地鐵低壓配電系統(tǒng)諧波分析與治理

趙國(guó)榮

中交（西安）鐵道設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710000

1 地鐵低壓配電系統(tǒng)中諧波分布情況

1.1 節(jié)能燈及熒光燈

當(dāng)前地鐵軌道工程中，為提高照明系統(tǒng)節(jié)能屬性，控制工程造價(jià)成本，貫徹落實(shí)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)，普遍選擇配置熒光燈或節(jié)能燈。但是，這類(lèi)照明燈具存在驅(qū)動(dòng)電源，以恒壓與恒流開(kāi)關(guān)電源為主。在燈具運(yùn)行期間，將會(huì)持續(xù)產(chǎn)生諧波，易造成諧波污染。

1.2 弱電系統(tǒng)UPS電源

在地鐵軌道工程中，弱電系統(tǒng)主要包括車(chē)站與車(chē)輛段等區(qū)域的通信信號(hào)、監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)與門(mén)禁系統(tǒng)等，這類(lèi)弱電系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)程序、自動(dòng)化設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，均為一級(jí)負(fù)荷，需要配置備用電源UPS以保證系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，做到不間斷供電。

1.3 變電所直流屏及消防應(yīng)急電源

在地鐵低壓配電系統(tǒng)中，消防應(yīng)急電源以及變電所直流屏均設(shè)置整流設(shè)備，存在整流過(guò)程。因此，在系統(tǒng)使用過(guò)程中產(chǎn)生大量的諧波電流，且這類(lèi)電流普遍為三相交流輸入，以6k±1次諧波為主。

1.4 軟啟動(dòng)器

軟啟動(dòng)器通過(guò)控制反并聯(lián)晶閘管組導(dǎo)通角，發(fā)揮裝置控制調(diào)節(jié)輸出電壓值的作用，其具有任意調(diào)節(jié)輸出電壓的優(yōu)勢(shì)，是電流閉環(huán)控制模式中的關(guān)鍵設(shè)備。但是，軟啟動(dòng)器的裝置特性與UPS類(lèi)型設(shè)備較為相似，使用時(shí)主要產(chǎn)生5～7次諧波電流，容易造成諧波污染。

2 諧波對(duì)地鐵低壓配電系統(tǒng)造成的影響

2.1 對(duì)輸變電設(shè)備造成的影響

地鐵低壓配電系統(tǒng)在受到諧波影響時(shí)，會(huì)縮短配電線路及設(shè)備的實(shí)際使用壽命，偶爾出現(xiàn)繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)以及拒動(dòng)問(wèn)題，并使電能表計(jì)量精度下滑。在出現(xiàn)諧波污染時(shí)，還有可能引發(fā)電氣安全事故。諧波對(duì)輸變電設(shè)備造成的具體影響如下。

（1）供配電線路。當(dāng)電纜處于配電狀態(tài)時(shí)，線路中所產(chǎn)生的諧波電壓將以幅值電壓形式增加介質(zhì)電場(chǎng)磁度，導(dǎo)致局部放電問(wèn)題以及線路快速升溫，長(zhǎng)此以往，就會(huì)影響電纜的使用，縮短其使用壽命，且放電、漏電等電氣安全事故的出現(xiàn)概率有所提高。與此同時(shí)，電纜額定電壓等級(jí)與諧波所造成的危害程度呈正比關(guān)系。此外，當(dāng)導(dǎo)體表面流經(jīng)諧波電流時(shí)，將出現(xiàn)臨近效應(yīng)以及集膚效應(yīng)，從而導(dǎo)致線路及設(shè)備出現(xiàn)附加發(fā)熱狀況，加速線路老化，還會(huì)伴隨局部放電，且介質(zhì)損耗顯著增加。

（2）繼電保護(hù)裝置。在輸變電系統(tǒng)受到諧波污染時(shí)，所配置繼電保護(hù)裝置的運(yùn)行狀態(tài)將受到一定程度的影響，可能會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)與誤動(dòng)問(wèn)題，導(dǎo)致裝置動(dòng)作特性畸變。針對(duì)這一問(wèn)題，在多數(shù)地鐵軌道工程中，雖然綜合采取了多項(xiàng)諧波抑制措施，如配置濾波器與采取諧波注入措施等，但隨著非線性設(shè)備配置數(shù)量及額定容量的增加，難以取預(yù)期諧波抑制效果，諧波污染問(wèn)題尚未得到有效解決。

（3）變壓器。如若配置有普通型號(hào)變壓器，則需要重點(diǎn)解決3次及其倍數(shù)次零序諧波污染問(wèn)題，將諧波含量控制在一定程度，如果諧波含量超過(guò)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)形成換流，進(jìn)而出現(xiàn)繞組過(guò)熱與變壓器輸出端畸變現(xiàn)象。在配置供給不對(duì)稱負(fù)荷變壓器時(shí)，工作人員應(yīng)額外考慮負(fù)荷電流是否含有直流分量的問(wèn)題，若含有直流分量，將起到改變變壓器磁路飽和度的作用，進(jìn)而提高交流勵(lì)磁電流諧波分量，導(dǎo)致產(chǎn)生額外的輸電線路熱損耗，加速了線路的老化程度，還降低了其使用質(zhì)量，增加維護(hù)及更換成本。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果得知，相同電纜敷設(shè)情況下，如果通過(guò)的是高次諧波非正弦電流，電纜使用壽命僅為15年，若通過(guò)一般工頻電流，可以將電纜使用壽命增加至25年。

2.2 對(duì)通信系統(tǒng)造成的影響

在地鐵通信系統(tǒng)運(yùn)行期間，當(dāng)受到諧波污染影響時(shí)，將會(huì)對(duì)通話質(zhì)量造成影響，產(chǎn)生雜音，影響通話質(zhì)量，甚至還會(huì)導(dǎo)致信號(hào)丟失。同時(shí)，在同時(shí)受到基波以及諧波影響時(shí)，將會(huì)引起電話鈴響，進(jìn)而影響通信系統(tǒng)的正常使用，有可能出現(xiàn)設(shè)備損壞與安全事故。

2.3 對(duì)地鐵運(yùn)行安全造成的影響

從地鐵低壓配電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，由于配置了大量的非線性設(shè)備，在系統(tǒng)運(yùn)行期間，會(huì)持續(xù)產(chǎn)生諧波。雖然諧波源由軟啟動(dòng)器、節(jié)能燈、消防應(yīng)急電源與變電所直流屏等組成，具有分散性特征，單個(gè)諧波源并不會(huì)對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)造成明顯影響，但是隨著諧波在400V母線中的匯集，會(huì)影響配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而給地鐵運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。例如，在某項(xiàng)目低壓配電系統(tǒng)中，分布著節(jié)能燈、弱電系統(tǒng)應(yīng)急電源、消防應(yīng)急電源等諧波源，且含有大量3次諧波與9次諧波，兩種諧波在低壓配電系統(tǒng)中產(chǎn)生積聚效應(yīng)，3次與9次諧波在中線上保持為線性疊加狀態(tài)，從而出現(xiàn)電纜過(guò)載與絕緣老化現(xiàn)象，且高次諧波對(duì)系統(tǒng)所連接儀器設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量造成影響。最終，該項(xiàng)目配電室區(qū)域出現(xiàn)電氣火災(zāi)安全事故，最終造成38人死亡與嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

3 地鐵諧波治理方案

3.1 諧波治理設(shè)備

（1）有源電力濾波器。在地鐵低壓配電系統(tǒng)中所配置的有源電力濾波器起到控制諧波電流幅值、頻率以及相位的作用，并通過(guò)檢測(cè)負(fù)載諧波以及輸出電流的方式，抵消一部分諧波源負(fù)載形成的諧波電流，從而減小諧波對(duì)低壓配電系統(tǒng)造成的危害，可將其視為一臺(tái)諧波發(fā)生器。同時(shí)，有源電力濾波器可分為串聯(lián)型與并聯(lián)型兩種。其中，串聯(lián)型濾波器負(fù)責(zé)處理諧波電壓?jiǎn)栴}；并聯(lián)型濾波器負(fù)責(zé)檢測(cè)負(fù)載電流與計(jì)算諧波電流，并持續(xù)輸出相同大小與反方向的電流，從而抵消負(fù)載諧波電流。與無(wú)源濾波器相比，有源濾波器具有響應(yīng)速度快、補(bǔ)償能力穩(wěn)定、補(bǔ)償方式靈活、不易出現(xiàn)諧振現(xiàn)象的優(yōu)勢(shì)。

（2）無(wú)源濾波器。無(wú)源濾波器是通過(guò)電感、電阻以及電容組合構(gòu)成的濾波電路，在地鐵低壓配電系統(tǒng)中，發(fā)揮著濾除單次與多次諧波的作用，并向負(fù)載諧波電流提供穩(wěn)定阻抗通道，使其與電網(wǎng)阻抗保持分流關(guān)系，將多數(shù)諧波流入濾波器，以此降低諧波對(duì)系統(tǒng)造成的危害。與有源電力濾波器相比，無(wú)源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、采購(gòu)價(jià)格低廉與運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，但是，無(wú)源濾波器運(yùn)行狀態(tài)受到系統(tǒng)阻抗影響，諧波實(shí)際治理情況與預(yù)期不符，難以徹底解決系統(tǒng)諧波污染，平均諧波濾除率僅為70%。同時(shí)，在地鐵低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行期間，偶爾會(huì)出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。

3.2 諧波治理方式

現(xiàn)階段，低壓配電系統(tǒng)常見(jiàn)的諧波治理方法包括就地補(bǔ)償、集中補(bǔ)償以及支路補(bǔ)償三種，結(jié)合地鐵軌道工程特征來(lái)看，就地補(bǔ)償以及集中補(bǔ)償方式較為適用。其中，就地補(bǔ)償是在諧波源交流進(jìn)線部位設(shè)置濾波器，遵循就近補(bǔ)償原則，持續(xù)對(duì)周邊設(shè)備線路提供諧波補(bǔ)償，以此消除諧波危害。集中補(bǔ)償是在地鐵低壓配電系統(tǒng)以及電網(wǎng)連接部位中設(shè)置諧波補(bǔ)償裝置，如在用戶變壓器低壓側(cè)部位設(shè)置補(bǔ)償裝置，確保裝置緊鄰變壓器。相比而言，集中補(bǔ)償方式難以徹底解決諧波問(wèn)題，雖然可以降低電網(wǎng)諧波污染與電氣火災(zāi)事故的出現(xiàn)概率，但諧波源仍舊會(huì)對(duì)測(cè)控與通信等重要負(fù)載造成威脅。就地補(bǔ)償方式的治理效果較佳，但會(huì)提高地鐵低壓配電系統(tǒng)諧波治理成本，且治理方案設(shè)計(jì)難度較大，工作人員應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目情況合理選擇諧波治理方式。

此外，工作人員需要正確認(rèn)識(shí)地鐵車(chē)站低壓配電系統(tǒng)諧波治理問(wèn)題的特殊性，將諧波治理工作側(cè)重于以下方面：第一，最大程度上減小或徹底消除諧波污染對(duì)通信信號(hào)等影響地鐵列車(chē)行車(chē)安全的用電負(fù)荷的影響；第二，減小地鐵低壓配電系統(tǒng)對(duì)所接入電網(wǎng)造成的諧波污染；第三，重點(diǎn)預(yù)防中性線過(guò)載與電氣火災(zāi)事故出現(xiàn)。例如，在某地鐵低壓配電系統(tǒng)諧波治理方案中，對(duì)重要且復(fù)雜的通信信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)并進(jìn)行集中處理，在低壓母排末端集中設(shè)置諧波源，在變壓器側(cè)端設(shè)置需保護(hù)負(fù)荷，并在被保護(hù)負(fù)荷以及諧波源負(fù)荷間隔區(qū)域設(shè)置濾波器裝置。

3.3 有源濾波裝置容量的選擇

現(xiàn)階段，在多數(shù)地鐵軌道工程中，往往選擇配置有源濾波器，其具有使用可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單、補(bǔ)償速度快與自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)。但是，在有源濾波裝置容量選擇不當(dāng)時(shí)，會(huì)影響治理效果。因此，在制訂諧波治理方案時(shí)，工作人員應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目情況與已知信息，掌握各負(fù)載諧波電流有效值與諧波電流總有效值，以其為計(jì)算依據(jù)，準(zhǔn)確計(jì)算有源電力濾波器的最佳容量。例如，在諧波電流總有效值為103A時(shí)，配置120A等級(jí)的有源濾波裝置即可。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為保障地鐵低壓配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，切實(shí)滿足現(xiàn)代地鐵軌道工程的用電質(zhì)量可靠性要求，預(yù)防設(shè)備故障與電氣火災(zāi)事故，工作人員必須了解諧波源分布情況，重點(diǎn)分析和研究諧波對(duì)低壓配電系統(tǒng)造成的具體影響，進(jìn)而采取針對(duì)性的治理措施，保證諧波治理方案切實(shí)可行。