地铁低压配电系统谐波分析及治理研究

王文彬

(中铁第一勘察设计院集团有限公司电气化处,陕西西安,710043)

地铁低压配电系统谐波分析及治理研究

王文彬

(中铁第一勘察设计院集团有限公司电气化处,陕西西安,710043)

本文对低压配电系统谐波进行了相关的理论研究，对谐波治理方式、治理效果进行了现场测试和仿真计算研究，推荐出适用于地铁低压配电系统的治理方案，对今后地铁低压配电谐波治理具有重要参考价值。

地铁；低压配电系统；谐波；有源滤波装置；无功补偿

0 引言

地铁作为现代城市交通系统的重要组成部分，其安全性、高效性越来越多的受到公众的关注。地铁车站内强电、弱电多个系统并存，高压、低压多种电压等级并存，交流、直流多种供电制式并存。地铁除了牵引负荷(直流电动车辆)外，为保证地铁车站运营的功能性及舒适性，车站内还有很多动力照明设备，其中大量非线性设备的运行必然产生谐波。如何减少谐波对配电系统的污染，减少谐波造成的危害，为地铁车站及其他用户电气设备的使用创造既安全又经济的低压配电系统环境成为一个亟待解决的问题。

本文对低压配电系统谐波进行了相关的理论研究，对谐波治理方式、治理效果进行了现场测试和仿真计算研究，推荐出适用于地铁低压配电系统的治理方案，研究成果对于地铁设计、运营具有一定的指导意义。

1 地铁低压配电系统谐波分析

典型地铁车站低压配电系统采用单母线分段接线，正常时母联分段，两台变压器并列运行，当一台变压器检修或故障时，切除三级负荷，另一台变压器承担全部一、二级负荷的供电从而保证地铁车站的正常运营。地铁低压配电系统主要用电负荷包括照明、环控、给排水、通信、信号、屏蔽门、综合监控、AFC、电扶梯等。

1.1 地铁谐波源分布

地铁车站低压配电系统存在大量的非线性电气设备，归纳起来有以下几种：

1.1.1 荧光灯：

属于气体放电灯，电路中还有电弧，电弧的负阻特性（电弧电阻随电流增大而减小）产生谐波电流。由于单相电源供电，主要产生2k±1次谐波。

1.1.2 直流屏、消防应急电源(EPS)等：

此类电源均存在整流过程，在其工作过程中或产生谐波电流，由此类电源基本上为3相交流输入，所以主要产生6k±1次谐波。

1.1.3 通信、售票等弱电系统UPS电源：

地铁弱电系统如通信、信号、综合监控、自动售检票系统AFC、乘客信息系统PIS等，需要高可靠性的后备电源（UPS）进行不间断供电，以保证供电质量和供电连续性。

1.1.4 变频器和软启动器：

部分风机、自动扶梯通过配置变频器或软启动器以改善启动冲击和运行节能，但必然随之产生6k±1次谐波。

1.1.5 检修电源：

区间隧道及车站风机房内的检修作业，难免产生电弧。电弧的负阻特性会产生谐波电流，由于时间较短，对于电网影响很小。

1.2 谐波对地铁系统的影响

谐波对于地铁系统的影响可以从输变电设备和通讯系统两方面进行阐述：

1.2.1 谐波对输变电设备的影响：

谐波会减少输电线路、电力变压器及无功补偿电容器的寿命，甚至会导致事故发生；谐波还可能引起继电保护装置的误动或拒动。

a对输电线路的影响：

谐波电流会产生较高频率的电场，这种情况下绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使温升增加，影响绝缘寿命。

b对变压器的影响：

对于普通变压器，其主要3次及其倍数次零序谐波需考虑解决，以防谐波形成换流导致绕组过热；对于供给不对称负荷的变压器，如果负荷电流中含有直流分量，则它将使变压器磁路的饱和度提高，从而使交流励磁电流的谐波分量大大增加。

c对无功补偿电容器的影响：

在电容器的作用下，谐波电流可以被放大2～5倍，而在谐振时可达30倍以上。谐振引起的过电压和过电流会大大增加电容器的损耗和过热，这往往导致电容器的损坏。

1.2.2 谐波对通讯系统的影响：

谐波干扰会引起通信系统的噪声，降低通话的清晰度。干扰严重时会引起信号的丢失，在谐波和基波的共同作用下引起电话铃响，甚至还发生过危及设备和人身安全的事故。

2 地铁谐波治理解决方案分析

地铁谐波治理的方式主要分为谐波集中补偿和就地补偿两种：集中补偿即在在用户用电系统与电网连接点处加装谐波补偿设备，优点在于，大量的谐波源产生谐波电流到达变压器母线后会有相互叠加减小，治理成本低，保护上级电网，但对下级电网无益；就地补偿方式，就是将滤波器安装在谐波源的交流进线处，通过滤波器就近补偿谐波，达到彻底消除谐波危害的目的，补偿效果佳，但补偿成本较高。

地铁车站低压配电系统的谐波治理，区别于一般的治理方式，其谐波治理的侧重点应放在三个方面：

2.1 消除谐波污染对关键的测控、通讯、指挥系统的影响；

2.2 消除谐波引发中线过载而导致电气火灾发生的可能；

图1 就地补偿方式

2.3 降低地铁配电系统对上级电网（包括自用变压器）的污染。

由于测控、通讯、指挥系统等关键负载安全性要求高，如在变压器下做集中补偿，虽能避免对上级电网的谐波污染、消除降低电气火灾的发生几率，但无法消除谐波源对这些重要负载的威胁，因此，在地铁站房低压配电系统中应尽量选用就地补偿模式（如图1）对谐波源所产生的污染进行就地补偿，将谐波危害消除在源头。

但就地补偿方式成本较高，且设计是选型复杂、安装时施工量加大。为合理的设计滤波装置的数量及节约设计预算，在地铁站房配电系统中，建议将负载分类与集中补偿方式相结合进行设计。

如图2所示，首先，在系统设计时我们需要考虑尽量将所有谐波源负荷与需受到保护的控制系统、通讯系统、指挥系统负载进行分类集中。把主要的谐波源负载集中设计在低压母排的末端，将需保护的负荷设计在靠近变压器侧。将滤波器加装在谐波源负荷与被保护负荷之间，集中消除谐波的危害。

图2 集中治理方式

经过这样的处理方式后，谐波只存在谐波源负荷之间，经滤波器集中治理后，彻底消除了谐波对关键负载及上级电网的影响，成本也相较就地补偿方式大大降低。

3 PSCAD仿真与验证

针对前述分析，使用电磁暂态仿真软件PSCAD对现场工况和滤波效果进行了模拟仿真。系统主要参数为：电网进线为110kV，短路容量2000MVA，变压器为110kV/35kV及35kV/0.4kV，空调负荷总容量为200-300kW； UPS总容量为100-120kW；照明总容量为100kW；电梯总容量为15-30kW。

仿真时间为2s，有源电力滤波器于1s投入运行，无功补偿柜于1.5s投入运行。

由以上可以明显看出，有源电力滤波器和无功补偿投入运行后，电网电压电流波形得到了极大的改善，畸变率降至3%左右，满足国标要求。滤波器投入前后，基波电流基本保持不变，谐波电流有显著增大。

本文对滤波器置于无功补偿之前也进行了仿真分析，结果表明滤波器置于无功补偿之前，滤波器运行后电网侧电流中还有5、13、19次谐波，而滤波器置于之后时网侧电流中仅含5次谐波电流，所以有源电力滤波器安装在电容补偿柜之后滤波效果最佳。

4 地铁谐波治理案例

某地铁公司出于运行安全性考虑，决定在某车站环控室使用有源电力滤波器进行滤波。

现场主要谐波负载为三台变频器，有源电力滤波器安装于变压器下集中补偿。测试位置为低压母排互感器二次侧，电流数据变比30:5，需对实测数据进行调整。归算至实际值的谐波电流、电压、畸变率数据分别如下表：

表1 归至实际值的谐波电流值

表2 归至实际值的电压、畸变率值

测试数据显示了地铁环控电控室谐波状况，谐波电流畸变率一般在30%左右。从上述数据对比可以得出，通过谐波治理，畸变严重的非正弦波变为标准的正弦波；电压畸变率从3%降低到1.4%；电流畸变率从34.4%降低到6.1%；谐波电流吸收率达到92.9%，有源电力滤波器在地铁低压配电系统中使用，尤其是对于消除谐波方面的作用是非常明显的。

5 结论

通过一系列的仿真计算及现场试验数据，得到结论如下：

5.1 对于地铁站低压系统的电能质量问题，可以通过在变压器下安装有源电力滤波器和无功补偿柜的方式解决；

5.2 安装有源电力滤波器后，对于电网侧电流电压波形的改善作用十分明显，其中有源电力滤波器安装在电容补偿柜之后滤波效果最佳；

5.3 安装有源电力滤波器后，对于降低负载之间的谐波干扰起到了十分重要的作用；

从理论上说，牵引动力产生的谐波对于低压配电系统没有影响，如果现场确实存在问题，可以现场测试后进行处理。

[1] 丘小梅 关于地铁车站低压配电系统的谐波防治[J]．电气应用，2005(11)

[2] 段永强.地铁供电系统谐波的分析及治理[J].城市轨道交通研究，2012(6)．

[3] 王均山．有源滤波技术在地铁供电系统中的应用[J]．铁道工程学报，2009(9)．

The Harmonic Analysis and Restraint for Low-voltage Distribution System of Subway

Wang Wenbin
(Electrical Engineering Dept. of China Railway First Survey & Design Institute Group Co.LTD,710043)

In this paper,relevant theoretical research was conducted on the harmonic distortion of low voltage power supply system.Field test and simulation were taken to harmonic suppression methods and their effects.Finally,suitable harmonic suppression method for subway was recommended,which has important and referenced value to the harmonic restraint of low-voltage distribution system in the future.

subway；Low voltage power supply system;harmonic;Active Power Filter;Reactive power compensation