简述地铁供电系统谐波的分析及治理

白永辉

摘要：城市轨道交通供电系统的负荷变化很大，容易引发电压问题及频率问题，产生大量谐波，对供电系统的运行稳定性造成不良影响，所以对供电系统谐波抑制措施进行详细探究十分重要。本文采用仿真建模方法，对城市轨道交通供电系统谐波进行分析，并对城市轨道交通供电系统谐波抑制方法进行详细探究，以期保障城市轨道交通供电系统的稳定运行。

关键词：轨道供电系统；电力谐波；分析及措施

一、轨道交通供电系统电力谐波分析

轨道交通车辆追求的目标是安全、快捷、舒适，对牵引供电系统的发展方向是可靠、节能、环保。现在城市交通供电系统网对轨道交通系统采用分散供电方式、集中供电方式和混合供电方式，由于我国的供电系统起步晚、供电方式不完善，出现了很多问题。轨道交通牵引供电系统采用整流设备向电动车组提供其所需直流电源，形成谐波源，由于牵引整流装置、整流逆变装置和照明装置的广泛应用，导致轨道供电系统产生大量谐波。在轨道交通供电系统中，很大部分的非线性负荷投入使用，不仅吸收大量基波，将部分功率转变为谐波功率注入系统，成为系统的谐波源，成为产生谐波的根本原因。当谐波超过一定范围，会对电力供电系统、城市轨道交通的照明系统等供电系统产生严重危害。

二、地铁供电系统谐波电流和无功功率的危害

1. 在谐波电流方面

地铁供电系统在运营时会产生谐波电流，通常情况下，供电系统中的牵引变电所的整流机组降压整流方式主要为两种，分别为12脉波整流与24脉波整流，在机组降压整流后，出现的谐波电流有5、11、23与25次。在社会经济稳定发展的背景下，地铁供电系统中使用的用电设备多为低压与高节能类型的，其中变频装置的应用具有广泛性与普遍性，在此基础上，低压配电系统中的谐波畸变更为严重。照明系统的运行形式为电子整流器，在此期间谐波出现的次数为3次；空调与电梯的运行，在此期间谐波出现的次数为5、7次。

谐波电流危害主要体现在影响着地铁供电系统的电流，会使其出现叠加与流窜，在此基础上，电流会逐渐放大，进而直接影响着地铁供电系统的安全性。同时，它也威胁着电力系统的安全，谐波污染会影响整个城市的电力系统。谐波电流的具体危害为：叠加与流窜的电流会使电容器持续加热，在长时间后，电容器的热度便会超过安全界线，此时电容器会出现老化的问题，其使用时间也将缩短，进而电容器极易出现击穿故障；在电流增大的基础上，供电系统中的线路损耗会逐渐增加，其中的变压器额定容量也会不断降低；同时，谐波电流影响着系统的保护装置，局部停电的情况将更为普遍，它也影响着系统的电机，振动与噪音的问题将更加严重，电机的使用时间将大幅度的缩短。

2. 在无功功率方面

地铁供电系统在运营时，用电设备的用电负荷为感性负荷，此时用电负荷的性质与功率因数均存在差异，地铁供电系统极易出现无功功率，无功效应也随之出现。无功功率的危害主要是提高了地铁运营的成本，制约着节能环保目标的实现。

三、城市轨道交通供电系统谐波抑制方法

1.电力系统谐波抑制措施

在进行城市轨道交通供电系统谐波抑制过程中，可以采用以下三种方法：①受端治理措施：这一治理措施指的是在进行谐波抑制时，选择科学合理的供电方式，提升供电系统设备抵御谐波的能力，尽量避免电容对谐波放大，提升谐波保护水平。在受端治理措施的实际应用中，通过应用各种谐波抑制措施，有利于改善供电系统设备使用性能。②主动治理措施。这一谐波抑制措施指的是通过增加变流装置的相数、改变谐波源工作方式或者采用PWM技术等措施，虽然主动治理能抑制谐波的产生，但是由于非线性元件种类繁多复杂，单独依靠主动治理不可能完全消除谐波。③被动治理措施。被動治理措施指的是在轨道交通谐波抑制过程中，采用外加设备的方式，具体而言，可以采用有源滤波器或在谐波源并联无功补偿装置联合运行。

2.建立新型整流变压器架构

新型地铁牵引供电系统是在感应滤波的技术基础上，改变整流变压器两套阀侧接法，由原来的Y型/△型接法改变为延边三角形联结法。在延边三角形公共绕组抽头的位置连接滤波装置，改变公共绕组设计实现零阻抗绕组，借助滤波器给出的短路通路使得阀侧特定次谐波可直接通过，避开变压器铁芯进入网侧这一环节，阻断谐波电流的传输和扩散。整流变压器的接法选用一次侧接Y型，二次侧两套绕组选用D联结，借助绕组方式改变产生电压相位差，两套绕组依次和整流器连接形成12脉波整流，使变压器铁芯中谐波电流磁势倍数达到12（K±1）（K=1，2，3）次。新型整流变压器阀侧接线电压移相角为±15°，两组线电压差角为30°，形成12脉波换相整流变压器；两组阀侧绕组的匝数比一样，使制造更容易。

3.新型整流滤波器谐波抑制方法

滤波方案主要是通过改变绕组连接方式，在阀侧公共绕组抽头位置连接5次、7次、11次和13次特征谐波滤波器，相应频次的谐波滤波器产生的支路阻抗是零，使得谐波电流通路短路。在供电系统实际运行过程中，如果谐波电流流经延边绕组，不通过原边绕组，并且直接经过滤波器支路短路，则会使得延边绕组和公共绕组上因谐波电流而产生的谐波磁势相均衡，有效地将阀侧谐波和网侧绕组阻隔。在进行变压器绕组设计时，只需合理布设公共绕组便可将绕组阻抗设计为零。在实际变压器设计过程中，精确的零阻抗设计一般难以实现，但只需合理设计公共绕组等效阻抗不超过网侧绕组等效阻抗的5%，便可满足工业设计需求。

4.电气化轨道交通谐波抑制措施

现如今，科学技术发展迅速，在城市轨道交通建设中，电气化轨道交通发展迅速，同时对于电气化轨道交通供电系统电能质量的要求也越来越高。现如今，对于电气化轨道交通谐波抑制，可以采用以下方法：①采用新型的交-直-交型电力机车，更换既有的交-直型电力机车。交-直-交型电力机车所采用的是四象限脉冲变流器，而逆变器采用的是PWM控制方式，因此谐波含量比交-直型电力机车谐波含量有了明显的减少。②主变压器的牵引绕组上直接安装无功补偿装置，在补偿装置实际安装过程中，对于电容器以及电抗器，采用串联的连接方式，其中，电容器能够有效提供容性超前无功功率补偿感性负载消耗的滞后无功功率，从而促进功率因数的提高。③严格执行谐波国家标准，加强对谐波源的监测分析。可在变电所内设置电能质量监测分析装置，及时关注牵引变电所内电能质量的各项指标。

5.利用动态无功补偿技术

在科学技术水平不断提升的背景下，地铁供电系统的无功功率问题得到了广泛的关注，为了实现对此问题的有效解决，相应的技术得到了研究，并将技术进行了应用，以此保证了供电系统的稳定性、安全性与可靠性。动态无功补偿技术的作用是显著的，通过动态无功补偿装置的运用，促进了相应技术作用的发挥，并使该技术得到了发展。

动态无功补偿技术主要是借助大功率的电子器件，促进了无功能力的转变，通过高频开关功能，实现了无功功率的补偿，进而有效解决了地铁供电系统的无功功率问题。此项技术的特点是显著的，如：较小的占地面积、对母线电压的影响较少，同时耗能偏低、效率较高。

结语

对地铁供电系统的谐波研究，分析谐波的产生原因及谐波给供电设备带来的危害，并提出合理的治理方案。采取必要的滤波治理措施后，地铁供电系统的电能指标满足国家有关标准，保证电力系统安全和经济运行，保证城市地铁的安全运行。

参考文献：

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[2]李光蕊.北京地铁负荷建模及其对城市配电网影响的分析[D].北京交通大学，2015.

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