地铁低压配电系统谐波分析及治理研究

李文强

摘要：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。

关键词：地铁；低压配电系统；谐波分析；治理

1地铁低压配电系统中的谐波源

谐波产生于发输电、供变电和用电各个环节，但产生谐波最多的是用电环节。电力谐波产生源主要是系统网络中的非线性元件如整流装置、饱和状态的铁磁性元件。

地铁低压配电系统用电设备中的谐波源主要有以下几种：

1.1非线性电光源

荧光灯因具有光效高、显色性好、配用电子镇流器后也可调光（调频调幅）等优点被大量使用于建筑内外的各种场所，但均含有奇次谐波。各种荧光灯的谐波电流含有率相差较大：普通绕线式电感镇流器含有率12%-13%的3次谐波；电子镇流器采用功率晶体管的高频开关替代电感，其工作频率一般高达20-60kHz，除含有约10%-20%的3次谐波以外，还含有约3%～10%的高次谐波，普通电子镇流器主要设置了逐流型的滤波电路，其谐波总量在20%以上，低谐波型电子镇流器加强了谐波的过滤，其谐波总量可以控制在10%-15%；另外，为提高功率因数，荧光灯一般均装有并联电容器，但电容器起明显放大谐波的作用。

1.2计算机类弱电负荷

大多数计算机类设备都使用了开关电源（SMPS）。它将传统的变压器和整流器替换成由电源直接经可控制的整流器件去给存贮电容器充电，然后通过高频PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管输出所需的多个直流电流，通过控制PWM占空比达到稳定输出的目的。它们不能从电源汲取连续的正弦电流，而只能汲取脉冲电流，从而产生大量的三次及高次谐波的分量。初期的SMPS产品比传统整流装置的谐波含量还要高（尤其是高次），但随着SMPS的模块化和自身谐波隔离技术的发展，其谐波含量可望进一步减少。

1.3变频器和软启动器

变频器和软启动器已越来越多地被运用到地铁系统中的水泵电梯通风及空调系统中，变频一般分为两类：交一直一变频器和交一交变频器。二者均采用相位控制技术，所以在变换后会产生含复杂成分的谐波。

1.4UPS、EPS电源

UPS不间断电源、EPS应急电源所产生的谐波主要是由其内部的整流装置产生的，因其谐波含量与整流装置相似。地铁配电系统中的设备产生的大量的谐波电流，严重地污染了电网质量，谐波对用电设备也会产生较大危害及用电隐患。特别是无功补偿的投入使谐波进行放大，导致电容器烧毁、损坏等。

2谐波污染对地铁各个系统的危害

2.1谐波污染对电网的影响

谐波污染对电网的影响有很多，使电网不能发挥其安全性、稳定性、可靠性的特点，例如造成电网的功率损耗增加、使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂、遥控功能失常、设备寿命缩短、接地保护功能失常、电网发生谐振、线路和设备过热等。

2.2谐波对电容器的影响

諧波使电网中的电容器感抗值成倍增加而容抗值成倍减少，产生谐振，放大谐波电流，最终导致电容器等设备被烧毁。

2.3谐波对电缆的影响

谐波污染对电缆的影响主要有：会使电缆的泄漏电流上升，介质损耗、输电损耗增大，温升增大。特别是对于干式电缆，会大大增加局部放電，产生附加损耗，造成单相接地故障。

2.4谐波对电力变压器的影响

谐波电流引起的附加损耗，增加了变压器的铜损，引起局部振动、过热、噪声增大、绕组附加发热，使变压器的磁滞及涡流损耗增加。

3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；

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。

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。

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。

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。

结语

在地铁交通项目建设过程中，首先在设计时要根据配置情况，正确统计整个项目的谐波源，然后根据这些情况，科学认证谐波的产生情况，从而采取相关的措施，减少和避免谐波对轨道交通各个系统的危害，以保证地铁运行安全、节能。