谈谈电气化铁道供电系统谐波检测及治理

张元君

摘要：随着国家电气化铁道的发展，特别是高速铁路的快速发展，铁道供电系统也产生了大量的谐波污染，极大地影响电力系统的运行。本文主要基于对谐波的概念、产生和检测以及如何采取有效的措施进行治理展开叙述。

关键词：电气化铁道;供电系统;谐波;检测及治理

引言

电气化铁道的迅速发展，其中高次谐波为主的电能质量问题也日渐明显，随着高速铁路接入电网的方式发生变化，电力电子元件的应用等方案也得到创新，在今后的一段时间内，电气化铁道供电系统谐波的检测与治理将成为广大科研人员的关注热点问题。因此，深入探讨电气化铁道供电系统谐波问题是具有十分重要的理论意义和应用价值的。

一、供电系统谐波的基本概念

谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波，而基波是指其频率与工频（50Hz）相同的分量。高次谐波的干扰是当前电力系统中影响电能质量的一大“公害”，亟待采取对策。供电系统谐波这一专业术语在国际电工学术界被定义为是具有一定周期的正弦弘波分量的电气量，谐波的周期频率为工频的整数倍，也就是说任何具有周期性的畸变波形都可以用若干正弦波形的总数和来表示。在具体电气化铁道供电系统中，需要明确有关谐波的一下几个问题：

（一）简谐波和次谐波

在负电荷通过一些没有运动规律和规则的谐波电流时，他们的运动频率和周期也不再是整数倍，是分数次谐波。频率为基波非整数倍的分量称为间谐波，有时候也将低于基波的间谐波称为次谐波，次谐波可看成直流与工频之间的间谐波。

（二）谐波和暂态现象

在进行电气化铁道具体施工和操作之前，需要明确谐波和暂态现象是两个截然不同的概念，也是两种不同的物理现象。当电气化铁道供电系统受到外界环境干扰时，会呈现出高频的特征，而处在这种状态的谐波并不是间谐波，而是暂态状态。

（三）陷波现象

陷波是电力电子装置在正常工作情况下，交流输入电流从一相切换到另一相时产生的周期性电压扰动。陷波现象并不直接属于谐波范畴，但他也是周期性的。

二、电气化铁路供电系统谐波的治理措施

（一）电气化铁路谐波的治理措施

经过多年研究，已经掌握了几种有效治理供电系统谐波的措施和方案，其中颇具效果的是以下两种：

（1）严格按照国家对电气化铁路供电系统谐波的要求，加強对其检测

一般而言，在变电所内设置一些有关供电系统谐波检测分析系统，主要是用于电气化铁路牵引变电所，能够对电压、电流、有功功率等发挥作用，并且将检测的记录统计在设备内，以供未来分析使用。目前这种方式已经应用在京沪高速铁路、哈大客运专线等多条电气化程度较高的铁路上。

（2）加装静止无功补偿装置

在电气化铁道供电系统变电站中加进去真空开关并加加入谐波过滤补偿器。补偿装置电路通过串联的方式和电抗器连接在一起，并接于主变压器的牵引绕组上。采用这种方式对供电系统的谐波进行治理的好处主要由以下几点：首先是需要很小的补偿设备容量就可以完成上述任务，能够节省投资，同时还可以补偿基础网络线路电感产生的无功功率。其次是能够根据电壁的无功电流调整补偿量，而且流入电力网的无功电流与谐波电流相对也比较小，能够提高变电站的功率因素。

总之，基于开关投切时间的随机性质，投机时会有很大的电流冲击与很高的过电压，很容易会对开关造成损伤，因此操作时需要格外这一点。但是目前这种缺陷已经得到有效解决和避免。而且这种方式也应用到南昆电气化铁路中，并且在不断地完善和改进。

（二）供电系统谐波的治理方案

对于电气化铁路供电系统谐波的治理方案主要分为以下几种：

（1）在谐波源的位置上安装滤波装置

目前这种方法被广泛应用到供电系统谐波的控制和治理方面。特别是在高速公路的供电系统中得到充分使用。滤波装置主要分为以下几种：首先是无源滤波装置。这只最简单的一种装置，仅有电感元件、电容元件以及电阻元件三种原件组成。这一类滤波器主要时设置在供电系统谐波源头附近或者两侧，当高频率的谐波和次谐波电流频率相匹配时，便可以阻碍更高频率的谐波进入供电系统，对电网造成不利影响。这一类装置的主要优点在于投资小，维护起来便利，结构简单等。这是目前抑制谐波和无功补偿的主要措施。但这一类装置也存在缺陷，即滤波效果与系统阻抗特性紧密相关，在碰到低频、高频等谐波时不仅会削减功效，甚至还会失去效果，且他的工作状态也会收到温度等外界环境的影响。第二种滤波装置是有源滤波器。这种装置的工作原理在于实时补偿谐波电流的方法，即利用可以使用的半导体向电网内注入幅度大小相同、相位相反的谐波电流，这样可使电流中的谐波相互抵消。这种装置与无源滤波装置相比，滤波效果并不受到抗性的影响，相对独立性较强。而且这种装置也具有较高的可靠性和可控性，能够对各种现象做出灵敏反应，技能补偿各种次谐波，抑制闪变现象，也能补偿无功率。随着科学技术水平的不断提高，这类装置的技术含量也在不断提高，并且被广泛应用在各大电气铁道中，尤其是应用在高速公路方面。最后一种是混合滤波器。主要是将前两种滤波器的优点结合在一起，缺点相互抵消，能够改善滤波器的特性还能避免发生谐振的缺点。

（2）限制电容器组的投入数量

在电气化铁道供电系统中并联进去电容器可以有效调节电压，矫正功率因素。这一方法对供电系统额组频特性影响极其大。当谐波注入后，会在一定程度下，起到谐波方法作用，损坏电气设备，甚至会对人身安全造成伤害，所以应当在允许的情况下，投入串联的电抗器，避免谐波放大。

（3）增加换流装置的相数

换流装置是控制和治理谐波的有效手段之一，并且产生的效果与装置的谐波电流成分有关。由于谐波电流与谐波次数成反方向变动关系，因此，可以通过增加脉动数量来增加整个系统装置的谐波次数，这一可以大大降低谐波产生的谐波电流。

总结：本文主要围绕电气化铁路供电系统谐波的概念以及如何有效治理展开详细叙述，并提出几点有效建议。这对包括高速铁路在内的电气化铁道的发展和其供电系统的谐波认识与处理均有重要的指导意义。

参考文献：

[1]郭彭昱. 电气化铁道谐波治理补偿装置的仿真研究[D].大连交通大学，2018.

[2]王艳姣. 基于自适应谐波检测的电气化铁路有源补偿装置方法研究[D].石家庄铁道大学，2018.

[3]张树兰，曹娜，于群.电铁牵引供电系统的谐波仿真模型分析[J].电气传动自动化，2014.

[4]左汝杰.地铁供电系统的运行方式及特点分析[J].科技创新与应用，2019.

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