及設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對地鐵接入電網(wǎng)后的諧波進(jìn)行估算、分析以及治理是很有必要的。

1 諧波的產(chǎn)生

1.1 諧波的定義

在供配電系統(tǒng)中，當(dāng)正弦電壓施加在非線性電路上時(shí)，電流就變成非正弦波。對于非正弦周期的電壓、電流，可進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解。其中頻率與工頻相同的分量稱為基波，頻率為整數(shù)倍基波頻率的分量稱為諧波。諧波次數(shù)n為諧波頻率fn與基波頻率f1的整數(shù)比（n＝fn／f1）。電工技術(shù)領(lǐng)域研究諧波次數(shù)范圍一般為2≤n≤40。供電系統(tǒng)中有時(shí)也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波（Nonharmonics）或分?jǐn)?shù)諧波。國際電工標(biāo)準(zhǔn)給出的諧波定義為：諧波是頻率為基波頻率整數(shù)倍的正弦波?；ㄅc諧波波形如圖1所示。

圖1 基波與諧波波形

1.2 諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)

地鐵是公用電網(wǎng)的一個(gè)用戶。地鐵用電必須嚴(yán)格遵守《電力法》和相關(guān)的電力行政法規(guī)及國家為公用電網(wǎng)制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。地鐵對諧波問題應(yīng)依法治理，依國家標(biāo)準(zhǔn)治理。

2001年，國家電力公司下發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步提高用戶電壓質(zhì)量管理的指導(dǎo)意見》，規(guī)定供電部門應(yīng)對配電區(qū)的電壓質(zhì)量進(jìn)行晝夜連續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)電能污染超過“標(biāo)準(zhǔn)”的用戶應(yīng)采取措施，加裝抑制諧波及功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備；注入系統(tǒng)母線的諧波電壓總畸變率、奇次諧波電壓含有率、偶次諧波電壓含有率均應(yīng)滿足GB／T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的要求。公用電網(wǎng)諧波電壓限值如表1所示。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值表

1.3 地鐵供電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波的原因

地鐵供電系統(tǒng)的諧波主要來源于向車輛供電的牽引供電系統(tǒng)，其次是來自于其它設(shè)備，如各種各樣的電視機(jī)、監(jiān)控機(jī)、計(jì)算機(jī)等。牽引供電系統(tǒng)的諧波主要是由整流機(jī)組產(chǎn)生的。隨著24脈波整流裝置在地鐵牽引供電中的廣泛應(yīng)用，該裝置在抑制諧波方面取得良好的效果，對電網(wǎng)造成的電流諧波含量比12脈波整流大大下降。

從理論上講，當(dāng)牽引供電系統(tǒng)采用等效24脈波整流時(shí)，整流機(jī)組直流側(cè)主要含有24次脈動(dòng)電壓，交流側(cè)主要含有23、25次諧波電流。但實(shí)際上，由于電網(wǎng)電壓不對稱和整流變壓器三相阻抗不對稱等各種因素的存在，不可避免地產(chǎn)生非特征次諧波，在交流側(cè)也將產(chǎn)生5、7、11、13次諧波。

西安地鐵采用24脈波牽引整流機(jī)組向列車提供直流電源。在列車運(yùn)行期間，由于電源波動(dòng)、整流件換向、大負(fù)載變化、列車起動(dòng)或制動(dòng)、供電臂切換、車輛逆變等會(huì)產(chǎn)生諧波以及不平衡電流。通過理論計(jì)算，西安地鐵1號線桃園主變電站注入系統(tǒng)的諧波如表2所示，金花主變電站注入系統(tǒng)的諧波如表3所示。

表2 西安地鐵1號線桃園主變電站注入110kV側(cè)的諧波計(jì)算

表3 西安地鐵1號線金花主變電站注入110kV側(cè)的諧波計(jì)算

2 諧波對供電系統(tǒng)的危害

諧波對供電系統(tǒng)會(huì)造成如下危害。

1）對電力電容器的影響：隨著諧波電壓的增高，會(huì)加速電容器的老化，使電容器的損耗系數(shù)增大、附加損耗增加，從而容易發(fā)生故障和縮短電容器的壽命。另一方面，電容器的電容與電網(wǎng)的感抗組成的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生諧波電流放大，使得電容器因過熱、過電壓等而不能正常運(yùn)行。

2）對繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響：諧波對電力系統(tǒng)中以負(fù)序（基波）量為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響十分嚴(yán)重。這是由于這些按負(fù)序（基波）量整定的保護(hù)裝置，整定值小、靈敏度高。如果在負(fù)序基礎(chǔ)上再疊加上諧波的干擾，則會(huì)引起負(fù)序電流保護(hù)誤動(dòng)、變電站主變的復(fù)合電壓啟動(dòng)過電流保護(hù)裝置負(fù)序電壓元件誤動(dòng)、母線差動(dòng)保護(hù)的負(fù)序電壓閉鎖元件誤動(dòng)，以及線路各種型號的距離保護(hù)、高頻保護(hù)、故障錄波器、自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置等發(fā)生誤動(dòng)，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3）對旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器的影響：諧波對旋轉(zhuǎn)電機(jī)的危害主要是產(chǎn)生附加的損耗和轉(zhuǎn)矩。由于集膚效應(yīng)、磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的鐵心和繞組中產(chǎn)生的附加損耗增加。諧波電流產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩對電機(jī)會(huì)產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩，可能出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸扭曲振動(dòng)的問題。諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是3次及其倍數(shù)次諧波對三角形連接的變壓器，會(huì)在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過熱，使變壓器附加損耗增加。

4）使測量、計(jì)量儀器的指示和計(jì)量不準(zhǔn)確：由于電力計(jì)量裝置都是按50Hz標(biāo)準(zhǔn)的正弦波設(shè)計(jì)的，當(dāng)供電電壓或負(fù)荷電流中有諧波成分時(shí)，會(huì)影響感應(yīng)式電能表的正常工作。

目前臨床對于肺部真菌感染疾病的檢查方法通過纖維支氣管鏡檢方法、穿刺活檢方法、手術(shù)病理方法為主，而病原學(xué)檢查則作為肺部真菌感染疾病的檢查“金標(biāo)準(zhǔn)”[3]。但是病原學(xué)檢查方法的培養(yǎng)時(shí)間長，而且容易因涂片受污染而造成假陽性。隨著臨床影像學(xué)技術(shù)持續(xù)發(fā)展進(jìn)步，在臨床診斷肺部真菌感染方面起到一定應(yīng)用價(jià)值，尤其是CT技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，更明顯提升肺部真菌感染疾病的早期診斷與鑒別[4][5]。從本次研究結(jié)果可知，經(jīng)真菌類型培養(yǎng)結(jié)果顯示，真菌類型培養(yǎng)率為100.00%，CT檢查陽性率為73.00%，X線檢查陽性率為51.00%，提示，CT檢查陽性率更高于X線檢查。

5）干擾通信系統(tǒng)的工作：電力線路上流過的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合，在鄰近的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，會(huì)干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，甚至在極端情況下，還會(huì)威脅通信設(shè)備和人員的安全。

6）對電網(wǎng)的污染：諧波電流及諧波電壓的出現(xiàn)，對電網(wǎng)是一種污染，使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化。諧波電流會(huì)在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生同頻率的諧波電壓，并疊加在電網(wǎng)正弦電壓上，使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變?；兒蟮恼译妷菏┘釉谒须娖髟O(shè)備端，會(huì)對這些設(shè)備正常工作帶來危害。因?yàn)殡姎庠O(shè)備均按正弦電壓設(shè)計(jì)制造，當(dāng)電壓有畸變時(shí)，將會(huì)使設(shè)備發(fā)熱，力矩不穩(wěn)，甚至損壞。

因諧波對電力系統(tǒng)危害很大，為保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，就必須研究諧波的基本情況和產(chǎn)生原因，并探討采取合理的方法進(jìn)行治理，以確保整個(gè)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，減少對其它設(shè)備的影響。

3 諧波的治理

電網(wǎng)中抑制諧波的方法很多，地鐵供電系統(tǒng)常采用以下幾方面措施：

1）采用高脈波數(shù)的整流機(jī)組且三相整流變壓器采用Y／△（或△／Y）接線。采用Y／△或△／Y聯(lián)接可以消除3的整數(shù)倍高次諧波，這樣電網(wǎng)中的諧波電流只有5、7、11、13等奇次諧波。

又因整流機(jī)組產(chǎn)生的高次諧波次數(shù)與整流機(jī)組輸出脈波數(shù)有關(guān)，理想情況下，反映到整流機(jī)組高壓側(cè)產(chǎn)生的諧波電流次數(shù)n＝K×P±1（式中P為整流機(jī)組脈波數(shù)，K為正整數(shù)）。即高次諧波的次數(shù)是整流機(jī)組脈波數(shù)的整倍數(shù)，這樣整流機(jī)組脈波數(shù)越高，產(chǎn)生較低次諧波越少，對電力系統(tǒng)影響也越小。

2）采用無源濾波裝置。利用電容器、電抗器和電阻器等無源元件適當(dāng)組合而構(gòu)成的濾波裝置，對某一頻率的諧波呈低阻抗通路，與電網(wǎng)阻抗形成分流的關(guān)系，使大部分該頻率的諧波流入濾波器，以達(dá)到抑制高次諧波的作用。無源濾波器具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)階段廣泛用于配電網(wǎng)中；但由于其濾波特性受供電系統(tǒng)參數(shù)影響大，只能消除特定的幾次諧波，而對某些次諧波會(huì)產(chǎn)生放大作用，甚至諧振現(xiàn)象。

3）采用有源濾波裝置。有源濾波裝置利用可控的功率半導(dǎo)體器件向供電系統(tǒng)注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。它與無源濾波器相比，有以下特點(diǎn)：①具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應(yīng)性等特點(diǎn)；②濾波特性不受供電系統(tǒng)阻抗等影響，可消除與供電系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；③不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變、補(bǔ)償無功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)，在性價(jià)比上較為合理。

4 有源電力濾波器在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1 有源電力濾波器的工作原理

APF克服了以往濾波器僅固定在某些諧波頻段的缺點(diǎn)。它的工作原理如圖2所示。它對非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波進(jìn)行采樣、分析，并建立頻譜圖；以此頻譜圖為依據(jù)，向電網(wǎng)側(cè)基波P送一個(gè)與非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波P′相反的諧波D′，從而達(dá)到諧波抑制的效果。

圖2 有源電力濾波器工作原理圖

根據(jù)圖2原理推出的APF，能將2～25次諧波有效地抑制?？筛鶕?jù)供電系統(tǒng)的情況調(diào)整電壓與電流波形的相位角，修正電流波形，以提高功率因數(shù)，有效地抑制諧波干擾。

4.2 有源電力濾波器的補(bǔ)償方式

APF可以根據(jù)負(fù)荷和配電系統(tǒng)實(shí)際情況，以及需要達(dá)到的補(bǔ)償效果，靈活選擇不同的補(bǔ)償形式，達(dá)到濾波效果和投資的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。按照APF安裝位置的不同，分為集中補(bǔ)償、分組補(bǔ)償、就地補(bǔ)償三種補(bǔ)償方式（如圖3所示）；按照補(bǔ)償目的的不同，分為諧波電流補(bǔ)償、功率因數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、諧波與功率因數(shù)同時(shí)補(bǔ)償三種不同的配置形式。

圖3 APF不同的補(bǔ)償方式

在西安地鐵1號線的供電系統(tǒng)、低壓配電與照明系統(tǒng)的工程范圍內(nèi)，19座地下車站及相關(guān)區(qū)間、1座車輛段及維修中心、1座停車場的0.4kV系統(tǒng)，均采用了就地補(bǔ)償方式，安裝了低壓APF。

4.3 有源電力濾波器的仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

以地鐵牽引供電系統(tǒng)采用24脈波整流機(jī)組為例，仿真模擬24脈波整流機(jī)組產(chǎn)生的諧波信號。假設(shè)系統(tǒng)三相對稱，即A、B、C三相波形相似，只有相位差。以A相為例，結(jié)果如圖4所示。補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的A相電流波形分別見圖5、圖6所示。

圖4 A相系統(tǒng)電壓波形

圖5 補(bǔ)償前的A相電流波形

圖6 補(bǔ)償后的A相電流波形

將圖5與圖6進(jìn)行對比可知，采用了APF補(bǔ)償后的電流波形基本上不存在諧波成分，且與電力系統(tǒng)電壓同相位。可見，APF抑制了電源電流中的諧波電流。

5 結(jié)語

通過對地鐵供電系統(tǒng)的諧波研究，分析了諧波的產(chǎn)生原因以及諧波給供電設(shè)備帶來的危害，并提出了合理的治理方案。在采取必要的濾波治理措施后，地鐵供電系統(tǒng)的電能指標(biāo)可滿足國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確保了電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保證了城市地鐵的安全運(yùn)行。

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