高铁站房供配电系统三相不平衡与谐波分析

许艳飞，李永浩，刘 晗

0 引言

高铁客运站属于人员高度密集的公共建筑，其站房形式多样，站房内机电系统大多具有工艺复杂、接口众多的特点。我国高速铁路建设得到了快速发展，与之配套的高铁站房在建设规模及站房内用电设备配置方面较以前有较大不同，尤其是高铁枢纽站，各类用电负荷较集中，各类设备在安装容量、运行特性等方面存在较大差异，同时也对电能质量提出了较高要求。与此同时，用电负荷产生的谐波电流也会对电能质量造成较大影响。因此，对高铁站房的电能质量进行监测分析，减少谐波电流对电能质量的影响十分必要。目前，铁路客运站中的各类照明设备、LED显示屏、安检设备、UPS电源、冷水机组、变频空调、变频风机等均是易产生谐波的负荷[1]。本文将以京广高铁某高铁站为例，对上述问题进行分析。

1 三相负载不平衡运行分析

在三相四线制供电系统中，线路长期处于三相负载不平衡运行工况，中性线有电流通过，带来不必要的电能损耗，严重时会影响电力系统安全稳定。为确保电力系统安全经济运行，必须高度重视三相负载不平衡问题。

1.1 三相负载不平衡运行测定

在三相交流电路中，三相电流值是按正弦规律变化的，三相电流相位互差一定角度，其值不可能在同一时刻达到最大值，因此零线电流值应为三相电流的相量和，即

将式（2）—式（4）用复数法展开后代入式（1），合并后可得

1.2 三相负载不平衡运行对电能质量的影响

1.2.1 三相不平衡时附加损耗的计算

选择1条典型线路，假设相线与中性线电阻均为R，当处于三相平衡状态时，线路电流为I，则相应的平衡状态下的线损ΔP为

当线路处于三相不平衡状态时，三相电压、电流相量不对称。根据对称分量法，任意1组不对称的三相电流相量可以分解为3组三相对称的电流相量：正序、负序和零序电流向量。假设：

式中：IA、IB、IC分别为A相、B相、C相电流相量的有效值。

当线路处于三相不平衡状态时，中性线将有零序电流流过，此时三相四线制的有功线损ΔP为

式中：IN为中性线电流的有效值，IN= 3I0。

1.2.2 谐波产生的附加损耗计算

随着现代电子技术的迅速发展以及智能电网、分布式电源的并网运行，大量非线性、冲击性、不平衡性负荷接入电网，导致电力系统波形失真，给电网带来了大量谐波污染，进而造成严重危害[2]。

为了分析单次谐波畸变的严重程度，本文采用第h次谐波电流含有率HRIh进行描述，即

式中：h为谐波次数；I1为基波电流的有效值；Ih为第h次谐波分量电流有效值。线路的h次谐波阻抗为

式中：R为导体的基波电阻值；Rh为第h次谐波的电阻值。

设k为正整数，分2种情况计算谐波线损。

（1）h= 3k+ 1次谐波属于正序谐波，h= 3k+ 2次谐波属于负序谐波。这2种谐波在平衡状态的线路中产生的损耗ΔPh为

（2）h= 3k次谐波属于零序谐波，故在相线和中性线上均会产生损耗，其计算式为

2 站房变电所谐波分析

通过对该站东南2号变电所进行现场测试，分析负荷谐波特性，为制定谐波综合治理方案提供参考。

2.1 测试方案

搭建测试环境如图1所示，通过FLUKE1760三相电能质量记录仪采集总线及两路支线相关参数：三相相电压UA、UB、UC；三相相电流IA、IB、IC及零线电流IN；各相谐波电流及零线谐波电流。

图1 电压电流采集示意图

2.2 母线测试结果

采集进线三相相电压、三相相电流、零线电流以及各电流2～30次谐波成分，采集时间为34 min，采样间隔为200 ms，共采集数据点3 061个。

2.2.1 三相相电压测试结果

通过采集ABC三相对地电压值，得到三相相电压有效值如图2所示，三相电压的相关数据如表1所示。

图2 三相相电压有效值

表1 三相电压相关数据 V

由图2、表1可以看出，三相电压的波动幅度不大，基本处于稳定状态。

2.2.2 三相电流测试结果

通过测试，采集得到的三相电流值如图3、表2所示。

图3 三相电流

表2 三相电流相关数据 A

由图3、表2可以看出，三相负载电流的波动幅度不大，基本处于对称状态。

2.2.3 零线电流测试结果

采集零线电流如图4所示。

图4 零线电流

由图4可知，零线电流最大值为373.28 A，最小值为305.17 A，平均值为342.03 A。由此可见，零线电流较大，为进一步分析电流成分需进行谐波电流分析。

2.2.4 三相谐波电流测试结果

测量某时间段内的2～30次平均谐波电流，其三相谐波的绝对值测试结果如图5所示。

图5 三相谐波绝对值

由图5可以看出，谐波成分中奇次谐波最多，主要集中在3～15次，其中ABC三相3次谐波成分最严重，均为最大，其次为5，7，9次谐波等。

2.2.5 零线谐波电流

测量某时间段内的零线2～30次平均谐波电流，其结果如图6所示。

图6 零线谐波电流绝对值

由图6可以看出，谐波成分主要集中在3次谐波，其值为337.52 A，其次为5、7、9次谐波等，分别为15.01，7.7，10.61 A等。

2.3 支线测试

采集两路分支的三相相电压、三相相电流、零线电流以及各电流2～30次谐波成分。

2.3.1 三相相电压测试结果

采集ABC三相对地电压值，得到两支路三相相电压数据。支路1的A相电压在227.43～228.89 V范围内波动，平均值为227.64 V；B相电压在227.11～227.73 V范围内波动，平均值为227.50 V；C相电压在226.79～227.48 V范围内波动，平均值为227.18 V。支路2的A相电压在227.26～228.48 V范围内波动，平均值为227.94 V；B相电压在227.53～228.35 V范围内波动，平均值为227.83 V；C相电压在226.64～228.13 V范围内波动，平均值为227.57 V。

由此可以看出，两支路的三相电压波动幅度不大，基本处于稳定状态。

2.3.2 三相电流测试结果

采集ABC三相电流值，得到两支路三相电流如图7所示。

图7 三相电流测试结果

由图7的电流曲线可以看出：支路1的A相电流在45.757～46.205 A范围内波动，平均值为45.98 A；B相电流在42.09～42.592 A范围内波动，平均值为42.38 A；C相电流在23.884～24.383 A范围内波动，平均值为24.16 A。支路2的A相电流在13.563～31.785 A范围内波动，平均值为23.40 A；B相电流在21.317～41.268 A范围内波动，平均值为33.52 A；C相电流在33.208～51.211 A范围内波动，平均值为44.14 A。

由此可以看出，三相负载电流的波动幅度较大，负载处于不对称状态。

2.3.3 零线电流测试结果

采集支线零线电流，得到零线电流如图8所示。

图8 零线电流测试结果

在采集时间段内，支路1的零线电流最大值55.634 A，最小值54.998 A，平均值55.357 A；支路2的零线电流最大值25.009 A，最小值15.925 A，平均值19.48 A。零线电流值处于较高水平。

2.3.4 三相谐波电流测试结果

测量某时间段内的2～30次平均谐波电流，其中三相电流谐波绝对值的测试结果如图9所示。

图9 三相谐波电流测试结果

由图9可以看出，谐波成分中奇次谐波成分最多，主要集中在3～25次谐波，其中ABC三相3次谐波最严重，均为最大，其次为5次、7次谐波。

2.3.5 零线谐波电流测试结果

通过测量某时间段内的零线2～30次平均谐波电流可知，谐波成分主要集中在3次谐波，其值为52.101 A，其次为5，7，9次谐波等。采集时间段内零线谐波电流主要成分如表3所示。

表3 零线主要谐波次数及大小 A

2.4 测试结论

针对该站东南站房、西站房内商业用变压器零线电流较大的情况进行现场测试，分析测试结果发现，零线电流过大造成的发热问题主要是由于负载所产生的3次谐波导致。经过现场分析，这与东南站房、西站房内商业用变压器的供电负荷为车站LED广告显示屏有关，其属于单相整流负载。

3 谐波危害分析及治理建议

谐波的危害主要是谐波电流造成的影响。谐波电流流过变压器，导致变压器产生额外的热量，引起局部过热，振动、噪声增大，绕组发热等；谐波电流流过低压电缆，导致电缆过热，电缆的介质损耗和输电损耗增大，局部放电增加，单相接地等故障的发生率增大；谐波电流注入电力电容器组时，电容器产生过负荷，缩短了其使用寿命，电容器谐波电流放大也可使电容器因过热而损坏[3]。另外，谐波对继电保护装置也会造成不良影响，当电源的谐波分量较高时，易引发过电流、过电压保护的误动作。

抑制谐波有多种方法和方案，可根据线路和设备的实际情况选用合适的方案，当前常用的方法有：选用合理的低压电气设备和变压器接线方式；对于非线性负荷与敏感负荷采用不同的供电线路，对于谐波含量较大的单体设备或设备组采用专用回路供电，并就地设置有源滤波器进行补偿[4]；在变电所低压母线侧设置滤波装置。

当前电力系统采用的滤波装置分为无源滤波器和有源滤波器两种。无源滤波器可滤除某一次或多次谐波，具有结构简单、运行成本低、运行可靠性较高等优点，被广泛应用于谐波治理，常用的单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器等均为无源滤波器[5]。有源滤波器能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿，而且可以同时实现谐波、无功和三相不平衡的补偿[6]，相对于无源滤波器，其谐波治理效果好，但投资较高。

4 结语

目前，我国高速铁路尤其是客运专线发展较快，铁路客运站与城市发展密切相关，大型及特大型站房是城市的交通运输枢纽，其供电可靠性直接影响铁路运行安全和运输秩序。本文对京广铁路某高铁站东南站房、西站房内商业用变压器零线电流较大的情况展开研究，得到了零线电流过大导致的发热问题主要是由于负载所产生的3次谐波导致的结论，并提出了相关的治理建议，为制定有效的谐波治理方案提供参考。