地铁供电系统谐波及无功功率的影响及处理

魏冲　刘超

摘 要：主要对地铁供电系统谐波和无功功率的影响和处理展开了探讨，并给出了一系列相应的处理措施，以期能为有关方面的研究提供有益的参考和借鉴。

关键词：地铁供电系统；谐波；无功功率；运行质量

中图分类号：U231.8 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.081

在地铁的供电系统中，如果出现谐波和无功功率，则会对供电系统的正常运行造成极大的影响，进而对地铁的安全运行产生威胁。因此，为了确保地铁供电系统能正常运行，要对谐波和无功功率进行认真分析，并以此为基础采取有效的措施做好谐波抑制和无功补偿，从而保障系统的运行质量。

1 地铁谐波和无功功率分析

1.1 供电系统谐波

随着科技的发展和人们对节能要求的提高，接入地铁供电系统中的非线性电气设备数量日益增加，其运行过程中会产生大量的高次谐波。谐波主要来自机车牵引装置和车站机电设备两部分。其中，地铁牵引供电系统采用牵引整流机组向列车提供直流电源，牵引整流机组产生谐波电流的次数与其输出的脉波数有关——牵引整流机组的脉波数越高，则产生的较低次谐波电流越小。国内地铁供电系统一般在设计时采用等效24脉波整流，产生的谐波主要为23次和25次谐波。实际运行中的测试数据表明，谐波含量越小，注入城市电网的谐波电流越能满足公用电网谐波的要求。此外，地铁供电系统网络内部还存在很多谐波，在变电所0.4 kV母线侧的谐波特征频谱丰富，由多段谐波组成。谐波频谱如图1所示。

在图1中，3次、5次、7次、11次、13次谐波主要来自于地铁车站机电设备中的变频器、UPS、开关电源和照明等大量非线性负载，23次和25次谐波电流主要由35 kV整流侧流入0.4 kV。

1.2 供电系统无功功率

在地铁供电系统中，大部分用电设备为感性负荷，而配电采用电缆线路，系统的整体功率因数较高。通过对国内已投运地铁线路的统计，在白天高峰期时段内，各主变电所110 kV侧的功率因数均在0.9以上，各条线0.4 kV侧的平均功率因数均

在0.85以上；夜间低谷时段地铁停运，大量感性负荷被切断，供电电缆由于其具有的充电效应，造成容性无功功率大量倒送回电网，进而导致功率因数严重下降。考虑到城市电网远期的网络接线方案和系统运行方式均有可能发生变化，进而导致城市电网容量和谐波阻抗发生变化，加之城市电网存在背景谐波，一般主变电所均设置了动态无功补偿和谐波综合治理装置（SVG），而地铁低压配电系统设备繁多，受无功功率的影响大，浪费严重，因此，无功功率补偿也应在0.4 kV侧开展重点治理。

2 谐波的危害和无功功率的影响

谐波在地铁供电系统中“流窜”、叠加甚至放大，当谐波含量超过一定范围时，对供电系统造成的主要危害有4种：①降低用电设备的工作效率、增大电能损耗；②影响电气设备的正常工作，产生振动、噪声、发热，缩短电气设备的寿命；③诱发电网谐振，使谐波放大，干扰通信系统的正常工作；④导致继电保护和自动装置误动或拒动，使电气测量仪表计量不准确。

无功功率包含基波无功功率和谐波无功功率，无功功率对电网的影响主要有以下3个方面：①会导致电流增大和视在功率增加，进而使电气设备容量和线缆容量增加；②导致总电流增大，进而使设备和线路的损耗增加；③导致线路和变压器的电压降增大，严重降低了供电质量。

谐波和无功功率不仅造成建设投资浪费和运营成本增大，危及电网本身及其接入设备，严重时还可能影响地铁行车安全。随着地铁建设的开展和运营经验的积累，地铁供电系统的电能质量成为业界普遍关注的焦点。

3 供电系统谐波和无功功率的治理措施

地铁各类用电设备均为运营服务，如何消除谐波电流和无功功率对电网造成的影响，为地铁供电系统中的电气设备创造既安全又经济的环境是十分重要的问题。根据上述分析，由于地铁供电系统谐波和无功功率主要集中在低压配电系统，因此，着重从变电所0.4 kV侧对其开展治理。

为了提高供电系统的电能质量，综合解决谐波、无功功率问题，目前，最好的方法是选用带有谐波治理和无功补偿综合治理功能的有源滤波装置。有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的智能化电力电子设备，主要由谐波信号的检测和补偿两部分组成。通过对电网中非线性负载产生的谐波进行采样、分析，可控制功率逆变器产生与电网中谐波成分相等、方向相反的谐波电流注入电网，可对频率和大小都在变化的谐波、无功功率进行补偿。

有源电力滤波器的安装位置不同，通常有特定负荷的局部补偿、部分补偿和集中补偿三种方式。根据地铁供电系统和负荷的实际情况，目前最常用的方法是在地铁变电所0.4 kV母线侧以并联方式接入有源电力滤波器，从而集中实现谐波抑制并动态补偿无功功率。

4 谐波和无功补偿容量的计算

地铁的各类负荷具有波动性，3次、5次、7次、11次、13次谐波根据运营时段和季节的不同，会随低压侧设备的变化而变化，早、晚高峰时段和夏季谐波较严重。23次、25次谐波随地铁运行密度的变化而增加，初、近、远期车辆密度不断增大，谐波也更加严重。地铁低压配电系统中谐波的成分复杂，频率大小不相同。在建设初期，电气设计人员并不能获取足够的电气设备谐波数据，很难对谐波进行精确计算。如何在设计阶段合理选择补偿配置方案并确定有源滤波器的容量是电能质量治理工作的重点。

通过对某城市运营地铁线路的调研，在变电所0.4 kV侧分别采用有源电力滤波器单滤谐波和无功补偿装置单补无功的情况下，针对不同配电变压器的容量，变电所0.4 kV侧单段母线有源电力滤波器和无功功率补偿装置分别投入的最大容量如表1所示。

式（1）（2）中：IC为系统谐波补偿电流，即系统有源电力滤波器配置容量，A；Ivar为补偿无功电流，A；Ur为额定电压，kV；QC为表1中电容器补偿容量，kVar；Ih为表1中APF投入容量，kVA。

根据表1数据和式（1），并结合地铁供电系统的测试和经验总结，地铁配电变压器正常运行的实际负荷率为0.4～0.5，电流总谐波畸变率为10%～15%.

5 结束语

综上所述，谐波和无功功率的出现会对地铁供电系统的运行造成极大的影响，因此，需要认真分析谐波和无功功率产生的原因，并及时采取有效措施对谐波和无功功率进行抑制和补偿，从而保障地铁电网的电能质量，确保运营环境的安全、可靠。

参考文献

[1]陈自满.地铁供电系统谐波电流和无功功率综合治理方案[J].技术与市场，2014（07）.

[2]孙才勤.地铁供电系统谐波无功功率的综合治理方案[J].电气化铁道，2009（05）.

〔编辑：张思楠〕

Abstract： Mainly for metro power supply system harmonic and reactive power effects and processing are discussed， and gives a series of corresponding treatment measures， in order to provide a useful reference and reference for relevant research.

Key words： subway power supply system； harmonics； reactive power； running quality