電氣化鐵路諧波分析及抑制措施

郭峰

【摘要】 電網(wǎng)諧波影響電力設(shè)備的正常運行，危及電力用戶的用電安全。在生產(chǎn)生活中，必須對電網(wǎng)進行諧波治理，消除或者減小諧波對電網(wǎng)的影響，保障電力設(shè)備的可靠運行。如今隨著電力機車的廣泛應(yīng)用，電力機車產(chǎn)生的諧波分量已經(jīng)對電網(wǎng)造成很大的影響。本文從電氣化鐵路的特點出發(fā)，對電力諧波的產(chǎn)生原因和抑制措施進行了分析。

【關(guān)鍵詞】 電氣化鐵路 諧波分析 諧波治理

一、概述

鐵路運輸是國家社會和經(jīng)濟發(fā)展的命脈，是國民經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵因素。電氣化鐵路具有機組牽引力大、運行速度快、能耗低、污染小、工作環(huán)境好等特點，是我國鐵路設(shè)備發(fā)展的重要方向。電氣化鐵路動力電力網(wǎng)的正常和可靠運行是電力機車安全運行的基本保障。

隨著電氣化鐵路的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)的高次諧波分量大量增加，使電力網(wǎng)絡(luò)的用電質(zhì)量大大降低。電氣化鐵路的用電負荷是非線性的，且隨著運輸強度的變化而波動。因此電氣化鐵路的諧波分量具有波動性和隨時間變化而變化的特點。[1]電力機車采用單相供電，在沒有補償設(shè)備的情況下，會向電力系統(tǒng)回饋負序分量；并且由于電力機車采用整流電路進行直流驅(qū)動，同時由于負荷的波動，往往導(dǎo)致電網(wǎng)功率因數(shù)低、諧波分量大等問題，對機車動力供電網(wǎng)絡(luò)及其上級電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成嚴重影響，對電力系統(tǒng)的可靠運行造成威脅。電氣化鐵路中嚴重的諧波干擾已經(jīng)在電網(wǎng)運行過程中造成過較為嚴重的事故，所以我們必須使電氣化鐵路的諧波問題得到及時解決。[2]

諧波分量、負序分量、電壓波動范圍、三相不平衡系數(shù)和閃變影響著電氣化鐵路的電能質(zhì)量。其中諧波問題已經(jīng)成為對電網(wǎng)影響最大，同時也是最為棘手的問題。

二、諧波的產(chǎn)生原因

諧波是基波電量的整數(shù)倍分量，通常稱為高次諧波。電網(wǎng)中的諧波往往由多個頻率的高次諧波分量組成。

電力網(wǎng)絡(luò)的諧波來源主要包括三個方面：一是發(fā)電機等電力電源本身產(chǎn)生的諧波；二是電力變壓器等輸配電設(shè)備產(chǎn)生的諧波；三是直流電機或者其他用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波。電力系統(tǒng)中的諧波源，往往具有非線性的特點。這些設(shè)備的非線性可以分成三類：

1.磁場飽和型：主要是各種線圈設(shè)備，如電力變壓器、電磁鐵、變壓器和電抗器等。在電力電子設(shè)備推廣之前，發(fā)電機和變壓器是電力系統(tǒng)中最主要的諧波發(fā)生源。

2.電子開關(guān)型：主要是各種可控硅整流設(shè)備和晶閘管雙向可控開關(guān)裝置。這種類型的設(shè)備廣泛存在于在電氣化鐵路、冶金企業(yè)和很多家用電器中。[3]

3.電弧爐：在中頻爐和低頻爐煉鋼的電爐熔煉初期和交流電焊機的焊接過程中，電弧的劇烈變動產(chǎn)生了大量非線性分量，并且由于電弧的不穩(wěn)定性和波動性，造成電網(wǎng)諧波的構(gòu)成非常復(fù)雜，并且隨負載大小和時間的變化而變化。

三、電氣化鐵路諧波的理論分析和諧波危害

由于電氣化鐵路負荷的非線性和波動性，其諧波分量與其他用電設(shè)備諧波分量相比有其獨有的特點。電氣化鐵路負荷的諧波特點主要有：電氣化鐵路負荷諧波與常規(guī)負荷諧波相比，其諧波的初始相位角分布范圍廣，在復(fù)平面坐標的任意區(qū)域內(nèi)都可能存在；電氣化鐵路負荷諧波幅值波動異常劇烈，在負載呈周期性變化時，具有周期性的特點；諧波從低壓電網(wǎng)直接引入電網(wǎng)。

電氣化鐵路的諧波往往是由晶閘管整流設(shè)備以及非線性運行的用電設(shè)備產(chǎn)生的，整流電力機車是電氣化鐵路電網(wǎng)最主要的諧波發(fā)生源，多段相控橋式整流電力機車電路圖如下所示：

電氣化鐵路的諧波分量對電力系統(tǒng)的危害主要有以下幾個方面。

1.并聯(lián)諧振；當諧波分量進入電網(wǎng)以后，由于電網(wǎng)本身的阻容特性，可能會引起某次諧波在線路中的諧振，導(dǎo)致諧波分量被放大，造成電力設(shè)備的故障甚至損壞。

2.對電力變壓器的危害。諧波分量流經(jīng)變壓器，會引起額外的鐵損和銅損，導(dǎo)致變壓器溫升加大，容量降低，從而影響變壓器的工作效率。在造成附加損耗增加的同時，諧波分量還會造成變壓器機械振動加大、噪聲增加和電壓過高，導(dǎo)致變壓器局部溫度過高。諧波還會使電容器和電力電纜等電力設(shè)備過載過熱，使絕緣加速老化、降低使用壽命甚至直接造成設(shè)備的損壞。

3.對控制系統(tǒng)造成干擾?？刂葡到y(tǒng)往往通過軌道電路依靠機車和路面?zhèn)鞲衅鞑杉盘枺瑢ο到y(tǒng)進行控制。由于軌道同時也是機車的電源供電回路，因此機車本身的諧波和變壓器諧波都可能對控制信號和采集信號造成干擾，導(dǎo)致設(shè)備誤動作，危及系統(tǒng)運行的可靠性和安全性。

4.對電力系統(tǒng)運行設(shè)備的危害。諧波造成電力線路、發(fā)電機、變壓器、電動機等電力設(shè)備的損耗增加、溫升加大，使其使用壽命降低，甚至直接損壞。[5]

四、電氣化鐵路的諧波抑制措施

電氣化鐵路電力系統(tǒng)諧波抑制主要有如下四個方面：

4.1受端抑制

即從電力系統(tǒng)的用電設(shè)備本身入手，提高用電設(shè)備的諧波抑制能力。

4.2主動抑制

從諧波發(fā)生設(shè)備本身入手，避免或者降低設(shè)備諧波分量的產(chǎn)生。具體措施有：研發(fā)新型整流設(shè)備，保證其諧波分量為零且運行功率因數(shù)為1。這種整流設(shè)備被稱為單位功率因數(shù)整流器。即通過調(diào)整脈寬校正功率因數(shù)的整流電路，在開關(guān)電源等中小功率整流設(shè)備中已經(jīng)得到推廣；另外，多脈沖整流電路在電解電源等大功率整流設(shè)備中已經(jīng)得到廣泛使用。

4.3被動抑制

在電力系統(tǒng)中加裝濾波設(shè)備，防止諧波分量進入電網(wǎng)，或者阻止諧波分量進入用電設(shè)備。即通過加裝無源電力濾波設(shè)備、有源電力濾波設(shè)備或者混合型電力濾波設(shè)備進行諧波治理。依靠濾波設(shè)備對諧波分量進行抑制吸收，降低或者消除諧波污染。

4.3.1靜態(tài)無源電力濾波設(shè)備

靜態(tài)無源濾波設(shè)備一般在交流側(cè)安裝，根據(jù)諧波容量由電抗、電容和電阻構(gòu)成諧波抑制回路，使諧波在回路發(fā)生串聯(lián)諧振，阻止該次諧波進入電網(wǎng)。靜態(tài)無源濾波設(shè)備的投資小、設(shè)備簡單且維護方便，主要應(yīng)用于諧波和無功功率變化規(guī)律的場所。由于設(shè)備阻抗固定，難以適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)變化，有可能造成諧波分量的放大，對設(shè)備的運行造成不利影響。

4.3.2有源電力濾波設(shè)備

有源電力濾波設(shè)備是通過處理器控制，對系統(tǒng)諧波和無功進行實時適量補償?shù)男滦蜑V波補償設(shè)備，這種設(shè)備可以通過傳感器對實時檢測系統(tǒng)的諧波分量和功率因數(shù)，通過高速處理器對信息進行快速分析處理，控制設(shè)備的導(dǎo)通角度，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)進行實時、精確濾波補償。有緣濾波設(shè)備的響應(yīng)快，適應(yīng)范圍廣，濾波補償精度高，但其投資大，由于長期導(dǎo)通電過補償，造成其能耗較大，同時其設(shè)備構(gòu)成也比較復(fù)雜，使維護難度加大。但是由于其對電力諧波治理和無功補償?shù)娘@著效果，其終將成為電力系統(tǒng)諧波治理和無功補償?shù)闹饕l(fā)展方向。

4.3.3混合型電力濾波設(shè)備

混合型電力濾波設(shè)備結(jié)合了靜態(tài)無源濾波設(shè)備和有源濾波設(shè)備的優(yōu)點，根據(jù)系統(tǒng)實際運行情況，對兩種設(shè)備進行了合理的整合使用。即部分容量采用無源濾波補償?shù)姆绞剑硗庖揽坑性礊V波設(shè)備對欠補償容量進行補充。一方面，部分容量采用靜態(tài)濾波無功補償，使設(shè)備整體投資對比有源濾波大大降低，同時剩余容量采用動態(tài)濾波，使補償設(shè)備應(yīng)變能力相對靜態(tài)濾波補償設(shè)備大大增加。從而使兩種濾波方式的優(yōu)點得到集中。由于其高超的性價比，此種方式越來越受到人們的關(guān)注。

4.4優(yōu)化供電環(huán)境

保證供電系統(tǒng)三相電壓盡可能平衡同時選擇最適宜的系統(tǒng)電壓，可以使諧波對電網(wǎng)的危害有效的降低。增加供電電源容量，可以使諧波分量對電網(wǎng)的影響大大減小。對諧波發(fā)生源采用專線供電，使其與其他用電設(shè)備分離，避免其對其他設(shè)備的干擾，同時也有利于諧波的集中治理。

五、結(jié)論

由于電網(wǎng)諧波危害的嚴重性，諧波已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點性問題。隨著電氣化鐵路的大力推廣，電氣化鐵路經(jīng)成為諧波的重要發(fā)生源之一，而且有著與電網(wǎng)常規(guī)諧波分量不一樣的特性。

要準確了解電氣化鐵路諧波對電網(wǎng)的影響必須對電氣化鐵路諧波進行深入的分析和研究。針對系統(tǒng)各部分諧波的特點，科學(xué)選擇諧波治理措施，消除諧波，降低諧波對系統(tǒng)的影響，避免諧波造成的事故的發(fā)生，保障鐵路系統(tǒng)的可靠運行。

參 考 文 獻

[1] 張力強，羅文杰，呂利軍.電氣化鐵路牽引負荷的不利影響及治理方案[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（增）：196-198

[2] 李群湛.我國高速鐵路牽引供電發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)問題[J].鐵道學(xué)報.2010，32（4）：119-124

[3] 杜習周，陳棟新，余曉鵬等.電氣化鐵路負荷對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響[J].華中電力.2010，23（6）：35-41

[4] 于坤山，周勝軍，王同勛等.電氣化鐵路供電與電能質(zhì)量[M].北京：中國電力出版社，2010.

[5] 譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)（第二版）[M].西南交通大學(xué)出版社，2007.