谐波对电梯相序继电器的影响与治理

叶兰兰，邹 凯，廖 宏

谐波对电梯相序继电器的影响与治理

叶兰兰，邹 凯，廖 宏

以武汉地铁二七路主变电所供电范围内电梯的不正常运行情况为例，根据对电力系统各级电压电流的检测及电梯相序继电保护器动作条件的分析，确定谐波为导致相序继电保护器动作的原因，分析谐波源并提出了采用电容补偿器以抑制谐波的短期措施，取得了一定效果。二七路主变电所改造后，验证了电压畸变的程度取决于整流装置容量与电网容量的相对比值，改造后容量扩增大大提高了系统的可靠性和稳定性。

相序继电器；谐波；电容补偿器

0 引言

城市轨道交通中存在非线性负荷，除牵引整流机组外，还存在大量荧光灯、UPS电源、变频器及软启动装置等，这些设备产生大量的谐波，使电力系统的正弦波形畸变，电能质量降低。谐波对电力系统的污染日益严重，谐波源的注入使电网谐波电流、谐波电压增加，其危害波及全网，对各种电气设备有不同程度的影响和危害。其主要影响有：对供电线路产生附加损耗；影响各种电气设备的正常工作；使电网中的电容器产生谐振；对附近的通信系统产生干扰；造成继电保护装置的误动作。

1 故障概况

武汉地铁轻轨一号线东线二七路主变电所（下文简称主所）是一座10 MV·A容量等级、含2台110/10 kV电压等级变压器的变电所，该所110 kV进线从供电局滩轨线引进，10 kV母线运行方式为单母线分段，其出线共8回，给堤角牵引降压所、新荣降压所、丹水池牵引降压所、徐州新村牵引降压所、二七路降压所、头道街牵引降压所供电。各所经过10 kV/0.4 kV降压变压器给堤角站、新荣站、丹水池站、徐州新村站、二七路站、头道街站的电梯供电。

自2013年8月起，轻轨一号线东线由二七路主所供电范围内（堤角站、新荣站、丹水池站、徐州新村站、二七路站、头道街站）的电梯相序继电器在地铁运营时间段内频繁动作，动作时间间隔为几分钟。当电梯相序继电器动作后，开关接触点断开，电梯与电源断开而停运。

2 初步原因分析

2.1 电梯相序继电器功能及动作条件

相序继电器是安装于电梯电源进线端，它是由运放器组成的相序比较器，比较电压复制、频率高低和相位。电梯相序继电器的功能如下：

（1）相序保护。该保护可防止电梯提升时，电机运行方向与预期相反，例如：预期为梯箱下行，相序错误的情况下实际为上行，在没有加装其他保护措施的情况下，会导致发生冲顶事故。

（2）断相保护。该保护可防止电梯的电机在运行过程中遭遇电源断相故障，导致电机损坏或引发其他事故。

（3）过压、欠压保护。该保护防止电压过高、过低损坏电梯提升电机而引发其他事故。

相序保护器动作条件：当发生三相电源断相、错相及电压波动超过±15%、频率和温度超过其范围值，相序保护器均会动作，控制电路的电源将被切断从而电动机电源被切断，致使电梯失电而停运。

2.2 故障原因分析

二七路主所供电范围内的电梯停运是由电梯相序继电器频繁动作所致，而导致相序保护器动作的条件为三相电源断相、错相、电压波动及频率、温度超过给定范围值。下面对相序继电器动作原因进行逐一排查。

经过监测，频率、温度均在给定范围内，可排除因频率、温度的影响导致相序继电器动作。相序继电器的三相电源的相序正确，未出现断相、错相、反接的现象，因此可排除因三相电源断相、错相、反接造成的继电器工作。分别对二七路主所的10 kV母线、低压400 V母线、400 V电梯抽屉柜的电压电流进行检测。二七路主所10 kV母线谐波电压畸变率统计报表如表1所示，从表1可看出电压谐波含量较高，但是总谐波电压及各次谐波电压畸变率均未超出国家标准。谐波含量以23次、25次最明显，5次、19次亦较高。二七路主所低压400 V母线，其电压、电流波形如图1所示，电压水平良好，电流受谐波影响波形失真较大，电流谐波值如图2所示，其3次、5次、7次、11次谐波电流较高。对二七路主所400 V电梯抽屉柜检测，电压水平在正常范围内，电流受谐波影响大，波形畸变严重，其中5次、7次、11次谐波电流较高（图3）。

表1 二七路主所10 kV母线谐波电压畸变率统计报表

由表1测试结果数据可知，供电系统中存在较多的谐波电流，且谐波电流较高的为5次，7次，11次，23次，25次谐波，可以推断相序继电器误动作的原因是存在的谐波所致。

图1 二七路主所低压400 V母线电压、电流波形图

图2 二七路主所低压400 V母线电流谐波数据图

图3 二七路主所低压400 V电梯抽屉柜电压电流波形图

3 故障原因确认及分析

3.1 谐波对相序继电器的影响

相序继电器是由运放器组成的相序比较器，比较电压复制、频率高低和相位。由于相序继电器的构成是一个比较器，它为静态型继电器。静态继电器一般是按相位比较原理构成，由微分式比相器构成的静态继电器，它把2个交流电量都变成方波，再将其中一个方波通过微分电路产生脉冲去与另外一个交流量的方波进行比较，而因谐波的存在会出现多个不应有的微分脉冲，引起交流量过零点的机会增多，造成保护装置误动作。

以上已排除频率、温度、三相电源断相、错相或反接、电压波动会引起的相序继电器动作，由相序继电器的特性可知，谐波的存在使继电器误判断误动作，而二七路主所供电范围内各变电所400 V系统中存在较多的谐波电流，以23次、25次谐波突出，5次、7次、11次谐波电流较高。

3.2 追查谐波源

造成系统中出现谐波的因素和设备较多。电梯是由变频器控制调速，其本身就为谐波源，列车车载逆变器也会产生谐波，线路中含有较多的非线性元件，其中牵引所中的整流器是由大量的电力电子设备组成，牵引所中采用的24脉波整流器会产生23次、25次以上的特征谐波，当各种非理想因素（电网电压不对称、牵引变压器三相阻抗不对称等）存在时，不可避免地产生非特征谐波，24相脉波整流也将产生5次、7次、11次谐波。

3.3 分析

造成系统中出现谐波的因素很多，而二七路主所与江汉路主所供电系统构架类似，江汉路主所中也含有造成谐波分量的24脉波整流器、电梯、非线性元件，而江汉路供电范围内的电梯却能正常运行。据报，供电局江滩变电站8月曾遭遇雷击，而江滩变电站是供给二七路主所110 kV进线的滩轨线。故而推断因江滩变电站遭雷击，导致二七路主所110 kV进线的滩轨线电能质量下降、谐波电流注入，加之牵引供电所内及电梯自身也产生谐波，这2方面的原因对二七路主所400 V低压配电系统中谐波影响增大，使得电梯相序继电器误动，致使电梯停运。

4 整改措施

4.1 短期措施

限制电网谐波的主要措施有：增加整流装置的脉波数、加装交流滤波器、有源电力滤波器等。为使电梯尽快恢复正常运行，在现有设备条件下治理谐波，采取应急措施将二七路主所400 V开关柜投3组电容补偿器，新荣所400 V开关柜投3组电容补偿器，堤角所400 V开关柜投2组电容补偿器。经过观察，电容补偿器投入后，相序继电器未动作，电梯正常运行，但检测发现投入电容补偿器的变电所400 V配电和10 kV配电网功率因素很低。

电容补偿器使得电容两端的电压不能突变和电容本身存在一定的滤波功能对谐波畸变进行抑制，使得相序继电器不动作。电容补偿器的优点是稳压、滤波，使得电梯正常运行。其缺点如下：

（1）造成过补偿。400 V系统中功率因数过低（表2），堤角站的功率因数0.3远低于正常情况下的功率因数0.9，使得电能利用率不高、增加线路损耗。

表2 降压所400 V系统开关母线功率因数表

（2）与电路中的感性元件易形成谐振回路，将对系统稳定性有较大的冲击。

（3）若谐波电流过大，使得电容补偿器的实际电流值高于其额定电流值的1.3倍，造成电容使用寿命不长或者爆炸，经计算验证该次投入的电容补偿器的电容电流在规定范围内。

4.2 整改措施

由于1号线汉口北延长线工程的投入，原有的二七路主所供电容量已不能满足对现有新增站用电负荷的要求，故从供电局引入一路110 kV进线福轨线，增设容量20 MV·A的主变压器，与原有滩轨线一同为二七路主所供电。

11月完成对二七路主所的改造，由原有的滩轨线单电源供电方式改造为由滩轨线和福轨线的双电源供电方式，对改造后的二七路主所进行电能质量检测与评估。

实验1：由福轨线单独给二七路主所供电，切除二七路降压所、新荣站降压所、堤角站降压所补偿电容器。检测对象为徐州新村400 V系统402#开关母线。实验结果，电压波形平滑（图4），功率因数为0.97，相序继电器未发现有动作，电梯可正常运行。

图4 徐州新村400 V母线电压波形图

实验2：由滩轨线和福轨线共同为二七路主所供电，切除二七路降压所、新荣站降压所、堤角站降压所补偿电容器。检测对象为堤角站400 V系统401#开关母线。实验结果，电压波形平滑，功率因数良好，相序继电器未发现有动作，电梯可正常运行。

通过2组检测实验发现电压畸变的程度取决于整流装置容量与电网容量的相对比值，改造后的双电源供电大大提高了系统的可靠性和稳定性。福轨线主变容量20 MV·A是滩轨线主变容量10 MV·A的2倍，系统抗干扰能力增强，使得谐波对低压配电网的影响减小，电梯相序继电器正常工作，电梯可靠运行。

5 结语

一般影响电能质量的因素有功率因数问题、谐波问题及电压瞬变问题等，高压、中压、低压母线上的电能质量问题是相互影响的。该次电梯的不正常运行是谐波问题导致，随着非线性负荷用电设备的数量、种类的增多，谐波问题不仅是地铁供电、铁路供电系统，也是整个大电网系统中存在较为普遍、频繁、且棘手的问题，对于谐波的预防与治理问题，在地铁供电、铁路供电系统中是需长期研究与探讨的课题。

[1] 林海雪，孙树勤.电力网中的谐波[M].北京：中国电力出版社，1998.

[2] 肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2004，171-200.

[3] 张伏生，耿中行，葛耀中.电力系统谐波分析的高精度FFT算法[J].中国电机工程学报，1999，19（3）：63-66.

[4] 罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006.

[5] 李凤祥.谐波抑制和无功功率补偿技术的研究与应用[J].电力系统及其自动化学报，2001，13（5）：26-29.

[6] 陈威，李璨.电网谐波对继电保护的影响与预防措施分析[J].电气开关，2012，（5）：8-11.

[7] 洪佩孙，陈淮金，孙亚芹.大容量非线性负载所产生的谐波电流对系统继电保护影响的研究[J].江苏电机工程，1991，10（4）：1-10.

[8] 王磊，刘小宁，王伟利.大功率整流电路直流侧非特征谐波的分析[J].继电器，2007，35（3）：37-40.

[9] 祁小牧.大功率整流装置产生的谐波对电力系统的影响[J].重庆工学院学报，2003，17（6）：27-28.

Based on the abnormal operation of elevator in Wuhan Metro, the causes of abnormal operation is analyzed. According to the measurement of the voltage and current in power system and the condition of phase sequence relay protection, the harmonic is determined as the cause of relay action. The harmonic source is analyzed, with modest success capacitance compensator as short-term scheme for harmonic suppression is proposed. After capacity transformation of primary substation in Er-Qi road, the voltage distortion is determined by the ratio of rectifier capacity and power grid capacity which is verified, and the reliability and stability of system is greatly improved.

phase sequence relay; harmonic waves; capacitance compensator

U223.6+3

B

1007-936X(2014)05-0021-04

2014-01-24

叶兰兰.武汉地铁运营有限公司，助理工程师，电话：13545169565；

邹 凯，廖 宏.武汉地铁运营有限公司，工程师。