地鐵低壓配電系統(tǒng)諧波分析及治理研究

李文強(qiáng)

摘要：地鐵作為現(xiàn)代城市交通系統(tǒng)的重要組成部分，其安全性、高效性越來(lái)越多的受到公眾的關(guān)注。地鐵車站內(nèi)強(qiáng)電、弱電多個(gè)系統(tǒng)并存，高壓、低壓多種電壓等級(jí)并存，交流、直流多種供電制式并存。地鐵除了牽引負(fù)荷（直流電動(dòng)車輛）外，為保證地鐵車站運(yùn)營(yíng)的功能性及舒適性，車站內(nèi)還有很多動(dòng)力照明設(shè)備，其中大量非線性設(shè)備的運(yùn)行必然產(chǎn)生諧波。如何減少諧波對(duì)配電系統(tǒng)的污染，減少諧波造成的危害，為地鐵車站及其他用戶電氣設(shè)備的使用創(chuàng)造既安全又經(jīng)濟(jì)的低壓配電系統(tǒng)環(huán)境成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：地鐵；低壓配電系統(tǒng)；諧波分析；治理

1地鐵低壓配電系統(tǒng)中的諧波源

諧波產(chǎn)生于發(fā)輸電、供變電和用電各個(gè)環(huán)節(jié)，但產(chǎn)生諧波最多的是用電環(huán)節(jié)。電力諧波產(chǎn)生源主要是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的非線性元件如整流裝置、飽和狀態(tài)的鐵磁性元件。

地鐵低壓配電系統(tǒng)用電設(shè)備中的諧波源主要有以下幾種：

1.1非線性電光源

熒光燈因具有光效高、顯色性好、配用電子鎮(zhèn)流器后也可調(diào)光（調(diào)頻調(diào)幅）等優(yōu)點(diǎn)被大量使用于建筑內(nèi)外的各種場(chǎng)所，但均含有奇次諧波。各種熒光燈的諧波電流含有率相差較大：普通繞線式電感鎮(zhèn)流器含有率12%-13%的3次諧波；電子鎮(zhèn)流器采用功率晶體管的高頻開(kāi)關(guān)替代電感，其工作頻率一般高達(dá)20-60kHz，除含有約10%-20%的3次諧波以外，還含有約3%～10%的高次諧波，普通電子鎮(zhèn)流器主要設(shè)置了逐流型的濾波電路，其諧波總量在20%以上，低諧波型電子鎮(zhèn)流器加強(qiáng)了諧波的過(guò)濾，其諧波總量可以控制在10%-15%；另外，為提高功率因數(shù)，熒光燈一般均裝有并聯(lián)電容器，但電容器起明顯放大諧波的作用。

1.2計(jì)算機(jī)類弱電負(fù)荷

大多數(shù)計(jì)算機(jī)類設(shè)備都使用了開(kāi)關(guān)電源（SMPS）。它將傳統(tǒng)的變壓器和整流器替換成由電源直接經(jīng)可控制的整流器件去給存貯電容器充電，然后通過(guò)高頻PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管輸出所需的多個(gè)直流電流，通過(guò)控制PWM占空比達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。它們不能從電源汲取連續(xù)的正弦電流，而只能汲取脈沖電流，從而產(chǎn)生大量的三次及高次諧波的分量。初期的SMPS產(chǎn)品比傳統(tǒng)整流裝置的諧波含量還要高（尤其是高次），但隨著SMPS的模塊化和自身諧波隔離技術(shù)的發(fā)展，其諧波含量可望進(jìn)一步減少。

1.3變頻器和軟啟動(dòng)器

變頻器和軟啟動(dòng)器已越來(lái)越多地被運(yùn)用到地鐵系統(tǒng)中的水泵電梯通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)中，變頻一般分為兩類：交一直一變頻器和交一交變頻器。二者均采用相位控制技術(shù)，所以在變換后會(huì)產(chǎn)生含復(fù)雜成分的諧波。

1.4UPS、EPS電源

UPS不間斷電源、EPS應(yīng)急電源所產(chǎn)生的諧波主要是由其內(nèi)部的整流裝置產(chǎn)生的，因其諧波含量與整流裝置相似。地鐵配電系統(tǒng)中的設(shè)備產(chǎn)生的大量的諧波電流，嚴(yán)重地污染了電網(wǎng)質(zhì)量，諧波對(duì)用電設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生較大危害及用電隱患。特別是無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐度胧怪C波進(jìn)行放大，導(dǎo)致電容器燒毀、損壞等。

2諧波污染對(duì)地鐵各個(gè)系統(tǒng)的危害

2.1諧波污染對(duì)電網(wǎng)的影響

諧波污染對(duì)電網(wǎng)的影響有很多，使電網(wǎng)不能發(fā)揮其安全性、穩(wěn)定性、可靠性的特點(diǎn)，例如造成電網(wǎng)的功率損耗增加、使正常的供電中斷、事故擴(kuò)大、電網(wǎng)解裂、遙控功能失常、設(shè)備壽命縮短、接地保護(hù)功能失常、電網(wǎng)發(fā)生諧振、線路和設(shè)備過(guò)熱等。

2.2諧波對(duì)電容器的影響

諧波使電網(wǎng)中的電容器感抗值成倍增加而容抗值成倍減少，產(chǎn)生諧振，放大諧波電流，最終導(dǎo)致電容器等設(shè)備被燒毀。

2.3諧波對(duì)電纜的影響

諧波污染對(duì)電纜的影響主要有：會(huì)使電纜的泄漏電流上升，介質(zhì)損耗、輸電損耗增大，溫升增大。特別是對(duì)于干式電纜，會(huì)大大增加局部放電，產(chǎn)生附加損耗，造成單相接地故障。

2.4諧波對(duì)電力變壓器的影響

諧波電流引起的附加損耗，增加了變壓器的銅損，引起局部振動(dòng)、過(guò)熱、噪聲增大、繞組附加發(fā)熱，使變壓器的磁滯及渦流損耗增加。

3地鐵諧波治理解決方案分析

地鐵諧波治理的方式主要分為諧波集中補(bǔ)償和就地補(bǔ)償兩種：集中補(bǔ)償即在在用戶用電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接點(diǎn)處加裝諧波補(bǔ)償設(shè)備，優(yōu)點(diǎn)在于，大量的諧波源產(chǎn)生諧波電流到達(dá)變壓器母線后會(huì)有相互疊加減小，治理成本低，保護(hù)上級(jí)電網(wǎng)，但對(duì)下級(jí)電網(wǎng)無(wú)益；就地補(bǔ)償方式，就是將濾波器安裝在諧波源的交流進(jìn)線處，通過(guò)濾波器就近補(bǔ)償諧波，達(dá)到徹底消除諧波危害的目的，補(bǔ)償效果佳，但補(bǔ)償成本較高。

地鐵車站低壓配電系統(tǒng)的諧波治理，區(qū)別于一般的治理方式，其諧波治理的側(cè)重點(diǎn)應(yīng)放在三個(gè)方面：

2.1消除諧波污染對(duì)關(guān)鍵的測(cè)控、通訊、指揮系統(tǒng)的影響；

2.2消除諧波引發(fā)中線過(guò)載而導(dǎo)致電氣火災(zāi)發(fā)生的可能；

2.3降低地鐵配電系統(tǒng)對(duì)上級(jí)電網(wǎng)（包括自用變壓器）的污染。

由于測(cè)控、通訊、指揮系統(tǒng)等關(guān)鍵負(fù)載安全性要求高，如在變壓器下做集中補(bǔ)償，雖能避免對(duì)上級(jí)電網(wǎng)的諧波污染、消除降低電氣火災(zāi)的發(fā)生幾率，但無(wú)法消除諧波源對(duì)這些重要負(fù)載的威脅，因此，在地鐵站房低壓配電系統(tǒng)中應(yīng)盡量選用就地補(bǔ)償模式對(duì)諧波源所產(chǎn)生的污染進(jìn)行就地補(bǔ)償，將諧波危害消除在源頭。

為合理的設(shè)計(jì)濾波裝置的數(shù)量及節(jié)約設(shè)計(jì)預(yù)算，在地鐵站房配電系統(tǒng)中，建議將負(fù)載分類與集中補(bǔ)償方式相結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

首先，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)我們需要考慮盡量將所有諧波源負(fù)荷與需受到保護(hù)的控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行分類集中。把主要的諧波源負(fù)載集中設(shè)計(jì)在低壓母排的末端，將需保護(hù)的負(fù)荷設(shè)計(jì)在靠近變壓器側(cè)。

經(jīng)過(guò)這樣的處理方式后，諧波只存在諧波源負(fù)荷之間，經(jīng)濾波器集中治理后，徹底消除了諧波對(duì)關(guān)鍵負(fù)載及上級(jí)電網(wǎng)的影響，成本也相較就地補(bǔ)償方式大大降低。

結(jié)語(yǔ)

在地鐵交通項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，首先在設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)配置情況，正確統(tǒng)計(jì)整個(gè)項(xiàng)目的諧波源，然后根據(jù)這些情況，科學(xué)認(rèn)證諧波的產(chǎn)生情況，從而采取相關(guān)的措施，減少和避免諧波對(duì)軌道交通各個(gè)系統(tǒng)的危害，以保證地鐵運(yùn)行安全、節(jié)能。